甘肅盈科灌區(qū)農(nóng)灌機井地下水計量設(shè)施升級改造方案探討

楊海源

(甘肅省張掖市甘州區(qū)盈科水利管理所，甘肅 張掖 734000)

0 引言

地下水可持續(xù)發(fā)展是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提和重要元素，對地下水進行科學合理開發(fā)利用，是實現(xiàn)社會、經(jīng)濟、環(huán)境、資源的最大效益發(fā)揮的保障。我國西北地區(qū)大部分灌區(qū)長期以來，農(nóng)業(yè)灌溉水源主要以機井取用地下水為主，灌溉管理模式粗放簡單，地下水開發(fā)利用程度較高，對地下水的取用水量難以準確計量，過度開發(fā)現(xiàn)象嚴重。通過井口處安裝智能化地下水計量設(shè)施，對地下水開發(fā)進行精準化管理，是地下水科學保護和建設(shè)可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的剛性保障。本次以位于甘肅張掖市的盈科灌區(qū)為例，對灌區(qū)機井現(xiàn)有地下水計量設(shè)施升級改造思路及內(nèi)容進行闡述，以期為類似灌區(qū)提供參考依據(jù)。

1 盈科灌區(qū)概況

張掖市甘州區(qū)盈科灌區(qū)始建于唐代，灌區(qū)屬于河井混灌區(qū)，以引黑河水灌溉為主、井灌為輔。灌區(qū)隸屬甘州區(qū)水務(wù)局，屬自收自支事業(yè)單位，地處張大公路九公里處，轄新墩、長安、小滿、黨寨、上秦、梁家墩6個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))68個行政村，總?cè)丝?0.6萬人。設(shè)計灌溉面積22.54萬畝，有效灌溉面積22.54萬畝，實際灌溉面積19.712 9萬畝，其中河灌面積16.6810萬畝，純井灌面積2.606 3萬畝，生態(tài)林面積0.425 6萬畝，農(nóng)業(yè)灌溉多年平均引提水量1.58億 m3。灌區(qū)現(xiàn)已建成干渠4條40.05 km，支渠27條128.58 km，斗渠173條284.87 km，建成斗渠以上各類建筑物764座。灌區(qū)共有農(nóng)業(yè)灌溉地下水機電井560眼。

2 灌區(qū)水資源狀況

灌區(qū)所屬黑河灌區(qū)，灌區(qū)范圍內(nèi)無調(diào)蓄工程，水資源開發(fā)利用程度較高，可供水量基本取決于河道天然來水量，在尚無外來水源的情況下，地表水供水可挖掘潛力不大。按照目前開發(fā)利用程度，結(jié)合現(xiàn)行的黑河省際分水方案，依據(jù)《張掖市黑河甘、臨、高三縣區(qū)水資源分配方案》和《甘州區(qū)水資源分配方案》,分配盈科灌區(qū)可利用水資源總量為1.256 1億 m3，其中：地表水資源可利用量為0.871 8億 m3，地下水可利用量為0.384 3億 m3。受地層巖性和結(jié)構(gòu)的控制，區(qū)內(nèi)地下水均為第四系松散巖類孔隙水，主要賦存于中上更新統(tǒng)一全新含水層中。地下水位埋深50～80 m左右，地下水位年變幅1 m左右，含水層巖性為砂卵礫石，厚度>200 m，黑河地表水滲入補給地下水，其形式為帶狀垂直入滲補給，地下水自南東向北西徑流，以側(cè)向流出的方式排泄，砂卵礫石滲透系數(shù)50～100 m/d。地下水埋藏總的規(guī)律是自南向北漸淺，含水層顆粒漸細，并由單一的潛水含水層漸變?yōu)槎鄬拥臐撍袎核畬?。南部，含水層?00～500 m，巖性為砂礫卵石，單井出水量大于5 000 m3/d，水位埋深10～70 m，水質(zhì)優(yōu)良。北部沿河岸一帶，含水層厚度50～100 m左右，巖性為砂、砂礫石，單井出水量大于1 000 m3/d，地下水位埋深小于5 m。優(yōu)良水、良好水占92%，極差水僅占8%。極差水僅分布在山丹河附近個別地段。

3 灌區(qū)地下水計量設(shè)施現(xiàn)狀

3.1 地下水灌溉機井現(xiàn)狀

盈科灌區(qū)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)灌溉機電井560眼，大部分為農(nóng)民集體所有，全部為三相潛水泵取水，水泵功率18.5～55 kw。管徑為DN100及DN150極少一部分為DN200的大口徑管網(wǎng)，水泵起動方式大部分為交流接觸器直接起動，或一部分為自耦降壓啟動。絕大部分通過管道實現(xiàn)了管灌、滴灌，有的機井同時解決農(nóng)村飲水問題。機井周邊環(huán)境大多數(shù)較為惡劣，基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，管網(wǎng)不規(guī)范。2012-2013年灌區(qū)自籌資金分年度安裝計量設(shè)施560套，計量方式為“以電換水”的計量方式。2016年在原安裝設(shè)備的基礎(chǔ)上加裝了遠程通訊裝置，實現(xiàn)了遠程動態(tài)監(jiān)控。

3.2 電力供應(yīng)及通訊條件

灌區(qū)內(nèi)電網(wǎng)密布，已有多條10 kV輸電、供電線路在灌區(qū)內(nèi)通過，施工供電條件很好；但到了灌溉高峰期供電電壓不穩(wěn)，水泵運行電流較大，電網(wǎng)供電半徑以外(計量表下端)到水泵供電線路存在老化，線路不規(guī)范。區(qū)內(nèi)通信事業(yè)較為發(fā)達，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)現(xiàn)已全部開通了程控電話，有線、無線通信網(wǎng)絡(luò)基本形成，電信移動聯(lián)通信號全覆蓋，通訊條件十分便利。

3.3 供水管網(wǎng)現(xiàn)狀

灌區(qū)供水管網(wǎng)多種多樣，有的管網(wǎng)剛出井口就分成兩個分支，轉(zhuǎn)直角彎分別供人飲和管灌，有的甚至出井口一個分支直接入滴灌首部裝置，另一分支接入人飲水塔(如果管灌尤其是滴灌首部的止回閥故障造成倒灌，滴灌管灌的自動給藥及施肥裝置內(nèi)的殘留物就會回流到取水井)?？傮w來看，管網(wǎng)不規(guī)范，很多不具備安裝水表及閥門的條件，對將來運行管理維護非常不利。

4 地下水資源計量設(shè)施運行中存在問題

灌區(qū)內(nèi)涉農(nóng)灌溉機井560眼，2012-2014年自籌資金安裝計量設(shè)施560套。由于種種原因現(xiàn)有系統(tǒng)中水資源計量設(shè)備運行狀況不是很理想，主要原因如下：

(1)計量設(shè)備主要是通過計量水泵耗電量換算水量計量收費，功能有限、計量不精準，不便于管理控制機電井，無法滿足法定計量標準的要求。

(2)現(xiàn)有設(shè)備均為甘肅華峰公司生產(chǎn)的第一代產(chǎn)品，已頻臨報廢，原生產(chǎn)廠家已不生產(chǎn)此類型號產(chǎn)品，無法進行設(shè)備更新改造。

(3)受現(xiàn)有設(shè)備安裝時技術(shù)和條件限制，用戶很容易改線、拆線或制造故障，系統(tǒng)雖有報警，但用戶常以設(shè)備故障和急需用水為理由，甩開控制設(shè)備取水，繞開計量設(shè)施取水現(xiàn)象明顯。

(4)設(shè)備及系統(tǒng)研發(fā)單位在項目區(qū)尚未設(shè)立售后服務(wù)點，專業(yè)維護人員少，管理維護計量設(shè)施服務(wù)工作不到位，尤其在灌溉用水高峰期計量設(shè)施出現(xiàn)故障不能及時排除或智能卡不能及時購水，導致取水單位私拆導線繞行強制取水，造成計量設(shè)施不能正常計量運行。

5 計量設(shè)施升級改造措施及內(nèi)容

5.1 升級改造思路分析

《甘州區(qū)機井管理云平臺》已經(jīng)在甘州區(qū)2016年農(nóng)業(yè)水價綜合改革項目中建設(shè)完成，平臺已經(jīng)實現(xiàn)了甘州區(qū)轄區(qū)內(nèi)所有機井的管理和監(jiān)控部署，本次全新安裝的計量設(shè)施只需無縫接入《甘州區(qū)機井管理云平臺》即可，接入平臺后主要實現(xiàn)平臺監(jiān)控和平臺聯(lián)動限額水量充值功能。同時升級數(shù)據(jù)中心應(yīng)用平臺，實現(xiàn)遠程充值，遠程設(shè)參等功能。機井管理云平臺建成后能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)控機井實時數(shù)據(jù)、并對機井信息、用水信息、水卡信息、水權(quán)信息、配水信息進行統(tǒng)計分析和查詢?yōu)g覽。通過定額配水模型，對不同類型的機井進行在線水權(quán)分配。能夠?qū)崿F(xiàn)階梯性水價收費和統(tǒng)計，并對機井進行精細化管理，可在原有平臺的基礎(chǔ)上實現(xiàn)部分應(yīng)用功能的升級及改造。

5.2 升級改造后的平臺模塊及功能

5.2.1 實施監(jiān)測功能

實施監(jiān)測模塊包括三個子模塊：GIS地圖顯示系統(tǒng)(電子地圖)、實時數(shù)據(jù)、遠程監(jiān)控。

1)GIS地圖顯示系統(tǒng)

2)實時數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

實施數(shù)據(jù)模塊能夠通過表格形式更加精準和細致的展示機井的基本情況、水泵運行情況、和啟動柜運行狀態(tài)，具體顯示內(nèi)容如下：

機井編碼、機井名稱、安裝地點、采集時間、當前用水量、瞬時流速、剩余水量、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、開關(guān)機狀態(tài)、水泵運行三項電壓、水泵運行三項電流等信息。

并具有詳細操作功能，能夠查看機井的詳細信息、歷史記錄和報警記錄信息。

3)遠程監(jiān)控系統(tǒng)

遠程監(jiān)控模塊主要是針對機井進行遠程操控和遠程參數(shù)設(shè)置，正對定位機井進行遠程開泵、遠程關(guān)泵、實時數(shù)據(jù)及遙測上報、控制器基本參數(shù)遠程設(shè)置、水表遠程清零、控制器遠程清零、遠程鎖機等功能。

5.2.2 統(tǒng)計分析功能

統(tǒng)計分析模塊包括六個子模塊：機井基本信息查詢、配水信息查詢、階梯性水量分配信息查詢、機井用水信息查詢、售水信息查詢、水卡信息查詢。統(tǒng)計分析模塊主要針對機井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、和實時遙測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、檢索和分析具體實現(xiàn)功能及要求如下：

1)機井基本信息查詢

可以通過機井水管區(qū)域、機井行政區(qū)域?qū)C井進行檢索和定位，進而查詢機井編碼、機井名稱、業(yè)主姓名、所屬行政區(qū)域、所屬水管區(qū)域、業(yè)主電話、設(shè)備型號、安裝前照片、安裝后照片和機井詳細查詢。

2)配水信息查詢功能

可以查詢和顯示配水名稱、配水年份、配水類型、每畝地分配水量、配水輪次、配水價格、配水人員等信息。

3)階梯性水量分配信息查詢

階梯性水量分配信息查詢主要是針對一次配水后無法滿足用水戶需求水量的，按照水資源管理制度需實行階梯性水量分配及加價收費，在此處可以查詢，階梯性水量用水戶名稱、階梯性水量、執(zhí)行階梯性水價、配水人員等基礎(chǔ)信息。

4)機井用水信息查詢

機井用水信息查詢模塊分三部分內(nèi)容，第一部分顯示本水管區(qū)域內(nèi)“三條紅線”控制水資源總量和查詢機井控制水資源總量。第二部分內(nèi)容顯示查詢機井的實際用水量、剩余水量、超采水量等基本信息。第三部分內(nèi)容是通過柱狀圖顯示統(tǒng)計查詢區(qū)域內(nèi)機井的實際用水量柱狀分布圖。同時顯示機井日用水量、月用水量、年用水量信息的統(tǒng)計報表。

5)售水信息查詢

售水信息查詢模塊主要是查詢各個售水點和水權(quán)交易點的售水情況和充值情況，本模塊主要顯示查詢統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)機井的已購水量、已用水量、剩余水量、單眼機井售水金額、區(qū)域內(nèi)機井售水金額；并統(tǒng)計水費收繳情況、控制水費收繳情況統(tǒng)計、階梯性水費收繳統(tǒng)計等內(nèi)容；并通過柱狀圖顯示售水信息和階梯性水費收繳信息。

6)水卡信息查詢

水卡信息查詢主要查詢用水卡、設(shè)置卡、反寫卡的開卡情況、充值情況、掛失情況、注銷情況和卡號等基礎(chǔ)信息。如下圖所示:

5.2.3 智能告警功能

智能告警模塊主要包括設(shè)備故障告警、異常機井智能分析、用水指標圖形分析等五個子模塊。

1)設(shè)備故障告警

設(shè)備故障報警模塊是通過智能終端前端監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)，將前端設(shè)備故障進行告警，主要顯示設(shè)備運行狀態(tài)、三項電壓、三項電流、設(shè)備開關(guān)門狀態(tài)、設(shè)備供電電壓等基本信息，并對超過預警值得設(shè)備進行紅色燈告警。

2)異常機井智能分析

此處可以通過系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)分析，對有偷水、故意破壞前端設(shè)備的行為進行分析，以最大精準度分析查詢有異常的機井，并通過短信功能或語音報警功能提醒機井管理員到現(xiàn)場進行執(zhí)法排查。同時記錄檢修情況和故障處理情況，使得整個設(shè)備保修的過程標準化和流程化。

3)地下水資源分析預測

此功能通過對接國家地下水資源監(jiān)控的數(shù)據(jù)，或者在所監(jiān)控區(qū)域內(nèi)建設(shè)地下水水位監(jiān)控站，通過監(jiān)控到的實施數(shù)據(jù)和本區(qū)域內(nèi)在此段時間內(nèi)抽取的地下水數(shù)據(jù)總和進行對比分析，進而進行告警。并通過會商和決策限制階梯性水量出售，嚴格控制水資源超采和環(huán)境破壞。

5.2.4 系統(tǒng)管理功能

系統(tǒng)管理模塊主要包括七個子模塊：行政區(qū)域、水管區(qū)域、機井管理、角色管理、用戶管理、參數(shù)管理和基礎(chǔ)信息。

1)行政區(qū)域管理

行政區(qū)域管理主要是正對項目區(qū)的行政管理級別進行設(shè)置，進行區(qū)域編碼設(shè)置、區(qū)域名稱設(shè)置、區(qū)域級別設(shè)置、父區(qū)域設(shè)置備注和操作功能。

2)水管區(qū)域設(shè)置

水管區(qū)域設(shè)置是和行政區(qū)域設(shè)置同級別并行的兩條區(qū)域管理，在此處要設(shè)置水管區(qū)域的相關(guān)信息，類似于行政區(qū)域設(shè)置。

3)機井管理

機井管理是本系統(tǒng)的最基礎(chǔ)、最核心的模塊，主要是添加機井的前段窗口，需要添加機井的數(shù)據(jù)如下：

所屬水管區(qū)、所屬行政區(qū)、機井水管碼、機井行政碼、設(shè)備編碼、機井號牌、設(shè)備名稱、管道口徑、設(shè)備型號、井管內(nèi)徑、設(shè)備號、泵管材質(zhì)、DTU號碼、成井時間、手機卡號、井深、手機卡運營商、地下水埋深、取水類型、水泵型號、水井經(jīng)緯度、水泵額定揚程、水泵額定功率、應(yīng)用狀況、水井用途分類、灌溉模式、控制面積、實際灌溉面積、實際供水人口、是否辦理取水許可證、取水許可證編號、年取水許可量、是否辦理工業(yè)取水手續(xù)、年核定水量、生產(chǎn)規(guī)模、工業(yè)區(qū)面積、是否安裝水量計量設(shè)施、計量設(shè)施類型、水表型號、水表口徑、水表編號、有無水表防護罩、所在地貌類型、水資源區(qū)域、所在灌區(qū)類型、安裝前照片、安裝后照片等機井基本參數(shù)。

4)角色管理

角色管理功能主要是對不同水管區(qū)和不同行政區(qū)的管理人員進行模塊權(quán)限的分配，并可以隨時新增、修改、刪除此角色。

5)用戶管理

用戶管理是針對管理員、售水員、配水員以及其它用戶進行添加和管理功能。

6)參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置模塊主要是設(shè)置基本水費執(zhí)行價格、電流預警閾值、電壓預警閾值、功率預警閾值、高峰抽水時間設(shè)置、地下水超采預警閾值以及一些其它預警設(shè)置。

7)基礎(chǔ)信息設(shè)置

基礎(chǔ)信息設(shè)置，是針對系統(tǒng)、前端智能終端控制器、機井的一些基礎(chǔ)信息進行設(shè)置，具體設(shè)置內(nèi)容如下：

運營商設(shè)置、泵管材質(zhì)設(shè)置、取水類型設(shè)置、應(yīng)用狀況設(shè)置、水井用途分類設(shè)置、灌溉模式設(shè)置、灌區(qū)類型設(shè)置、地貌類型設(shè)置、計量實施類型設(shè)置、機井設(shè)備型號設(shè)置。

5.2.5 信息發(fā)布功能

信息發(fā)布模塊主要有系統(tǒng)簡介及操作流程介紹、以及系統(tǒng)幫助信息查詢等功能。

5.2.6 水權(quán)管理功能

水權(quán)管理模塊包括三個子模塊：農(nóng)業(yè)用水配水計劃、工業(yè)用水配水計劃、生活用水配水計劃。

水權(quán)管理模塊是按照權(quán)限進行發(fā)布的，擁有水權(quán)管理模塊權(quán)限的操作員可以對管轄區(qū)域內(nèi)的灌溉用水、工業(yè)用水、生活用水機井，按照年次、輪次、水權(quán)分配方式對機井進行配水。其配水模式分農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活，并按照地畝數(shù)、用水人口、工業(yè)核定取水量進行本年度不同輪次的配水計劃的擬定，只有此處計劃生效后，擁有售水充值權(quán)限的管理員方可對機井水卡進行充值，機井水卡充值水量受此處配水量的限制。

此模塊還具有階梯性水量分配功能，在控制水量分配完畢時，若用水戶需購買加價水量，必須通過此模塊對機井進行階梯性水量、水價分配，前端方可對水卡進行充值。

5.2.7 收費管理功能

收費管理模塊包括三個子模塊：基本水費收繳、分項費用統(tǒng)計、售水信息查詢、遠程充值、財務(wù)報表統(tǒng)計。

1)基本水費收繳模塊

基本水費收繳模塊是按照機井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中錄入的實際灌溉面積，按畝收取此眼機井的基本水費，并與充值軟件進行聯(lián)動，對沒有交清基本水費的機井不進行水量充值。具體展示內(nèi)容如下：

機井名稱、業(yè)主姓名、電話號碼、控制面積、灌溉面積、基本水費、是否繳納、報表導出接口。

2)分項水費統(tǒng)計

由于地下水計量設(shè)施收費分水資源費、計量水費、末級渠系補償費用三部分組成，因此此模塊在原有功能的基礎(chǔ)上進行統(tǒng)計分析升級改造，升級后能夠顯示單眼機井的機井編碼、機井名稱、已購水量、購水單價、購水總金額、計量水費、計量水費金額、末級渠系水費、末級渠系水費金額、水資源費、水資源費金額等信息，同時通過柱狀圖和餅圖形式展示數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

3)售水信息查詢

根據(jù)不同水費管理人員或收費站點對計量水費收繳進行統(tǒng)計，對不同收費站點的在配水計劃內(nèi)的已收水費、購買水量、充值金額、充值單價、充值時間、所屬行政區(qū)、所屬水灌區(qū)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并通過柱狀圖對統(tǒng)計內(nèi)容進行展示。

4)遠程充值(新增功能)

用戶通過授權(quán)可以在平臺上對機井進行遠程充值操作，若遠程充值成功，用水戶可以直接操作前端計量設(shè)施，進行取水操作。不需要用水卡進行取水。

6 結(jié)語

盈科灌區(qū)作為以農(nóng)業(yè)灌溉為主的灌區(qū)，農(nóng)業(yè)機井地下水計量設(shè)施作為終端計量點，是向農(nóng)戶收取水費的依據(jù)，極大改變了過去按時間計水或按電量計水的模式，減少因水量不準確帶來的矛盾糾紛；通過對現(xiàn)有甘州區(qū)機井管理云平臺進行升級改造，可以實現(xiàn)對灌區(qū)用水戶的取水情況進行實時監(jiān)控，隨時掌握用水數(shù)據(jù)和機井運行狀態(tài)，極大提高管理水平，同時通過水權(quán)管理系統(tǒng)對機井進行先充值后用水的管理模式，解決收費困難的困境。并結(jié)合大數(shù)據(jù)分析模塊對偷水、繞越計量設(shè)施取水的違法行為進行查處，可以將最嚴格的水資源管理制度落到實處。