北京市農(nóng)業(yè)灌溉用水計量方式比選分析

籍淑芳，李成龍，馬永浩

（1.北京北控鳳凰城市運營管理有限公司，北京市 100015；2.山東滕州市城鄉(xiāng)水務(wù)局，山東棗莊 277500；3.北京市華水新源生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京市 102101）

0 引言

水資源是基礎(chǔ)性的自然資源和重要的戰(zhàn)略資源。我國是一個水資源嚴重短缺的國家，水資源供需矛盾突出仍然是可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸[1]。農(nóng)業(yè)是用水大戶，農(nóng)業(yè)用水量約占全國社會用水總量60%，其中90%以上為灌溉用水。我國農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)和用水效率方面均與發(fā)達國家差距巨大，資源浪費現(xiàn)象嚴重，節(jié)水潛力很大[2]。發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水，調(diào)整農(nóng)業(yè)發(fā)展思路，轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，在農(nóng)業(yè)用水量基本穩(wěn)定的同時擴大灌溉面積，提高灌溉保證率，是促進水資源可持續(xù)利用、保障國家糧食安全、加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式的重要舉措[3]。

《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》明確指出，“我國農(nóng)業(yè)灌溉水利用率遠低于世界先進水平”，提出“重點研究農(nóng)業(yè)高效節(jié)水和城市水循環(huán)利用技術(shù)”，實施“開發(fā)灌溉節(jié)水、旱作節(jié)水與生物節(jié)水綜合配套技術(shù)，重點突破精量灌溉技術(shù)、智能化農(nóng)業(yè)用水管理技術(shù)及設(shè)備”等科技研究。北京是嚴重缺水的特大型城市。自1999年以來，全市連續(xù)干旱，缺水形勢嚴峻?！笆濉逼陂g，北京市積極落實市委、市政府提出的“實施最嚴格的水資源管理制度”以及“向觀念要水、向機制要水、向科技要水”的工作要求，推動農(nóng)業(yè)節(jié)水，進一步壓縮農(nóng)業(yè)用水量[4，5]。

北京市農(nóng)業(yè)用水占全市總用水的1/4，灌溉水利用系數(shù)不足0.7，低于發(fā)達國家水平（0.8～0.85），還有較大節(jié)水潛力。根據(jù)《北京市國家經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二○三五年遠景目標剛要》（2021年1月），北京市要堅持走生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展之路，積極創(chuàng)建國家生態(tài)文明建設(shè)示范區(qū)和“綠水青山就是金山銀山”實踐創(chuàng)新基地，引導(dǎo)資源節(jié)約型、生態(tài)友好型產(chǎn)業(yè)項目在生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)落地，打造生態(tài)溝域。地下水是重要的戰(zhàn)略資源，占全市總用水的80%以上，占農(nóng)業(yè)用水的75%，農(nóng)業(yè)機井用水有效計量是管理節(jié)水的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是灌溉水利用系數(shù)測算的前提條件，也是全國落實國務(wù)院頒發(fā)的《關(guān)于實行嚴格水資源管理制度的意見》的主要考核指標之一[6，7]。目前，北京市農(nóng)業(yè)用水有效計量率不足30%，存在計量方式不合理、產(chǎn)品設(shè)計不科學(xué)、系統(tǒng)不兼容、功能不健全、計量精度不高、可維護性差等突出問題，嚴重制約了農(nóng)業(yè)節(jié)水事業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。

1 國內(nèi)外計量現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，世界發(fā)達國家已經(jīng)將農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的中心由灌溉工程建設(shè)轉(zhuǎn)移到工程管理和水資源的優(yōu)化配置上。以缺水著稱的以色列，將水資源的開發(fā)、利用與管理同國家的生存聯(lián)系在一起，通過立法的形式保證全國的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活用水統(tǒng)一管理，實現(xiàn)全國降雨、地表水、地下水、再生水的統(tǒng)一分配應(yīng)用。全部實行定額管理，在整個國家范圍內(nèi)建立了嚴格的供用水管理體系和合理的水費征收制度，實行用水配額制度，配水定額不僅有量的限制，而且有時間的限制，精確到每小時的用水量，超額不僅加價，且嚴格限制。采用不同用量不同水價，違反規(guī)定嚴厲處罰，農(nóng)民根據(jù)水量進行布局和組織周年生產(chǎn)，鼓勵節(jié)約用水，以保證水資源的高效率利用。

長期以來，我國農(nóng)業(yè)用水管理粗放，存在著計量不清、管理隨意等諸多問題，主要表現(xiàn)在：一是農(nóng)業(yè)用水計量手段缺乏，計量精度差，收費困難。由于缺乏水表等基本計量設(shè)備，我國普遍實行按畝收費或電費折算的辦法，同時，由于需要人工收取費用，工作強度大，效率低，且收費困難。二是水價不合理。目前一直沿用政府定價模式，灌溉用水價格低，水費與用水多少沒有直接關(guān)系，導(dǎo)致農(nóng)民沒有節(jié)水積極性，灌溉用水浪費嚴重。三是管理水平低，信息統(tǒng)計慢。農(nóng)業(yè)供水管理層次和環(huán)節(jié)較多，農(nóng)業(yè)用水信息需要通過管理機構(gòu)逐層填報，導(dǎo)致統(tǒng)計周期長、數(shù)據(jù)準確度差。

1.2 北京市現(xiàn)狀及問題

1.2.1 農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀

北京市現(xiàn)有農(nóng)業(yè)灌溉用井32586眼，農(nóng)業(yè)生活用水機井10133眼。2020年農(nóng)業(yè)供水量3.23億方。在用水管理上，由市水務(wù)局下達各區(qū)縣分行業(yè)用水指標，區(qū)縣分解到鄉(xiāng)鎮(zhèn)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水指標不分配到各農(nóng)業(yè)用水機井，鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)籌安排，用水統(tǒng)計主要由農(nóng)業(yè)用水協(xié)會或管水員統(tǒng)計上報。在收費方面，灌溉用水沒有明確收費政策，75%村鎮(zhèn)根據(jù)村規(guī)民約，收取電費和少量維修費，不足由村委會補貼。在計量方面，2003年在全市安裝了機械式水表，2007年在通州進行農(nóng)業(yè)用水計量管理系統(tǒng)試點，2010年擴大試點，目前全市有7個區(qū)縣安裝智能計量系統(tǒng)5055眼，其中10%計量水量，90%是以電計水。

1.2.2 存在的問題

1）計量問題。直接采用水量計量的，采用高端水量傳感器，傳感器超過3000元/個，價格過高無法大規(guī)模推廣。采用普通水表則由于水質(zhì)問題，經(jīng)常損壞，面臨維護成本過高問題。采用水電折算計量，由于采用固定折算系數(shù)，不能動態(tài)調(diào)整，在水文動態(tài)變化過程中，折算存在很大誤差，引起農(nóng)民不滿。現(xiàn)在急需尋找價格適中、穩(wěn)定可靠、計量相對精確的計量設(shè)備或計量模式。

2）實時傳輸問題。目前的現(xiàn)場用水管理設(shè)備多數(shù)具備水電計量功能，但多數(shù)不具備數(shù)據(jù)傳輸功能，少數(shù)具有近距離紅外傳輸功能，造成月系統(tǒng)數(shù)據(jù)精度低，數(shù)據(jù)受人為影響因素大，管理層面無法及時了解各農(nóng)用機井用水情況，無法做到實時監(jiān)控。管理部門需要及時了解轄區(qū)范圍內(nèi)用水情況，以便及時做出決策，應(yīng)該形成一套可以實時采集、控制、傳輸?shù)默F(xiàn)場控制單元。

3）軟件平臺。目前軟件平臺基本只能配合各自廠家的設(shè)備進行應(yīng)用，無法兼容其他廠家設(shè)備。同時，每個村安裝一套軟件，對村級用水管理者提出了過高的計算機軟件管理要求，而且軟件無法自動將數(shù)據(jù)及時上報市級管理部門，需要人工操作進行數(shù)據(jù)上報，這樣就增加了人為干預(yù)的可能性。因此，應(yīng)形成一套統(tǒng)一軟件平臺，隨時采集各個農(nóng)業(yè)用水機井的用水狀況，軟件采用分賬戶分級管理模式，采用標準的開發(fā)協(xié)議，所有廠家的設(shè)備遵循協(xié)議都可以接入，降低運行維護成本。

2 不同計量方式比較

2.1 各種水表性能測試結(jié)果

根據(jù)北京市農(nóng)業(yè)灌溉用水的特點和農(nóng)業(yè)用水計量設(shè)備運行環(huán)境特點，選擇4類水表，即普通數(shù)字式濕式水表、普通干式水表、超聲波流量計和水電折算智能計量系統(tǒng)。開展水力性能、低溫凍脹、不同含砂率及其他情況下的計量精度等試驗，分析各水表的抗磨損、抗凍脹、計量精度及運行維護管理方法等，提出北京市適宜的農(nóng)業(yè)灌溉用水計量方式及其運行管理要求。各種水表的計量精度、不同含砂率下的計量精度以及它們的抗凍耐磨情況。各種水表性能的測試結(jié)果見表1。

表1 各種水表性能測試結(jié)果統(tǒng)計

分析可知，在常流量下，液封式垂直螺翼水表、液封式水平螺翼水表、干式水平螺翼水表和干式防堵塞水表計量精度較高，都小于2%，可以滿足農(nóng)業(yè)灌溉用水的計量要求。北京市農(nóng)業(yè)用水采用地下水灌溉，其含砂率一般處于1/10000左右，由于水質(zhì)含砂率較小，水質(zhì)清潔度高，可使用液封式垂直螺翼水表、液封式水平螺翼水表、干式水平螺翼水表和干式防堵塞螺翼水表4種水表。超聲波流量計計量精度介于0.7%～1.5%之間，含砂率為1/1000時，計量精度會略受影響，且超聲波流量計開始階段計量數(shù)據(jù)存在一定的波動性，需要穩(wěn)定5～10 min后方可計量數(shù)據(jù)。

2.2 計量精度確保要點

1）根據(jù)試驗研究，水電折算系數(shù)主要受抽水區(qū)域地下水富水性、地下水水位埋深、水泵自身參數(shù)等因素的影響。北京市在沖洪積扇的上、中、下游不同地區(qū)，地下水富水性差異顯著，地下水埋深變異性較大，這就決定了不同區(qū)縣、不同區(qū)域的水電折算系數(shù)各不相同，而且隨著地下水埋深變化存在變幅。

2）根據(jù)本研究成果，單井如果能夠進行水電折算系數(shù)的長系列率定工作，水電折算計量系統(tǒng)的誤差率有望控制在10%以內(nèi)。

3）要想在區(qū)域尺度上推廣水電折算計量系統(tǒng)，使其在區(qū)域尺度上得到更好的計量精度（誤差率控制在8%以內(nèi)），須建立北京市水電折算系數(shù)率定網(wǎng)絡(luò)。針對不同包氣帶結(jié)構(gòu)、不同地下水埋深條件下，選擇不同的水泵類型、種植結(jié)構(gòu)區(qū)布置監(jiān)測點，研究適宜于北京市不同區(qū)域、不同工況條件下針對不同地下水埋深、不同包氣帶情況下以及不同時間段的水電折算系數(shù)值。

2.3 各種類型水表特點比較

液封式垂直螺翼水表、液封式水平螺翼水表、干式垂直螺翼水表以及干式防堵塞螺翼水表等普通機械水表結(jié)構(gòu)簡單，制造維修方便，成本低經(jīng)久耐用，運行較可靠不需電源，不需管理軟件系統(tǒng)。但是，其需人工抄表，且冬季需要做好排水防凍工作，無其他任何附加功能，無法滿足農(nóng)業(yè)用水管理的需求。

超聲波流量計等遠傳水表管理方便快捷，收費及時，可減少抄表的人工和不便，免除抄表等活動打擾，可享受智能化的生活方式。但是，需配備專用管理軟件和服務(wù)點，以支持產(chǎn)品出現(xiàn)故障后的麻煩，風(fēng)險較普通水表高，且水表維護成本較大。目前，應(yīng)用的水電折算計量系統(tǒng)以電計量水量，安裝要求與安裝一塊電表類似，無需安裝水表，操作簡單，節(jié)省了水表的安裝與維護成本，但其計量精度不高，需要人工采集數(shù)據(jù)，且很難實現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水定額管理（表2）。

表2 各種類型水表特點統(tǒng)計

3 結(jié)語

研究結(jié)果表明，普通數(shù)字式濕式水表、普通數(shù)字式干式水表具有精度較高、維修方便、成本低廉等特點，但需人工抄表，無法滿足農(nóng)業(yè)用水智能化管理的要求。超聲波流量計可實現(xiàn)水量遠傳，無需人工抄表，但故障風(fēng)險和維修成本較前兩種水表大。水電折算計量系統(tǒng)以電計量水量，安裝一塊與電表類似的計量設(shè)施，操作簡單，但其計量精度不高，需人工采集數(shù)據(jù)。綜合四類水表存在的優(yōu)缺點，建議針對北京市農(nóng)業(yè)灌溉用水特點和農(nóng)業(yè)用水計量設(shè)施運行環(huán)境，開發(fā)出一種適宜北京市的農(nóng)業(yè)用水計量方式。該方式應(yīng)具有較高的計量精度、方便的遠傳功能，自動化校準方式及智能化的用水定額管理功能。