小型灌溉泵站以時計水和以電計水計量方法研究

陳 丹 張 娣 湯樹海 張 建 曹建鄴

(1. 河海大學 農業工程學院， 南京 210098； 2. 淮安市漣水縣水利科學研究站， 江蘇 淮安 223400； 3. 江蘇省淮安市洪澤區水利局， 江蘇 淮安 223100； 4. 江蘇省淮安市洪金灌區管理處， 江蘇 淮安 223005)

水價政策作為水資源管理的重要手段，在促進節約用水、調節水需求和優化水資源配置等方面具有其它機制所不能替代的功能[1-2]．農業水價綜合改革事關農業、農村發展和農民利益及水利行業的發展，是當前我國重點推進的重大改革事項[3]．國務院公布自2016年7月1日起施行的《農田水利條例》明確提出，“農田灌溉用水應當合理確定水價，實行有償使用、計量收費．”2016年國務院辦公廳印發的《關于推進農業水價綜合改革的意見》(國辦發[2016]2號)和江蘇省人民政府辦公廳印發的《關于推進農業水價綜合改革的實施意見》(蘇政辦發[2016]56號)文件中均提出了要完善供水計量設施，推行計量收費，實行農業用水總量控制和定額管理．江蘇省水利廳在2017年全省農業水價綜合改革培訓會上還明確提出“要以小型提水灌區為重點，實行計量設施多元化，年底前全省小型灌溉泵站計量設施配套率達到40%以上，3年內全面配套到位，是必須完成的硬任務．”由此可見，對農業灌溉用水計量(尤其是小型灌溉泵站計量)是當前農業水價綜合改革的重要任務．

目前關于農業灌溉用水的計量方法，有采用特設量水設備或方法進行直接計量，有利用原有的水工建筑物進行量水，或者利用用水定額推算、泵站用電量等數據間接估算．不同的量水方法各有優缺點和適用性[4-8]．從現有農業水價綜合改革試點區小型灌溉泵站計量方法來看，多采用電磁流量計、超聲波流量計等儀器或儀表自動計量，其具有量測直觀、精度高、計量簡便等優點，但單臺計量設備成本少則幾千、多則幾萬元，而平原地區小型提水灌溉泵站較多則需要配備的數量也較大，量水設施的高昂經濟成本成為了制約其推廣應用的重要因素．

灌溉泵站的出水流量過程及出水量一般受水泵自身特性、揚程、進出水池水位、渠道或管道形式及尺寸、泵站工作年限、農村電網等多種因素的綜合影響，若不采用專業的儀器設備實時測量是很難直接精確地計算每次提水水量的．不過，理論上同一臺泵站、在運行工況相近的情況下，泵站的出水量與運行時間、用電量存在一定的相關關系，于是可以通過“計時”或“計電”的方法換算出水量，這樣的計量方法相對經濟、簡便，易于推廣應用．江蘇省南通市部分電灌站的實測表明，流量功率比與水泵規格無明顯關系；在揚程變化幅度不大的情況下，揚程對流量功率比的影響很小；流量功率比與裝置效率關系密切，隨裝置效率的提高而顯著增大；通過電量折算泵站出水量的方法具有可行性[9]．江蘇省淮安市漣水縣20臺典型灌溉泵站提水的現場測試結果也表明，在滿足正常灌溉、運行工況相近的情況下，每臺泵站的“單位時間的出水量”、“單位用電的出水量”參數的現場測試結果相對穩定，因此可以通過“計時”或“計電”分別乘以“單位時間的出水量”或“單位用電的出水量”就可以估算每次提水灌溉的泵站出水量，這種方法能滿足農業水價綜合改革試點灌溉泵站計量的需求．

本文基于泵站提水現場的實測提出“以時計水”或“以電計水”的灌溉泵站計量方法．在對小型灌溉泵站進行現場測量時，在正常灌溉情況下，出水池水位上升與下降過程短暫，且在泵站平穩運行時變化不大，對長時間出水的流量過程影響很小；出水池后防滲渠一般都是呈規則形狀(梯形、矩形或U型)，泵站出水過程中的渠道水位一般處于變化不大的正常水位范圍．因此，可以通過現場測試擬定該泵站的“單位時間的出水量”參數，若該泵站配有獨立的電表，則可以通過讀取用電量再換算出“單位用電的出水量”參數．通過現場測試率定“單位時間的出水量”或“單位用電的出水量”參數后，記錄每次灌溉提水的泵站運行時間或泵站運行過程所消耗電量，即可以估算出每次灌溉提水的出水量，從而實現了農業供水的計量．

1 基本參數與原理

1.1 基本參數

“以時計水”或“以電計水”灌溉泵站計量方法所涉及的主要參數包括流速、流量、出水量、渠道水深、過水斷面面積等，其中重要參數為“以時計水”參數(“單位時間的出水量”)和“以電計水”參數(“單位用電的出水量”)．具體如下：流速(v)：液體(水體)在單位時間內的位移，單位一般為米每秒(m/s)；流量(q)：單位時間內流經明渠過水斷面的水體體積，單位一般為立方米每秒(m3/s)；出水量(Q)：一定時間內泵站出水量或泵站出水池后流經明渠過水斷面的水體體積，單位一般為立方米(m3)；渠道水深(h)：渠道過水斷面水面至渠底之間的距離，單位一般為米(m)；過水斷面面積(A)：某一時刻的水面線與渠道底線包圍的面積，單位一般為平方米(m2)．“以時計水”參數(“單位時間的出水量”)：水泵正常運行狀況下平均單位時間的出水水量，單位一般為立方米每秒(m3/s)；“以電計水”參數(“單位用電的出水量”)：水泵正常運行狀況下平均消耗單位電量的出水水量，單位一般為立方米每千瓦時[m3/(kW·h)]．

1.2 測算原理

理論上來說，灌溉泵站在單位時間的出水量不完全相同，主要因素包括流量、揚程、效率等．不過，對于同一臺泵站，在這些因素變化不大的情況下，通過多次實測“以時計水”參數和“以電計水”參數可以用來估算泵站的出水量．

“以時計水”方法估算泵站出水量的原理：

Q=q×t(1)

式中，Q為泵站出水量(m3)；q為單位時間過水斷面平均流量(m3/s)；t為泵站運行時間(s)．其中

q=v×A(2)

式中，v為觀測渠道斷面水流穩定后的平均流速(m/s)；A為過水斷面面積(m2)．

“以電計水”方法估算泵站出水量的原理：

K=Q/E(3)

式中，K為泵站的“以電計水”參數[m3/(kW·h)]；E為泵站運行過程所消耗的電量(kW·h)．在實際計算過程中，利用電表的在泵站關機時讀數減去初始讀數，再與電表的互感器倍數R相乘得到．

因此，該方法的關鍵之處在于：

1)通過“以時計水”方法估算泵站出水量的關鍵在于確定泵站“以時計水”參數q、記錄泵站運行時間t．要得到泵站“以時計水”參數q的主要工作是，現場測試泵站正常穩定工作狀態下出水池后規則渠道斷面的水流平均流速v和渠道過水斷面面積A．

2)通過“以電計水”方法估算泵站出水量的關鍵在于確定泵站“以電計水”參數K、記錄泵站運行用電量E．要得到泵站“以電計水”參數K的主要工作是，現場測試泵站正常穩定工作狀態下出水量Q和記錄泵站用電量E．

1.3 測試工具

率定“以時計水”和“以電計水”這兩個參數需要現場測試、記錄相關數據并計算分析，主要包括泵站開關機時間、泵站提水用電量、泵站出水池后規則渠道的流速、水位、渠道特性參數等，具體實施過程中所需儀器主要包括流速儀、卷尺、直尺以及計時器等．

流速儀的作用在于測算渠道斷面的水流平均流速．市場上渠道流速儀的種類繁多，不同種類流速儀分為不同型號，以適應不同實際情況的需求．實際操作過程中可以根據需求對渠道流速儀的種類和型號進行自主選購．每一類型儀器均附帶詳細說明書，其中包括儀器功能特點、主要技術指標、工作原理、儀器結構、安裝方法、參數設置、儀器使用方法、儀器維護以及其他附加文件等．同一類型流速儀的原理和操作程序基本相同，實際應用過程中在仔細閱讀儀器說明書的前提下使用．

卷尺用來測量渠道斷面的尺寸，直尺用來測量渠道水深，計時器用來計算泵站運行時間．卷尺與直尺的量程可根據泵站實際情況選用，一般卷尺為5 m，直尺為1 m即可滿足江蘇地區小型泵站提水灌區的測量要求．凡是可以記錄時間的工具設備均可作為計時器使用，如秒表、手表、手機等，一般要求計時器的讀數精確到秒．配備獨立電表的泵站可以讀取電表讀數，以獲取實際用電量．讀取電表讀數時需注意，若安裝了互感器則先讀取互感器倍數，用這個倍數乘以度數則是實際用電量．不同型號電表的互感器倍數可能不同，在實測時需對每一個電表進行觀察和讀取．

2 操作步驟

為了便于灌溉泵站“以時計水”和“以電計水”計量方法的推廣應用，針對該方法的操作步驟，總結提出了六步簡明口訣，即看水位、校儀表、量渠道、測數據、算參數、計水量．具體如下：

1)看水位．主要指查看灌溉泵站進水池的水位，選擇灌溉季節的正常水位作為適宜的測試時間．在灌溉泵站實際運行時，揚程變化對流量具有一定的影響，若進出水池水面高差變化幅度較大，則需要加測，可選高、中、低3種情況甚至多次實測，并率定相應的“以時計水”參數和“以電計水”參數．

2)校儀表．主要指流速儀、電表、計時器的校核．①對流速儀進行調試和零點校準，熟悉流速儀的使用方法；②查看電表工作狀態和各種讀數，掌握電表用電量的讀法，若安裝了互感器則需讀取互感器倍數并乘以讀數才是實際用電量；③選定好計時的工具，可采用隨泵站開關機自動記錄的計時器，也可采用秒表、手表、手機等進行計時．

3)量渠道．主要指選擇典型渠道斷面、量測渠道斷面尺寸．①選擇順直、規則且距離泵站出水口較近的渠道作為觀測渠道，同時選擇斷面完好規整、無雜物、便于測試、水流流態較為穩定的斷面作為流速測量斷面(一般要求距離泵站出水池出水口20 m以上，或與泵站出水池出水口距離大于10倍的渠頂寬度)．②根據所選渠道斷面形式，測量渠道斷面各個邊的尺寸及其深度．

4)測數據．主要指實測典型渠道斷面的流速和水深、記錄開機時間和電表初始度數．按照流速儀的操作指南實測，為增加結果的可信度，每個泵站測試應不低于3次，每次流速讀數不少于30個．

5)算參數．主要指計算“以時計水”參數和“以電計水”參數．①根據渠道斷面尺寸和水深計算過水斷面面積，乘以實測流速則為流量；②各次(至少3次)測的流量取平均值，則為“以時計水”參數(“單位時間的出水量”)q；③用“以時計水”參數q乘以泵站運行時間計算該時段的出水量，除以該時段電表記錄的度數，則為“以電計水”參數(“單位用電的出水量”)K．

6)計水量．主要指應用“以時計水”參數q或“以電計水”參數K，估算每次泵站開關機的出水量．在每次泵站開機供水時，記錄泵站運行時間t或用電量E，利用“以時計水”參數q或“以電計水”參數K均可對該泵站出水量進行估算，即“以時計水”(Q=q×t)、“以電計水”(Q=K×E)．

3 具體案例

以江蘇省淮安市漣水縣的周臨電灌站為例，對“以時計水”、“以電計水”方法估測泵站出水量的方法進行實例分析．以水稻灌溉為主，實際灌溉面積500畝，配有一臺水泵，泵站型號400HW-10，設計流量0.47 m3/s，配備電動機型號YX3-280M-8，裝機55 kW，綜合效率86%，出水池后連接規則矩形防滲渠道，泵站配有獨立電表，互感器倍數為30．

為了保證正常灌溉，周臨電灌站引水河道的水位基本穩定且滿足設計工況條件，可以開展實測分析．選擇渠道平直段同時滿足離出水池出水口15 m處作為典型斷面，用于流速測定，并做好各項準備工作．試驗開始時記錄泵站開機時間和電表初始讀數，同時在渠道典型斷面用流速儀開始實測流速和水深，當流速儀讀數穩定且水泵運行時間達到足夠長之后關閉電動機和水泵，同時記錄關機時間、電表度數并整理相關的數據．一次開關機測試結束后，為保證測試數據的可靠性，重復3次試驗，并記錄數據．以3次試驗數據計算相應的參數，穩定后的平均流速0.86 m/s，過水斷面面積0.384 m2，歷時145 min，用電量為114.7 kW·h，則“以時計水”參數q為0.33 m3/s(0.86 m/s×0.384 m2)，“以電計水”參數K為25.03 m3/(kW·h)=0.86 m/s×0.384 m2×145 min×60 s/min÷114.7 (kW·h)．本次周臨泵站實測供水量為2 870 m3，與電磁流量計、出水池實測等其他方法測得的數據誤差均在5%以內，證明了該方法的可靠性；實測的“以時計水”參數(即穩定工作流量)為0.33 m3/s，與泵站設計流量0.47 m3/s相比，所測泵站實際工作效率為70.2%，符合該泵站的實際情況．

考慮到方法的實際應用，若下一次該泵站開機提水灌溉的持續時間是12 h、用電量是569.6度，則：①采用“以時計水”方法計算的泵站出水量為142 566 m3=0.33 m3/s×12 h×3 600 s/h；②采用“以電計水”方法計算的泵站出水量為142 566 m3=25.03 m3/(kW·h)×569.6 (kW·h)．由此可見，采用“以時計水”和“以電計水”參數估測的出水量一致．

4 結 語

農業水價綜合改革是當前我國重點推進的重大改革事項，其中對農業灌溉用水計量是改革的重要任務．論文以探求適合于小型灌溉泵站計量的經濟可行方法為目的，結合江蘇省的實際提出了基于現場實測的“以時計水”和“以電計水”灌溉泵站計量方法；闡述了該方法的基本參數、測算原理和測試工具；針對該方法的推廣應用和實際操作，總結提出了包括看水位、校儀表、量渠道、測數據、算參數、計水量的六步簡明口訣；以江蘇省淮安市漣水縣漣東灌區周臨電灌站為例，對該方法的操作與應用開展了實例分析．實踐證明，論文所提出的“以時計水”和“以電計水”計量方法相對經濟、簡便，可為當地灌溉泵站供水計量方法的選擇提供參考，并為農業水價綜合改革提供技術支撐，也可以在類似地區推廣應用．