京杭大運河江蘇段里運河沿線大中型灌區灌溉用水計量方法探討

王滇紅，蔡守華，張 健

(1.江蘇省農村水利科技發展中心，南京 210029；2.揚州大學，江蘇 揚州 225009)

農業是用水大戶，農業用水量占我國總用水量的60%以上[1]。近年來國家大力推進節水灌溉工程建設，有效提升水資源利用效率，但大中型灌區無序用水、大水漫灌、計量設施不完善等現象仍然存在。為確保南水北調工程向北方調水，國家對京杭大運河沿線用水量進行總量控制，如遇北方嚴重干旱、淮水不來、江水嚴控，運河沿線大中型灌區取水量則難以滿足現狀灌溉需要。特別是干旱年份，加之農田灌溉用水高峰，農業用水問題更為突出。隨著國家對農業水價綜合改革和最嚴格水資源管理制度的深入推進，用水總量與用水效率雙重管理，這些都要求能夠準確計量運河沿線大中型灌區用水量。本文采用現場調查、數據分析、典型實踐等方法，研究了京杭大運河江蘇段里運河沿線大中型灌區灌溉用水計量現狀、用水計量需求和量水設施布置。通過這種用水計量設施系統布置，對開展灌溉渠道用水計量工作，準確控制輸配水量，避免引起灌水過多或不足的現象，及時糾正水量浪費，提高灌溉效率和效益有著重要的作用。

1 概 述

1.1 基本概況

京杭大運河江蘇段里運河沿線位于揚州至淮安段，南至長江，北接中運河，全長約170 km，主要流經揚州市廣陵區、江都區、高郵市、寶應縣和淮安市淮安區等地。沿線地區處于亞熱帶向溫暖帶過度地帶，具有明顯的季風氣候特征，年平均氣溫14～15 ℃，多年平均降水量1 000 mm左右。降雨量年際變化大且年內分配極不均勻，主要集中在汛期，6-9月降水量約占全年的65%。

江蘇段里運河沿線大中型灌區灌溉水源為京杭大運河，通過運河上閘洞引水灌溉。沿線自南向北有3個大型灌區，分別為江都區沿運灌區、高郵市高郵灌區、淮安區渠南灌區；6個中型灌區，分別為寶應縣永豐灌區、慶豐灌區、臨城灌區、涇河灌區、寶應灌區和淮安區運西灌區。上述9個灌區總設計灌溉面積20萬hm2。大部分骨干渠道比降1/10 000，最緩達到1/15 000，種植結構以稻麥輪作為主。水稻灌溉用水量較大且較為集中，當里運河水位較低時，渠系輸水困難，造成大面積農田不能自流灌溉。

1.2 灌溉用水計量與用水管理現狀分析

2016年，對京杭大運河江蘇段里運河沿線大中型灌區各級渠道用水計量現狀進行了調查統計分析(結果如圖1和圖2所示)。由圖可知，各灌區僅部分干支渠配備了量水設施，斗農渠量水暫無實質性進展；高郵灌區和沿運灌區在少數斗農渠上試點安裝了量水設施，并未全面推廣應用；慶豐灌區、寶應灌區等國家重點中型灌區，各級渠道均未配備量水設施；各灌區灌溉泵站中，僅永豐灌區安裝了超聲波流量計，其他各灌區提水、補水泵站均無量水計量裝置，均采用電量法計算提水量或補水量。

圖1 大型灌區渠系量水設施基本情況圖

圖2 中型灌區量水設施基本情況圖

在用水管理上，沿線大中型灌區均設灌區管理單位，負責管理渠首和干渠，支渠及以下渠道與配套建筑物由鄉鎮負責。灌區管理單位每年編制用水計劃，制定輪灌工作制度，以支渠為單位由鄉鎮成立用水者協會協調用水矛盾。

1.3 主要存在問題

近年來，京杭大運河江蘇段里運河沿線大中型灌區灌溉用水計量工作取得一定成效，但仍存在一些問題：一是渠道灌溉用水計量率低。3個大型灌區僅干渠計量率達78%～100%，支渠以下計量率仍較低，斗農渠計量率基本為0；6個中型灌區中除臨城灌區干支渠計量率達23.4%，其余灌區各級渠道特別是斗農渠計量率幾乎都為0。新型灌溉用水計量方法尤其是斗農渠用水計量設備有待加快研究推廣。二是農業水費收取方式有待改進。農業水費仍然沿用20世紀80年代按畝收費方式，稻麥田75～180 元/hm2、旱田9～45 元/hm2、經濟作物75～180 元/hm2，水價大大低于供水成本。農民用水習慣仍以大水漫灌為主，農業灌溉用水浪費現象仍較嚴重，當前節水新形勢下適宜的水費計收方式研究亟需加強。三是灌區現代化與信息化管理水平低。灌區信息化基礎設施薄弱，信息資源開發與利用程度不高，從認識水平、思想觀念、管理方法、制度建設及管理員信息化水平與操作技能等方面，還遠遠不能勝任現代化與信息化建設的要求，特別是即使安裝了計量設施，仍難以完全納入信息化自動化管理之中。四是信息化共享水平較差。灌區信息化建設長期以來沒有統一的規劃和標準，各灌區各自為政、各自封閉，灌區之間的信息難以共享，導致安裝計量設施與沒有安裝的灌區用水管水效率水平難以進行比較分析，更難以調動各地安裝計量設施，推動農業節水的積極性。

2 計量及用水需求分析

江蘇段里運河是京杭大運河的重要組成河段，是國家南水北調工程東線調水的重要通道。由于江蘇省域水資源時空分布不均，淮北地區灌溉季節經常遇到旱情，里運河還承擔淮北地區抗旱輸水的重要任務。加強里運河沿線計量及用水需求分析有著十分重要的實現意義。

2.1 控制用水總量

為確保南水北調工程向北方送水量，實行用水總量控制，各大中型灌區必須轉變傳統粗放式灌溉方式。計劃用水是灌區用水管理的基本要求，而灌區用水計量是實行計劃用水的重要基礎，是準確掌握引、提、輸、配水情況的重要手段。對灌區各級渠道進行用水計量，有利于加快實現灌區優化配水，通過對2013-2017年里運河沿線實施計量的大中型灌區用水計量情況(如圖3所示)統計分析顯示，隨著國家節水行動計劃的實施，農田灌溉用水量及單位面積平均灌溉用水量總體呈遞減趨勢。通過計量可以有效實施用水總量控制和用水計劃管理。

圖3 2013-2017年里運河沿線部分大中型灌區 平均用水量年際變化圖

2.2 實行定額管理

里運河沿線9個大中型灌區均位于里下河片區，根據《灌溉用水定額編制導則》(GB/T 29404-2012)[2]，可推算里下河片區典型縣主要作物基本用水定額、附加用水定額及里下河片區作物綜合灌溉用水定額，方法如下：

(1)計算灌溉用水定額。實際灌溉條件下某作物的灌溉用水定額，可按公式(1)計算：

m=(m基本+m附加)·K1·K2…Kn

(1)

式中：m為某作物灌溉用水定額，m3/hm2；m基本為某作物基本用水定額，m3/hm2；m附加為某作物附加用水定額，m3/hm2；K1、K2、…、Kn為調節系數，分別對應于工程類型、取水方式、灌區規模等因素。

(2)計算作物綜合灌溉用水定額。根據上述方法計算的灌溉用水定額、實際灌溉條件組合數及某作物第i種灌溉條件組合下灌溉面積，可按公式(2)計算里下河片區某作物綜合灌溉用水定額：

(2)

式中：m綜合為某作物綜合灌溉用水定額，m3/hm2；i為某作物對應的灌溉條件組合序號；NU為某作物對應的灌溉條件組合數；mi為某作物在第i種灌溉組合下的灌溉用水定額，m3/hm2；Ai為某作物對應的第i種灌溉條件組合的灌溉面積，hm2。

以高郵和寶應作為典型縣，水文年型選取90%年降水概率，根據上述方法可推算高郵和寶應的水稻、玉米、瓜果、葉菜和油料等作物的基本用水定額、附加用水定額和里下河片區作物綜合灌溉用水定額(結果見表1)。安裝計量設施之后，可以更精準計算農作物的用水定額，也可以對原有的定額進行很好地復核，更好地完善農作物的灌溉制度，有效促進農業節水。

表1 里運河沿線大中型灌區主要作物灌溉用水定額情況表 m3/hm2

2.3 提高用水效率

農業是用水大戶，也是節水潛力所在。就京杭大運河江蘇段里運河沿線來說，9大灌區之中安裝計量設施和沒有安裝計量設施的用水量不盡相同。下面具體分析沿運灌區和渠南灌區。這2個灌區的灌區規模相當，農作物相同，灌溉制度相似，沿運灌區干、支、斗渠都安裝了計量設施，據此強化用水總量控制、加強用水計劃管理，有效減少了單位面積平均用水量(如圖4所示)，提高了用水效率和效益，當地干部群眾的節水意識更加強烈。

圖4 灌區是否安裝計量設施灌溉用水情況對比圖

3 量水設施設置原則

目前里運河沿線各大中型灌區水費均按畝計費，這種與實際用水多少無關的按畝收費方式，不利于提高用水戶節約用水的積極性。因此，按方收費是灌溉水費計收的改革方向。建立灌區用水計量系統，可為按方收費提供依據，并可激勵群眾節約用水，達到降低灌溉成本的目的。

京杭大運河江蘇段里運河沿線9個大中型灌區灌溉方式有其自身特點，經調查統計可分為以下3種類型：

(1)自流灌區。包括沿運灌區、高郵灌區、永豐灌區、慶豐灌區、涇河灌區。在自流引水不足的情況下，均可以內部河道為水源，補水入渠。灌區渠系一般由干、支、斗、農4級渠道組成。

(2)自流與提水結合灌區。包括渠南灌區、臨城灌區、運西灌區。這些灌區大部分區域自流灌溉，但有部分區域自流灌溉無法到達，采用提水灌溉。自流灌溉區域和提水灌溉區域，均可能建有補水泵站。

(3)提水灌區。主要指寶應灌區。內部由眾多小型泵站提水灌溉，均以內部河道為水源。各灌溉泵站控制灌溉面積一般不跨村或村級以上行政區。當內部河道水源不足時，則利用里運河、寶應湖等外部水源補水至內部河道。

根據9個灌區灌溉方式，不同渠系計量設施的安裝情況不同，里運河沿線大中型灌區渠系計量現狀見表2。

表2 里運河沿線大中型灌區渠系及量水設施現狀匯總表

根據當前全國開展農業水價綜合改革對大中型灌區灌溉用水計量工作的要求，總結江蘇省大中型灌區計量安裝的實際，灌溉用水計量系統的設置應該遵循以下原則[3]：

(1)遠近結合的原則。近期重點建設渠首取水工程(含灌溉站)及骨干渠道量水設施，斗、農渠選擇典型渠道進行量水；遠期條件成熟時，實現斗、農渠量水全覆蓋。

(2)因地制宜的原則。自流灌溉干、支渠量水以渠系建筑物量水為主，輔以其他非接觸式量水方式；提水灌區建議直接計量渠首水泵出流量。

(3)減少損失的原則。量水設施的最大水頭損失不宜高于10 cm。在自流灌區中部或尾部，水頭不足時，可利用具有計量功能的斗、農門進行量水，或采用其他微弱阻水或非接觸式量水技術。

(4)簡潔方便的原則。盡量采用易于觀測且性能可靠的量水設施和數據采集、傳輸、管理技術。干、支渠宜利用水位傳感器自動采集上、下游水位及閘門開啟高度，并自動計算流量及累計水量；斗、農渠盡量采用可累計直讀的量水設備，有條件的灌區宜采用自動采集及無線遠傳方式。

(5)質優價廉的原則。在滿足用水計量需求的前提下，應盡量選擇價格較低、施工安裝方便、管護成本較低的量水設施。

根據上述灌溉用水計量系統建設的原則、思路和灌區分類情況，就京杭大運河江蘇段里運河沿線大中型灌區用水計量點建設可按下表(表3)設置，其他類似地區也可參照。

4 應用實例

高郵灌區為京杭大運河江蘇段里運河沿線3個大型灌區之一，在江蘇的位置如圖5所示。由渠首9座閘洞從京杭大運河引水，設計流量159.0 m3/s，共有干渠9條，支渠124條，斗農渠3 250條。灌水時多為三級灌水至田間，部分為四級。灌區下游設7座補水泵站，提引里下河水源補充干渠水量不足或抬高干渠水位，設計流量42.0 m3/s。本次選取南關干渠控制灌溉范圍作為研究對象，設計灌溉面積4 333.3 hm2，下設支渠31條，斗渠約500條。南關干渠在前期節水改造中全線襯砌，且建筑物更新改造到位，具備量水設施安裝條件，其中干支渠計量點布置如圖6所示。

表3 里運河沿線大中型灌區用水計量點布置建議表

注：☆表示對應有此內容。

圖5 高郵灌區位置圖

根據量水設施設置原則，南關干渠及其下屬各級渠道量水設施布置如下：南關干渠采用水工建筑物量水，即在南關洞進水閘處安設水尺，測量相應水位，根據公式推算流量；支渠31條，其中26條長度相對較短的采用渠首分水閘量水，5條長度相對較長的采用多普勒超聲波流速儀量水。斗渠約500條，選取20%～25%的典型斗渠安裝量水設施，由點到面推算所有斗渠用水量。選擇典型斗渠時，根據渠道長度和面積分組，長度和面積接近的為一組，每組最接近平均數的作為典型斗渠。經分組，共選取139條典型斗渠。灌區上游的斗渠，采用配置自動測算遠傳裝置的拋物線形喉口量水槽；中下游的斗渠，采用配置無線遠傳模塊的渠首式農用分流計或渠首式孔板分流計；某些典型斗渠，采用配置無線遠傳模塊的標準斷面超聲波測流法。非農業取水口，明渠采用標準巴歇爾槽配明渠流量計及無線遠傳裝置，泵站取水量較大的采用電子水表或電磁流量計配無線遠傳裝置、取水量較小的采用電能法估算水量。灌溉補水泵站，采用修正電能法估算水量；退水閘暫時未設量水裝置。

圖6 南關干渠及其下級渠道用水計量設施布置示意圖

從高郵灌區南關干渠片典型應用情況可知：

(1)農業灌溉用水計量率(γ)與渠道級別呈正相關，即γ干≥γ支≥γ斗≥γ農。現有用水計量設施大多成本高、結構復雜，干支渠計量率較高，而斗農渠計量設施安裝較少。隨著田間配套逐步完善，針對斗農渠量水面廣量大的特點，研究價低質優、方便實用的末級渠系量水設施，是灌區量水發展的必然趨勢。

(2)一般而言，計量精度與渠道級別成正比，即渠道級別越高，對計量設施的精度要求越高。國家農業水價綜合改革要求“管理服務到位、水價核定到位、水費收繳到位、政府監管到位”，首先要實現灌溉用水精準計量。目前大部分量水設施都需在特定條件下使用，部分量水設施對施工要求也較高。因此，研究精度高、適應性強的量水設施非常必要。

(3)對于面廣量大的斗農渠，既要考慮投資和精度，又要方便測讀，宜盡量采用自動采集及無線遠傳方式，并做好防護措施。

5 結論與建議

本文及國內外已有研究表明，灌區是否安裝計量設施、安裝條件與形式的不同，對工程管理、灌溉效益與現代化建設有著不同的影響。

(1)安裝計量設施更有利于管理和節水。對比沿運灌區和渠南灌區計量情況，沿運灌區干、支、斗渠均安裝了計量設施，強化了用水總量控制和用水計劃管理，近年來其畝均灌溉用水量均低于干渠以下無計量設施的渠南灌區。因此，建議各灌區參照本文研究的計量設施設置原則和計量點布置方法，逐步安裝計量設施，實施用水總量控制和定額管理，有效提高用水效率和效益。

(2)安裝系統化更有利于發揮綜合效 益。針對灌區不同類型和各級渠系不同位置，本文研究提出一套用水計量系統的設置原則，建立了灌區用水計量系統，可以有效發揮綜合效益。與零星安裝方式相比，系統安裝可因地制宜地安裝計量設施，測算各級渠道灌溉用水量。既可減少不必要的投入，又能找出水量損失的關鍵部位和主要原因，并有效復核灌溉水有效利用系數測算成果，為灌區節水改造和灌溉用水管理提供有力支撐。建議根據灌區實際需求安裝用水計量設施，統籌建立灌溉用水計量系統。

(3)安裝自動化更有利提升現代化水平。研究成果為現代灌區用水計量設施布置提供了經濟適用的框架體系，灌區計量設施安裝與信息化自動化結合，可根據灌溉制度實現灌溉自動控制，從田間作物耗水逐級向上實現“按需供水”。通過灌區實時水量的比較分析，及時掌握灌區的運行情況，提高灌區水量調度及設施維護決策的準確性，采取有效措施靈活應對各種突發事件。鑒于此，建議灌區安裝用水計量設施盡量考慮與信息化自動化相結合[4]。

(4)安裝計量設施更有效增強節水意識，強化節水管理。目前京杭大運河江蘇段里運河沿線大中型灌區量水大多僅于干渠進水口和部分支渠首安裝水尺，進行取水或分水的計量，方法較落后且精度較低，斗農渠大多無計量，不能準確計量到戶，水費收繳大多仍采用傳統的按畝收費方式，干部群眾節水意識淡薄，用水管理粗放。合理安裝灌溉用水計量系統，真正做到精準計量到戶，從傳統的按畝收費方式轉變為按方收費，對于增強節水意識，強化節水管理，將會起到積極的推動作用。建議各地農業水價綜合改革工作中重視改革宣傳，凝聚社會共識，做好輿情引導和社會宣傳工作，引導農民樹立節水觀念、增強節水意識，提高有償用水意識和節約用水的自覺性，提高維護農田水利設施良性運行的自覺性，為節水工作的推進營造良好的社會氛圍[5]。