上海市農業水價改革供水計量方法研究

(上海市水利管理處，上海 200002)

農田灌溉用水是上海市重要耗水途徑,其用水量占到全市總用水量的20%左右。實施灌溉用水計量，是加強對用水戶定量考核，實行總量控制、定額管理，促進節水灌溉發展的重要手段，也是水行政主管部門科學核定取水許可數量、建立水權分配制度的重要依據。國務院于2012年發布了《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》，上海市人民政府辦公廳、上海市水務局也下達了相關文件，要求對農田灌溉用水進行計量。2016年國務院辦公廳印發《關于推進農業水價綜合改革的意見》，要求“建立農業水權制度，完善供水計量設施”。上海市政府2017年以市政府1號文件印發《上海市人民政府辦公廳貫徹<國務院辦公廳關于推進農業水價綜合改革的意見>的實施意見》，明確上海市改革各項重點任務，明確提出要“結合農田灌溉工程建設改造探索試點多樣化計量制度”。

1 上海市灌區基本情況

1.1 灌區分布基本情況

上海市位于長江三角洲東緣，太湖流域下游，東瀕東海，南臨杭州灣，北依長江口，西接江蘇、浙江兩省，屬平原感潮河網地區，降雨豐沛，全市陸域面積6340km2。上海市灌區數量多而分散，2017年數量多達6683個，除滄海桑田灌區控制灌溉面積達到4萬畝，屬于中型灌區外，其余均為小灌區。其中，1000畝以上灌區257個，占比僅3.8%。300畝以下小型灌區為上海市灌區的主要類型，占比達47.7%。2017年農業用水占全市用水總量比例約20%，農業生產總值占全市GDP僅1%。上海市各灌區取水方式均為泵站提水，水源為當地河流地表水。

若對每個灌區安裝計量設施，不僅投資巨大，而且管理不方便，運行成本高。

1.2 灌區灌溉輸水條件

上海市所有灌區均為提水型灌區，灌溉泵站泵型大多數為軸流泵或混流泵，占全市灌溉泵站類型的96.7%，此兩類水泵進出水管道的順直段較短，難以滿足現有大部分管道測流設備的安裝要求。

上海市灌區作物類型以水稻、蔬菜為主，其中水稻灌溉以渠道和低壓管道輸水方式為主，蔬菜灌溉以高壓管道(噴滴灌)輸水方式為主。渠道以混凝土渠道為主，有少量土渠，且多為農渠；低壓管道多采用PE管材，有少量混凝土管道，干管管徑在600～800mm之間，田間采用地面灌溉方式；高壓管道以PE、PVC管居多，干管管徑在100～200mm之間。

在兩種管道輸水方式中，低壓管道輸水管道埋于地下，且部分輸水管道采用混凝土材料，材料均勻度差，給管道測流帶來困難。同時部分低壓管道灌溉的灌區具有較大的出水池，且出水池連接管道，難以達到流速儀安裝的條件。但對于高壓管道輸水方式，輸水管道順直段較長，口徑較小，滿足管道量水條件。

2 上海市適宜的測流方法

目前國內農業灌溉用水測流方法大致可歸納為以下幾類[1]：

a.灌溉渠系上設有各種類型的配套建筑物，如水閘、渡槽、倒虹吸、涵管、跌水等。這些建筑物的過流符合一定的量水水力學條件，即可用于量水。

b.在斷面穩定、沒有回水影響的渠段內，設置水尺觀測水位，利用率定好的水位-流量關系，求得流量，簡便易行，設備費用低，容易為群眾所掌握。關鍵是測流渠段的水流應不受下游節制閘或壅水建筑物回水的影響，如果該斷面不為臨界水深，往往難以判別，需通過多次過水，憑經驗確定。

c.采用特設量水設備測流。特設量水設備一般由行進渠槽、量水建筑物和下游段三部分組成，如量水堰、量水槽等。其通過量水建筑物主體段過水斷面的科學收縮，使上下游形成一定的水位差，從而得到較為穩定的水位-流量關系。但不可避免地會帶來一定的水頭損失，使用時應根據具體邊界條件和不同的精度要求，選擇相應的特設設備。

d.利用水表、電磁流量計、超聲波流量計等儀器自動計量，其結構簡單、量測直觀、計量簡便，同時能累計水量。

e.間接估算方法進行計量，如用水定額推算、水泵用電量、耗油量數據間接估算等。此類方法各地采用較多，因量水設備配套不完善等問題無法進行直接計量的，基本上采用此類方法。

根據上海市灌區的特點，適于該地灌區的取水量計量方法有兩種，即直接量測法和間接量測法。

2.1 直接量測法

直接量測法適宜的設備包括水表、電磁流量計、超聲波流量計等，通過測定渠道、管道流速，根據過水面積和過水時間，直接測定累積水量。具體分類如下：

a.對于明渠輸水灌區，適宜采用旋槳流速儀或超聲波流速儀。

b.水質良好的高壓輸水灌區，采用超聲波流量計、電磁流量計；微灌灌區可采用水表。

c.已建成的低壓管道灌溉區，出水池較大時，可采用基于體積法的水位-流量法；不能采用該方法時，混凝土管道可采用嵌入式超聲波流量計法。

該類方法量測準確度高，但需要專門的儀器設備，建設和運行費用高，且對于管道輸水灌區還需要有較長的順直段，才能滿足設備安裝要求。上海市在進行泵站信息化改造時，對部分符合安裝管道量水設備的灌區，安裝了水表、超聲波流速儀、電磁流量計等設備直接進行農業用水計量，為泵站取水計量提供了技術支撐。

2.2 間接量測法

間接量測法即電量折算法，是通過獲取泵站提水耗電量和單位電量的提水量，對泵站取水量進行測算。電量折算法的理論基礎是，在較短時間內，若泵站的凈揚程變化不大，泵站單位電量的提水量是穩定的,或者單位電量提水量與凈揚程之間有穩定的函數關系，可根據凈揚程對其進行修正。上海市采用電量折算法有幾個工作基礎：

a.上海市各灌區均為提水灌區，有獨立的提水泵站，電量獲取成本低，可操作性強。加上近年來上海市部分泵站安裝了智能電表，可遠程在線監測泵站耗電量，為采用電量折算法提供了技術支撐。

b.灌區從河道取水，灌水期間內河水位變化不大，單位電量提水量比較穩定。上海地處南方河網地區，為了防汛排澇安全，各區均對河道水位進行調控，灌溉季節內河水位變幅較小，泵站揚程變化不大。暴雨后水位雖上漲較快，但雨后灌水情況較少，影響不大。因此，灌溉期內泵站凈揚程變化較小。對于凈揚程變化不大的泵站，其性能曲線變化是穩定的，可通過測定不同揚程下單位電量的提水量，獲得兩者之間的函數關系。

3 以電折水法及其計算公式

采用以電折水法時，指定灌區作物生育期內的取水量可采用式(1)計算：

(1)

式中：Vg為生育期內灌區取水量，m3；Ws為泵站單位電量的提水量，m3/(kW·h),根據實測結果確定；Ei為灌區泵站第i次灌水的耗電量，kW·h，可由智能電表或普通電表獲得；N為生育期內的灌水次數。

當缺少實測條件，無法獲取單位電量提水量時，可采用參考泵站法和經驗估算法進行估算。

3.1 參考泵站法

根據泵站類型、傳動方式、水泵揚程、配套電機、使用年限等參數，參照臨近類似灌區實測值取值。

水泵類型是影響單位電量提水量的重要因素。上海市灌區的泵站揚程一般較低。相同揚程條件下，混流泵單位電量的提水量較軸流泵增加5%～10%。因此首先選擇相同類型的水泵進行比較。

金山區泵站效率測試結果表明：揚程是影響水泵效率的主要因素。尤其是揚程不在高效區的泵站，揚程變化會導致效率的劇烈變化，見圖1。

圖1 揚程-效率關系

由圖1可以看出，上海市渠道輸水灌溉的泵站，絕大部分揚程在1.00～2.00m之間，泵站效率在30%～45%左右。現場調查來看，水泵型號以350ZLB-125居多，其設計揚程3.50m左右，與實際揚程有所差異，導致效率降低，且總體隨著揚程的下降而降低。

如松江區的黃泥涇灌溉泵站，測試正常運行工況時揚程為Hst1=1.23m，流量為Q1=0.24m3/s，電機輸入功率為P1=8.94kW，裝置效率為η1=32.36%；壅高出水池水位后，測試揚程為Hst2=2.12m，流量為Q2=0.21m3/s，電機輸入功率為P2=11.24kW，裝置效率為η2=38.82%。

因此，在泵型相同時，要選擇揚程盡量一致的實測泵站作為參考站。

傳動方式對傳動效率影響較大。根據現場測試結果分析，采用皮帶傳動的水泵，較直接傳動低4%～8%。但其影響低于揚程的影響。

再次是配套電機。不少泵站存在電機與水泵功率配套不合理現象，存在“大馬拉小車”情況，這種配套不合理問題使得電機效率較低，進而影響到泵站的裝置效率。因此，要盡量選擇水泵和配套電機相同的泵站。

相同情況下，泵站運行年限的增加，會造成機械效率的降低。另外，出水口和控制閘門的老化，也會導致進入渠道系統的水量減少，導致單位電量提水量下降。

3.2 經驗估算法

上海市灌溉泵站均為提水泵站，有單獨電表，參考該市灌溉泵站多年的灌溉水量和電量的數據成果，可采用式(2)進行用水量的估算：

(2)

式中：Wg為“以電折水”系數，m3/(kW·h)；e為泵站能源單耗(將1000m3水提升1m所消耗的電量)，kW·h/(1000m3·m)；H為泵站提水期平均揚程，m。

e與水泵型號、傳動形式、泵站運行年限、管理水平有關。運行年限越長、管理水平越低，該值取值越大。

根據近年來全市小型水泵裝置效率測試成果，上海市灌溉泵站e取值區間在5.0～9.5之間(泵站裝置效率30%～54%)。對個別設施管護情況較差、年代久遠的泵站，取值可擴大到9.5～14.0。

上海市低壓灌溉泵站取值區間為3～8m，高壓灌溉泵站取值區間為20～40m。在缺少實際揚程時，可采用式(3)進行折算：

H=αH凈

(3)

式中：H凈為泵站凈揚程，m;α為揚程擴大系數，取值在1.1～1.2之間，混流泵取小值，軸流泵取大值。

上海小灌區采用的水泵主要是設計揚程為3～4m和6～8m的兩種泵型。由于實際揚程較小，導致效率降低。

a.軸流泵、混流泵：泵站設計揚程為小于等于4m的灌區，e取5.0～9.0。揚程大者、使用年限小者、管理水平高者、采用直聯傳動者，取小值，否則取大值。

泵站使用年限≤5年、凈揚程≥2.0m，取5.0～6.0；

泵站使用年限≤5年、凈揚程<2.0m，取5.5～6.5；

泵站使用年限≤10年、凈揚程≥2.0m，取6.0～7.0；

泵站使用年限≤10年、凈揚程<2.0m，取6.5～7.5；

泵站使用年限≤15年、凈揚程≥2.0m，取7.0～8.0；

泵站使用年限≤15年、凈揚程<2.0m，取7.5～8.5；

泵站使用年限>15年，取8.0～9.0。

b.軸流泵、混流泵：泵站設計揚程大于4m的灌區，e取7.0～9.5。揚程大者、使用年限小者、管護情況好者、采用直聯傳動方式的，取小值，否則取大值。

泵站使用年限≤5年、凈揚程≥3.0m，取7.0～7.5；

泵站使用年限≤5年、凈揚程<3.0m， 取7.5～8.0；

泵站使用年限≤10年、凈揚程≥3.0m，取7.5～8.5；

泵站使用年限≤10年、凈揚程<3.0m，取8.0～9.0；

泵站使用年限≤15年、凈揚程≥3.0m，取8.5～9.0；

泵站使用年限≤15年、凈揚程<3.0m，取9.0～9.5；

泵站使用年限>15年，取9.5～14.0。

c.離心泵：e取5.0～7.0。使用年限小者、管理水平高者，取小值，否則取大值。

泵站使用年限≤5年，取5.0～5.5；

泵站使用年限≤10年，取5.5～6.0；

泵站使用年限≤15年，取6.0～6.5；

泵站使用年限>15年，取6.5～7.0。

4 結 語

以電折水法計算公式及e值取值范圍的界定，為上海市農業水價綜合改革每個灌溉泵站和灌區的農業用水計量提供了操作性較強的方式和方法，為上海市農業用水總量實行定額控制打下了堅實基礎。

綜上所述，上海市灌區數量多、分布散，灌溉泵站均為小型提水泵站，有獨立電表，可采用“按電計量、以電折水”為主的估算方式，輔以水表、電磁流量計等直接計量方式。