多維度農(nóng)用機(jī)井水電轉(zhuǎn)換系數(shù)方法研究

呂旺，蘭鳳，梁雪麗，宋平

（1.河北省水資源研究與水利技術(shù)試驗推廣中心，河北 石家莊 050061；2.衡水市水務(wù)局，河北 衡水 053000）

1 研究背景

水資源管理是世界各國普遍關(guān)注的重大問題之一，我國水資源管理理念和實踐也在不斷地完善和創(chuàng)新。占比近62.4%的農(nóng)業(yè)用水水資源管理問題是水資源高效利用的短板[1，2]。長期以來，國家對農(nóng)業(yè)用水實行的是緩征水資源費的保護(hù)性政策。

2016年3月，中央確定河北省為全國唯一水資源稅改革試點，要求為國家全面開征水資源稅提供可復(fù)制、可推廣的經(jīng)驗和模式，體現(xiàn)了中央用行政和市場“兩只手”解決水資源供需矛盾的新的治水思路，也體現(xiàn)了中央對河北省地下水嚴(yán)重超采問題的高度關(guān)注[3-5]。河北省農(nóng)業(yè)水價綜合改革實施以來，對農(nóng)業(yè)這個用水大戶實行定額管理的理念已經(jīng)逐步深入人心、得到普遍認(rèn)可，但對農(nóng)業(yè)實行用水計量、超定額征費尚未得到真正落實，主要原因有量大、點多、面廣、情況復(fù)雜等客觀因素[4，5]。

2017年河北省開展了農(nóng)業(yè)水資源費改稅工作，如何計量農(nóng)業(yè)地下水開采量成為亟待解決的難題。有關(guān)水資源、農(nóng)水方面專家經(jīng)過研究，提出通過利用電力部門統(tǒng)計的農(nóng)業(yè)耗電量來折算農(nóng)業(yè)開采地下水量，采用機(jī)井水電轉(zhuǎn)換系數(shù)間接計量農(nóng)業(yè)年消耗地下水量。實踐證明，這是一種比較經(jīng)濟(jì)高效的方式[6，7]。

2018年河北省水利廳建成農(nóng)業(yè)灌溉水量統(tǒng)計分析管理信息系統(tǒng)，通過“控總量、提效率、限強(qiáng)度”，利用稅收杠桿抑制高耗水農(nóng)業(yè)，鼓勵發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整。這對于有效解決水資源短缺問題和地下水嚴(yán)重超采難題，具有重大的現(xiàn)實意義和深遠(yuǎn)的歷史意義[5]。

2 研究理論

2.1 前提假設(shè)

截至2018年底，河北省節(jié)水灌溉總面積3 594.25 khm2，其中低壓管灌面積（以下簡稱管灌）2 777.92 khm2，占總面積的77.29%。本研究以管灌灌溉形式為基礎(chǔ)。

影響機(jī)井水電轉(zhuǎn)換系數(shù)的因素很多，主要包括水泵自身特性、地下水水位變化、農(nóng)村電網(wǎng)變化、不同灌溉方式管道壓力、井深、井齡、泵齡等[8，9]。本研究以簡化繁，不考慮太多制約因素，利用黑箱子原理，不考慮中間過程只考慮最終輸出結(jié)果。

2.2 設(shè)備介紹

2.2.1 手持式超聲波流量計

手持式超聲波流量計是用來測量農(nóng)用機(jī)井實際出水量的設(shè)備，安裝在機(jī)井井口出水管上，記錄機(jī)井單位耗電量的出水量，即機(jī)井水電轉(zhuǎn)換系數(shù)。該設(shè)備在工作中發(fā)揮著重要作用，儀器設(shè)備能否正確使用直接影響農(nóng)業(yè)用水量的推算。

其標(biāo)準(zhǔn)配置有主機(jī)、中型傳感器、超聲波專用電纜、電源適配器、高強(qiáng)度防護(hù)箱、拉緊器、數(shù)據(jù)線和超聲波專用耦合劑等。該設(shè)備是用來測量封閉管路液體流量的[10，11]，不會破壞原有工程設(shè)施，采用附著式傳感器，安裝簡單易于操作。

采用超聲波流量計實測折算系數(shù)時，應(yīng)選擇“一井一表”，即機(jī)井配有單獨電表，方便獲得相應(yīng)時段的耗電量。待機(jī)井出水量穩(wěn)定、接收信號質(zhì)量達(dá)標(biāo)后讀數(shù)[12]，讀取至少3個時段的用水量及對應(yīng)的耗電量，分別計算以電折水系數(shù)。若系數(shù)之間相差超過10%，則剔除異常值，將有效折算系數(shù)進(jìn)行算數(shù)平均，得到該井的實測水電轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2.2.2 機(jī)井在線監(jiān)測設(shè)備

一套完整的設(shè)備包含10個子裝置，即遠(yuǎn)程測控終端（RTU）、GPRS通信終端（DTU）、管段式超聲波流量計、多功能電表、壓力計、水位計、防雷系統(tǒng)（包括外部防雷和信號防雷）、防護(hù)箱、太陽能供電系統(tǒng)（太陽能、蓄電池、充電保護(hù)控制器等）和設(shè)備桿等。

設(shè)備正常運轉(zhuǎn)后，實時記錄水泵工作時的出水量和相應(yīng)的耗電量，并通過遠(yuǎn)程測控終端系統(tǒng)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上，實現(xiàn)實時監(jiān)測機(jī)井水電轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2.3 研究方法

2.3.1 機(jī)井水電轉(zhuǎn)換系數(shù)原理闡釋

單眼井的水電轉(zhuǎn)換系數(shù)為相同時段內(nèi)機(jī)泵提水量與耗電量的比值[5，13]，即：

式中：μ為以電折水系數(shù)（m3/kW·h）；Qw為機(jī)泵提水量（m3）；E為機(jī)泵提水耗能（kW·h）。

2.3.2 多維度機(jī)井水電轉(zhuǎn)換系數(shù)闡釋

（1）理論值系數(shù)。調(diào)查登記機(jī)井水泵銘牌信息，得到水泵的額定流量、額定功率，從而得到理論水電轉(zhuǎn)換系數(shù)，理論水電轉(zhuǎn)換系數(shù)μ1=水泵額定流量÷水泵額定功率。

（2）社會調(diào)查系數(shù)。調(diào)查管井農(nóng)戶，了解該井的一些基本信息，如單次灌水畝均灌水量、畝均耗電量、年灌水次數(shù)、每小時畝均耗電量、農(nóng)業(yè)電價等，可以推算出調(diào)查的水電轉(zhuǎn)換系數(shù)，調(diào)查水電轉(zhuǎn)換系數(shù)μ2=灌溉總用水量÷灌溉總用電量。

（3）實地量測系數(shù)。采用手持式超聲波流量計，實地測量該井的水電轉(zhuǎn)換系數(shù)，實測水電轉(zhuǎn)換系數(shù)μ3=累積出水量差值÷累積耗電量差值。

（4）在線監(jiān)測系數(shù)。采用在線計量設(shè)備，實時記錄機(jī)井出水量及相應(yīng)的耗電量，實時監(jiān)測該井的水電轉(zhuǎn)換系數(shù)，在線監(jiān)測水電轉(zhuǎn)換系數(shù)μ4=出水量÷耗電量。

值得注意的是，灌溉總用水量和灌溉總用電量應(yīng)為同一時段內(nèi)數(shù)據(jù)。

3 多維度方法分析

將以上4種方法進(jìn)行了三三組合，在張家口市開展了理論值系數(shù)—社會調(diào)查系數(shù)—實地量測系數(shù)測試工作；在石家莊、邢臺、邯鄲、保定、滄州、衡水及辛集市開展了社會調(diào)查系數(shù)—實地量測系數(shù)—在線監(jiān)測系數(shù)測試工作。

3.1 理論值—社會調(diào)查—實地量測結(jié)合分析

隨機(jī)選取張家口3個縣（區(qū)）的7眼農(nóng)用機(jī)井，采用理論值系數(shù)、社會調(diào)查系數(shù)和實地量測系數(shù)這3種方法進(jìn)行機(jī)井水電轉(zhuǎn)換系數(shù)測試，測試數(shù)據(jù)詳見表1，測試效果對比如圖1所示。

圖1 測試效果對比

表1 3種方法試驗數(shù)據(jù)

在同一眼機(jī)井上，運用3種方法測試機(jī)井水電轉(zhuǎn)換系數(shù)，從結(jié)果來看，得到的系數(shù)差距很小，折線幾乎是重合的，系數(shù)變動趨向是一致的。對這3種方法得到的系數(shù)進(jìn)行誤差分析，理論值系數(shù)與實地量測系數(shù)平均誤差為9.08%，社會調(diào)查系數(shù)與實地量測系數(shù)平均誤差為4.57%，均小于10%。理論值系數(shù)與社會調(diào)查系數(shù)存在的誤差大一些，為15.93%，被調(diào)查農(nóng)戶存在很大的主觀性是誤差較大的主要原因。3種方法的平均誤差為6.81%，由此可見3種方法以實地量測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)可以相互佐證，誤差分析數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 3種方法在同一井中的誤差分析

3.2 社會調(diào)查—實地量測—在線監(jiān)測結(jié)合分析

在無極、辛集、寧晉等12個縣（區(qū)）各安裝了1套機(jī)井在線監(jiān)測設(shè)備，實時監(jiān)測機(jī)井水電轉(zhuǎn)換系數(shù)，同時在該地區(qū)開展農(nóng)用機(jī)井社會調(diào)查系數(shù)和實地量測系數(shù)的工作。同一縣（區(qū)）的多眼機(jī)井的社會調(diào)查系數(shù)和實地量測系數(shù)分別求算數(shù)平均數(shù)。將這3種方法獲得的系數(shù)進(jìn)行對比分析，測試數(shù)據(jù)詳見表3，測試效果對比如圖2所示。

表3 3種方法試驗數(shù)據(jù)

圖2 測試效果對比

在同一個縣（區(qū)），運用以上3種方法，分析機(jī)井水電轉(zhuǎn)換系數(shù)的差異。分析結(jié)果表明，社會調(diào)查系數(shù)與實地量測系數(shù)差距最小，平均誤差值為4.55%；社會調(diào)查系數(shù)與在線監(jiān)測系數(shù)平均誤差最大為18.62%；實地量測系數(shù)與在線監(jiān)測系數(shù)平均誤差為14.74%；3種方法的平均誤差為12.63%。從圖2可以看出，3種方法研究的系數(shù)曲線幾乎重合，驗證了該方法的科學(xué)性。

經(jīng)分析，誤差較大的原因有：①社會調(diào)查系數(shù)和實地量測系數(shù)是以區(qū)域為單位收集的數(shù)據(jù)，而在線監(jiān)測系數(shù)是以點為單位收集的；②社會調(diào)查系數(shù)調(diào)查對象是機(jī)井情況的知情人，存在一定的主觀性；③農(nóng)用機(jī)井成井質(zhì)量和運行情況差異性較大。具體情況，詳見表4。

表4 3種方法在同一地區(qū)中的誤差分析

4 結(jié)論

（1）采用4種方法進(jìn)行機(jī)井水電系數(shù)折算，最終的結(jié)果是趨向一致的。在線監(jiān)測系數(shù)是機(jī)井真實水電轉(zhuǎn)換系數(shù)，由于造價較高，難以大面積推廣，但該方法得到的系數(shù)值可作為該地區(qū)的參考值；水泵理論折算系數(shù)是在最優(yōu)工況條件下的系數(shù)值，現(xiàn)實情況很難保證，其系數(shù)值可以作為參考值。在同一眼機(jī)井上，運用社會調(diào)查系數(shù)和實地量測系數(shù)的平均誤差為4.57%；在同一地區(qū)運用社會調(diào)查系數(shù)和實地量測系數(shù)的平均誤差為4.55%。這2種方法簡單易操作，經(jīng)濟(jì)適用，又不缺乏科學(xué)性，值得推廣應(yīng)用。

（2）具備測量條件的機(jī)井可以使用手持式超聲波流量計進(jìn)行實地量測，取多個機(jī)井水電轉(zhuǎn)換系數(shù)的算數(shù)平均值作為該地區(qū)的系數(shù)；不具備測量條件的可以根據(jù)機(jī)井調(diào)查系數(shù)、水泵理論折算系數(shù)及該地區(qū)機(jī)井在線監(jiān)測系數(shù)，綜合考慮確定。