張家港市農灌泵站用電量與提水量關系探析

孟佳陽，程海峰，方 芳，王鳳娥，葉昱辰

(1.張家港市長江防洪工程管理處，江蘇 張家港 215600；2.張家港市供排水管理處，江蘇 張家港 215600；3.張家港市河道管理處，江蘇 張家港 215600；4.張家港市水資源管理處，江蘇 張家港 215600；5.南通大學，江蘇 南通 226000)

1 概述

目前，我國很多小型農田水利工程建于20世紀中后期，由于當時技術落后、資金受限、工程建設標準低、老化失修嚴重以及后期管護不到位等問題，部分農田水利設施產權不明確，計量誤差較大，大大增加了農業水價綜合改革的難度[1-2]。2016年前，泵站提水計量措施一般是直接在水泵進水口或出水口安裝流量計，但由于低揚程泵站條件、計量儀表年限、后期維護經費、儀表使用管護等因素的限制，流量計法很難取得理想的實踐效果。為此，崔延松等人借鑒華北地區井灌的以電折水計量措施[3]，實現平原河網地區以電折水計量方法[4-5]，該方法具有可適應泵站運行環境，具有管理時效性等優點。蘇州市出臺了《關于加快推進農業水價綜合改革試點示范區建設的通知》(蘇市水﹝2017﹞211號)，明確了農田灌溉泵站提水量的計量到位是農業水價綜合改革的一項重點工作。結合省水利廳召開的現場會精神，蘇州市決定采用“以電折水”即率定用電量與提水量關系的方式，確定農田灌溉用水量，完善經濟適用、滿足管理需要的泵站以電折水計量措施。在2016—2020年江蘇省農業水價綜合改革工作實施期間，以電折水方法在蘇州各縣市區得到大力推廣，并取得了一定的效果。

然而，由于小型農業灌溉泵站數量較多，實現所有泵站流量實測不科學亦不經濟。許多學者致力于建立準確的農用灌溉泵站每度電提水量(水電轉換系數)與影響因素之間的關系式，即率定“以電折水”的水電轉換系數[6-8]，但由于水電轉換系數與多個因素相關，且相關性比較復雜，目前尚未形成統一認知。

本文選取張家港41座典型農業灌溉泵站，以流速儀法現場測定單位電量的提水量，即水電轉換系數，得到不同水泵“以電折水”轉換系數隨額定功率的變化規律，并建立相應的率定公式。

2 泵站分類

根據張家港市農田灌溉泵站調查資料，全市共有農田灌溉站745座。其中楊舍鎮65座、金港鎮66座、塘橋鎮36座、鳳凰鎮104座、錦豐鎮135座、樂余鎮27座、南豐鎮197座、大新鎮20座、常陰沙95座。根據灌溉土壤類型分類，其中沙土61座、砂土66座、粘土7座、黏土20座、壤土398座、沙夾黃193座。根據是否安裝水表進行分類，其中713座沒裝水表、32座裝有水表。

樣點泵站的選擇原則為通過農田灌溉泵站的裝機容量、灌溉渠道形式、土壤類型和是否安裝計量水表進行典型選擇，選取其中一些典型農田灌溉泵站進行流量測驗。通過對調查結果的篩選，選取張家港市范圍內41座具有一定代表性的泵站進行用電量與提水量關系率定。樣點泵站選取結果見表1。根據鎮別分類，其中楊舍鎮4座、金港鎮7座、塘橋鎮2座、鳳凰鎮4座、錦豐鎮4座、樂余鎮5座、南豐鎮10座、大新鎮6座、常陰沙4座；根據灌溉土壤類型分類，其中沙土6座、砂土5座、粘土0座、黏土8座、壤土14座、沙夾黃8座；根據是否安裝水表進行分類，其中37座沒裝水表、4座裝有水表。

3 泵站以電折水系數測定方法及計算過程

3.1 測定方法

在本研究中，泵站以電折水系數采用現場灌溉泵站開機提水，同時采用流速儀法在渠道斷面處測量其流速，結合斷面面積確定不同裝機容量的泵站流量，同時記錄灌溉泵站開機提水后電表首尾兩次計量結果，根據電量、流量及時間等數據確定用電量與提水量的關系，推算每度電提水量，即確定水電轉換系數。

泵站提水流量可由下式表示：

Q=A×V

(1)

式中，Q—渠道流量；A—渠道過水斷面面積；V—渠道水流流速。

梯形渠道過水斷面面積為：

A=(W上+W下)×h÷2

(2)

式中，W上—渠道過水斷面上寬；W下—渠道過水斷面下寬；h—渠道過水斷面高度。

本次測量的流速儀器為旋杯式流速儀，儀器型號為LS78，其儀器檢定的流速公式為：

V=a+b×n

(3)

式中，n=N/T；V—水流流速，單位：m/s；a—儀器檢定參數，取0.0050；b—儀器檢定參數，取0.7863；N—流速儀轉數；T—流速測驗時間，s。41座典型泵站流量匯總于表1。

水電轉換系數可由下式表示：

D=Q/P

(4)

式中，Q—10min水泵平均出水量，m3；P—對應的水泵耗電量，kW·h；D—水電轉換系數，m3/kWh。

3.2 計算實例

楊舍鎮南新村14號泵站擁有1臺裝機容量15kW的水泵，類型為200HW-10，設計流量0.15m3/s，灌溉面積3612畝。南新村14號泵站開機提水后，水流通過一條明渠流向灌區，渠道斷面圖如圖1所示，根據測量的渠道斷面圖計算得到南新村14號泵站的水流斷面面積為：

圖1 南新村14號泵站水文測驗渠道斷面圖

A=(W上+W下)×h÷2=(0.70+0.30)×0.41÷2=0.205m2

(5)

水明渠的水流流速，流速儀轉數47轉，用時61s，計算得到泵站流量為：

V=a+b×n=0.0050+0.7863×47/61=0.610m/s

(6)

Q=A×V=0.205×0.610=0.125m3/s

(7)

楊舍鎮南新村14號泵站實測電表數值如表2所示。在正常開機提水條件下，3.3分鐘耗電0.76kW·h。

計算得出每度電提水量為：

198s÷0.76kW·h=260.53s/kW·h

(8)

260.53s/kW·h×0.125m3/s=32.6m3/kW·h

(9)

4 以電折水系數與裝機容量的關系

圖2給出了水電轉換系數D與裝機容量W的關系圖。從圖2可看出：各類型泵站的水電轉換系數隨著裝機容量的增加而不斷增大，但增幅逐漸減小，可由下式表示：

D=10.701(W/W0)0.4347R2=0.7531

(10)

式中，W0—參考裝機容量，1kW。

表1 張家港市農田灌溉泵站基本信息表

表2 泵站實測電表數值

為驗證上述公式的合理性，專門以表3中鹽城市大豐區、宿遷市宿城區4座裝有水表，且依據體積法及集成法完成復核的泵站進行驗證。圖3給出了驗證結果，從圖3中可看出：泵站的水電轉換系數與水泵計量結果基本相同，表明依據流速儀法測定的典型泵站水電轉換系數較為合理，據此形成的水電轉換系數與裝機容量的關系式能很好地用于率定部分泵站的水電轉換系數。

圖2 水電轉換系數D與裝機容量W的關系

表3 典型農田灌溉泵站

圖3 水電轉換系數率定及驗證

5 結語

本文采用流速儀法對張家港41座典型農灌泵站進行實測，確定各類水泵的水電轉換系數，得到以下結論：流速儀法可很好地測定農灌泵站的流量，進而能較為合理的計算出泵站的水電轉換系數。泵站水電轉換系數隨著泵機功率的增加而增大，但增幅減小，可用冪函數表示，且率定結果與儀器測定值大致相同。

不同于井灌地區，江蘇等平原地區農業用水主要采用抽取地表水的方式，得出的水電轉換系數除泵機功率之外，還有使用年限、泵型等其他因素。因此，有必要在后續的研究中，進一步積累實測數據資料，分析和發現潛在的影響變量，對水電轉換系數從理論分析上進行完善，在預測精度上進一步提高。