北京市農業灌溉用水計量方式比選分析

籍淑芳，李成龍，馬永浩

（1.北京北控鳳凰城市運營管理有限公司，北京市 100015；2.山東滕州市城鄉水務局，山東棗莊 277500；3.北京市華水新源生態環境科技有限公司，北京市 102101）

0 引言

水資源是基礎性的自然資源和重要的戰略資源。我國是一個水資源嚴重短缺的國家，水資源供需矛盾突出仍然是可持續發展的主要瓶頸[1]。農業是用水大戶，農業用水量約占全國社會用水總量60%，其中90%以上為灌溉用水。我國農業灌溉水有效利用系數和用水效率方面均與發達國家差距巨大，資源浪費現象嚴重，節水潛力很大[2]。發展農業節水，調整農業發展思路，轉變發展方式，在農業用水量基本穩定的同時擴大灌溉面積，提高灌溉保證率，是促進水資源可持續利用、保障國家糧食安全、加快轉變經濟發展方式的重要舉措[3]。

《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》明確指出，“我國農業灌溉水利用率遠低于世界先進水平”，提出“重點研究農業高效節水和城市水循環利用技術”，實施“開發灌溉節水、旱作節水與生物節水綜合配套技術，重點突破精量灌溉技術、智能化農業用水管理技術及設備”等科技研究。北京是嚴重缺水的特大型城市。自1999年以來，全市連續干旱，缺水形勢嚴峻。“十五”期間，北京市積極落實市委、市政府提出的“實施最嚴格的水資源管理制度”以及“向觀念要水、向機制要水、向科技要水”的工作要求，推動農業節水，進一步壓縮農業用水量[4，5]。

北京市農業用水占全市總用水的1/4，灌溉水利用系數不足0.7，低于發達國家水平（0.8～0.85），還有較大節水潛力。根據《北京市國家經濟和社會發展第十四個五年規劃和二○三五年遠景目標剛要》（2021年1月），北京市要堅持走生態優先、綠色發展之路，積極創建國家生態文明建設示范區和“綠水青山就是金山銀山”實踐創新基地，引導資源節約型、生態友好型產業項目在生態涵養區落地，打造生態溝域。地下水是重要的戰略資源，占全市總用水的80%以上，占農業用水的75%，農業機井用水有效計量是管理節水的關鍵環節，是灌溉水利用系數測算的前提條件，也是全國落實國務院頒發的《關于實行嚴格水資源管理制度的意見》的主要考核指標之一[6，7]。目前，北京市農業用水有效計量率不足30%，存在計量方式不合理、產品設計不科學、系統不兼容、功能不健全、計量精度不高、可維護性差等突出問題，嚴重制約了農業節水事業的健康持續發展。

1 國內外計量現狀

1.1 國內外發展現狀

目前，世界發達國家已經將農業節水灌溉的中心由灌溉工程建設轉移到工程管理和水資源的優化配置上。以缺水著稱的以色列，將水資源的開發、利用與管理同國家的生存聯系在一起，通過立法的形式保證全國的工業、農業、生活用水統一管理，實現全國降雨、地表水、地下水、再生水的統一分配應用。全部實行定額管理，在整個國家范圍內建立了嚴格的供用水管理體系和合理的水費征收制度，實行用水配額制度，配水定額不僅有量的限制，而且有時間的限制，精確到每小時的用水量，超額不僅加價，且嚴格限制。采用不同用量不同水價，違反規定嚴厲處罰，農民根據水量進行布局和組織周年生產，鼓勵節約用水，以保證水資源的高效率利用。

長期以來，我國農業用水管理粗放，存在著計量不清、管理隨意等諸多問題，主要表現在：一是農業用水計量手段缺乏，計量精度差，收費困難。由于缺乏水表等基本計量設備，我國普遍實行按畝收費或電費折算的辦法，同時，由于需要人工收取費用，工作強度大，效率低，且收費困難。二是水價不合理。目前一直沿用政府定價模式，灌溉用水價格低，水費與用水多少沒有直接關系，導致農民沒有節水積極性，灌溉用水浪費嚴重。三是管理水平低，信息統計慢。農業供水管理層次和環節較多，農業用水信息需要通過管理機構逐層填報，導致統計周期長、數據準確度差。

1.2 北京市現狀及問題

1.2.1 農業用水現狀

北京市現有農業灌溉用井32586眼，農業生活用水機井10133眼。2020年農業供水量3.23億方。在用水管理上，由市水務局下達各區縣分行業用水指標，區縣分解到鄉鎮，鄉鎮用水指標不分配到各農業用水機井，鄉鎮統籌安排，用水統計主要由農業用水協會或管水員統計上報。在收費方面，灌溉用水沒有明確收費政策，75%村鎮根據村規民約，收取電費和少量維修費，不足由村委會補貼。在計量方面，2003年在全市安裝了機械式水表，2007年在通州進行農業用水計量管理系統試點，2010年擴大試點，目前全市有7個區縣安裝智能計量系統5055眼，其中10%計量水量，90%是以電計水。

1.2.2 存在的問題

1）計量問題。直接采用水量計量的，采用高端水量傳感器，傳感器超過3000元/個，價格過高無法大規模推廣。采用普通水表則由于水質問題，經常損壞，面臨維護成本過高問題。采用水電折算計量，由于采用固定折算系數，不能動態調整，在水文動態變化過程中，折算存在很大誤差，引起農民不滿。現在急需尋找價格適中、穩定可靠、計量相對精確的計量設備或計量模式。

2）實時傳輸問題。目前的現場用水管理設備多數具備水電計量功能，但多數不具備數據傳輸功能，少數具有近距離紅外傳輸功能，造成月系統數據精度低，數據受人為影響因素大，管理層面無法及時了解各農用機井用水情況，無法做到實時監控。管理部門需要及時了解轄區范圍內用水情況，以便及時做出決策，應該形成一套可以實時采集、控制、傳輸的現場控制單元。

3）軟件平臺。目前軟件平臺基本只能配合各自廠家的設備進行應用，無法兼容其他廠家設備。同時，每個村安裝一套軟件，對村級用水管理者提出了過高的計算機軟件管理要求，而且軟件無法自動將數據及時上報市級管理部門，需要人工操作進行數據上報，這樣就增加了人為干預的可能性。因此，應形成一套統一軟件平臺，隨時采集各個農業用水機井的用水狀況，軟件采用分賬戶分級管理模式，采用標準的開發協議，所有廠家的設備遵循協議都可以接入，降低運行維護成本。

2 不同計量方式比較

2.1 各種水表性能測試結果

根據北京市農業灌溉用水的特點和農業用水計量設備運行環境特點，選擇4類水表，即普通數字式濕式水表、普通干式水表、超聲波流量計和水電折算智能計量系統。開展水力性能、低溫凍脹、不同含砂率及其他情況下的計量精度等試驗，分析各水表的抗磨損、抗凍脹、計量精度及運行維護管理方法等，提出北京市適宜的農業灌溉用水計量方式及其運行管理要求。各種水表的計量精度、不同含砂率下的計量精度以及它們的抗凍耐磨情況。各種水表性能的測試結果見表1。

表1 各種水表性能測試結果統計

分析可知，在常流量下，液封式垂直螺翼水表、液封式水平螺翼水表、干式水平螺翼水表和干式防堵塞水表計量精度較高，都小于2%，可以滿足農業灌溉用水的計量要求。北京市農業用水采用地下水灌溉，其含砂率一般處于1/10000左右，由于水質含砂率較小，水質清潔度高，可使用液封式垂直螺翼水表、液封式水平螺翼水表、干式水平螺翼水表和干式防堵塞螺翼水表4種水表。超聲波流量計計量精度介于0.7%～1.5%之間，含砂率為1/1000時，計量精度會略受影響，且超聲波流量計開始階段計量數據存在一定的波動性，需要穩定5～10 min后方可計量數據。

2.2 計量精度確保要點

1）根據試驗研究，水電折算系數主要受抽水區域地下水富水性、地下水水位埋深、水泵自身參數等因素的影響。北京市在沖洪積扇的上、中、下游不同地區，地下水富水性差異顯著，地下水埋深變異性較大，這就決定了不同區縣、不同區域的水電折算系數各不相同，而且隨著地下水埋深變化存在變幅。

2）根據本研究成果，單井如果能夠進行水電折算系數的長系列率定工作，水電折算計量系統的誤差率有望控制在10%以內。

3）要想在區域尺度上推廣水電折算計量系統，使其在區域尺度上得到更好的計量精度（誤差率控制在8%以內），須建立北京市水電折算系數率定網絡。針對不同包氣帶結構、不同地下水埋深條件下，選擇不同的水泵類型、種植結構區布置監測點，研究適宜于北京市不同區域、不同工況條件下針對不同地下水埋深、不同包氣帶情況下以及不同時間段的水電折算系數值。

2.3 各種類型水表特點比較

液封式垂直螺翼水表、液封式水平螺翼水表、干式垂直螺翼水表以及干式防堵塞螺翼水表等普通機械水表結構簡單，制造維修方便，成本低經久耐用，運行較可靠不需電源，不需管理軟件系統。但是，其需人工抄表，且冬季需要做好排水防凍工作，無其他任何附加功能，無法滿足農業用水管理的需求。

超聲波流量計等遠傳水表管理方便快捷，收費及時，可減少抄表的人工和不便，免除抄表等活動打擾，可享受智能化的生活方式。但是，需配備專用管理軟件和服務點，以支持產品出現故障后的麻煩，風險較普通水表高，且水表維護成本較大。目前，應用的水電折算計量系統以電計量水量，安裝要求與安裝一塊電表類似，無需安裝水表，操作簡單，節省了水表的安裝與維護成本，但其計量精度不高，需要人工采集數據，且很難實現農業用水定額管理（表2）。

表2 各種類型水表特點統計

3 結語

研究結果表明，普通數字式濕式水表、普通數字式干式水表具有精度較高、維修方便、成本低廉等特點，但需人工抄表，無法滿足農業用水智能化管理的要求。超聲波流量計可實現水量遠傳，無需人工抄表，但故障風險和維修成本較前兩種水表大。水電折算計量系統以電計量水量，安裝一塊與電表類似的計量設施，操作簡單，但其計量精度不高，需人工采集數據。綜合四類水表存在的優缺點，建議針對北京市農業灌溉用水特點和農業用水計量設施運行環境，開發出一種適宜北京市的農業用水計量方式。該方式應具有較高的計量精度、方便的遠傳功能，自動化校準方式及智能化的用水定額管理功能。