農(nóng)業(yè)“以電折水”典型監(jiān)測站建設分析研究

石家莊市水資源綜合服務中心 楊曉清

1 項目背景

河北省作為水資源匱乏的人口大省，地下水超采總量及超采面積均占全國的1/3，是超采最為嚴重的地區(qū)。農(nóng)業(yè)作為河北省最大的社會經(jīng)濟用水部門，用水量占全省社會經(jīng)濟用水量的70%左右，且主要依靠地下水作為供水水源。因此，強化農(nóng)業(yè)用水管理、優(yōu)化農(nóng)業(yè)水源結構、提升農(nóng)業(yè)用水效率是落實國家華北地下水超采綜合治理戰(zhàn)略和解決河北省地下水超采問題的核心抓手。開展農(nóng)業(yè)用水管理的主要問題和首要難點在于解決農(nóng)業(yè)用水，特別是農(nóng)業(yè)用地下水取水的計量和核算問題。河北省現(xiàn)有規(guī)模以上農(nóng)灌機井超過100 萬眼，但由于農(nóng)灌井“點多、面廣、產(chǎn)權分散”的分布特點，全部采用水表方式進行計量存在一次性投入成本高、工作量大和后期長效管理難等客觀問題。

近年來，為解決農(nóng)業(yè)用地下水取水計量問題，河北省大力推行“以電折水”的農(nóng)業(yè)用水計量核算模式。2017 年，河北省提出了“種植業(yè)、林業(yè)取用地下水未安裝計量設施的，按電計量、以電折水”，并明確了“以電折水”系數(shù)的測算和管理方式。2019 年提出了進一步健全全省地下水監(jiān)測計量體系，農(nóng)村地區(qū)暫不具備按照國家技術標準安裝計量設施條件的，“要通過以電折水實現(xiàn)用水計量”。2021 年6 月21 日，水利部明確提出了“完善農(nóng)業(yè)取水量折算和推算管理”的要求。

河北省2019～2021 年已建成4619 處農(nóng)業(yè)“以電折水”典型監(jiān)測站，針對站網(wǎng)密度不足的縣(市、區(qū))，2023年在原有站點基礎上，開展站網(wǎng)加密建設工作。按照全省平原縣基本達到每1000 眼農(nóng)灌井配置4 眼觀測井和縣級行政單元全覆蓋的標準，全省77 個縣新建1121處“以電折水”典型監(jiān)測站，通過配置取水量和用電量在線計量監(jiān)測設備，從而提高了全省以電折水系數(shù)的測算精度，并為核算區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉地下水開發(fā)利用量提供了科學依據(jù)。

2 農(nóng)業(yè)灌溉水量監(jiān)測現(xiàn)狀分析

隨著管理需求的提高，水量核定工作有了更高的要求。農(nóng)業(yè)灌溉水量計量方面存在以下問題：一是農(nóng)業(yè)用水計量監(jiān)控安裝極少，主要安裝于設施農(nóng)業(yè)等農(nóng)業(yè)用水大戶，但現(xiàn)存機井數(shù)量龐大，實現(xiàn)逐井計量難度很大；二是以電折水系數(shù)測算成果區(qū)域代表性較低，不能充分反映某個區(qū)域或某個鄉(xiāng)鎮(zhèn)系數(shù)；三是管理粗放難以實現(xiàn)精準計量，農(nóng)業(yè)用水主要是基層百姓，使用和管理過程中操作損壞較多；四是農(nóng)業(yè)機井全部安裝計量設施投資，數(shù)目龐大，難以實現(xiàn)。

綜上分析，采用建設“以電折水”長期監(jiān)測站點的方式，按照空間均衡布局，從經(jīng)濟角度和實用角度來看，能夠更準確地分析和掌握不同區(qū)域的以電折水系數(shù)，進而結合用電量數(shù)據(jù)折算農(nóng)灌水量。

3 “以電折水”典型監(jiān)測站建設

3.1 “以電折水”典型監(jiān)測站建設內(nèi)容

在區(qū)域內(nèi)“以電折水”典型監(jiān)測站未覆蓋的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，可選擇具有一定代表性的典型農(nóng)業(yè)灌溉機井，建設典型監(jiān)測站，長期觀測典型機井的農(nóng)業(yè)灌溉用水“以電折水”系數(shù)，并實現(xiàn)水量、電量數(shù)據(jù)的準確計量和穩(wěn)定傳輸，從而為測算區(qū)域農(nóng)灌“以電折水”系數(shù)提供有效數(shù)據(jù)保障，并依托省綜合業(yè)務平臺，為科學開展河北省地下水農(nóng)業(yè)灌溉水量核定提供重要數(shù)據(jù)依據(jù)。

農(nóng)業(yè)“以電折水”典型監(jiān)測站由水量、電量數(shù)據(jù)采集傳感器、測控終端（RTU）及通信模塊（DTU）、供電及防雷系統(tǒng)、設備保護設施和必要的管道環(huán)境調(diào)整五大主要部件組成。太陽能、蓄電池等電源系統(tǒng)為遙測終端機供電，同時，由于使用了市電、太陽能等供電設備，則需要配備防雷系統(tǒng)，多雷電天氣的地區(qū)應增強防雷措施。

3.2 監(jiān)測點布設原則

農(nóng)業(yè)“以電折水”典型監(jiān)測站的選定應符合典型代表性原則、空間均衡性原則、條件完備性原則及管理方便性原則，所選的典型機井、水泵、動力電纜、提水管道、輸水管道等設備設施應完好且機井水電設備應具有良好線性關系。

3.3 系統(tǒng)總體結構設計

3.3.1 監(jiān)測系統(tǒng)架構

農(nóng)業(yè)“以電折水”典型監(jiān)測項目依據(jù)“數(shù)據(jù)采集上報，數(shù)據(jù)儲存處理，數(shù)據(jù)展示應用”模式建設，主要由農(nóng)業(yè)灌溉水量“以電折水”監(jiān)測站、省級數(shù)據(jù)接收平臺、“河北省農(nóng)田水利工程運行管理信息系統(tǒng)”三個重要部分組成。

農(nóng)業(yè)“以電折水”典型監(jiān)測項目的監(jiān)測系統(tǒng)首先通過監(jiān)測站點完成數(shù)據(jù)采集上報工作，傳感器采集水量、電量等數(shù)據(jù)信號，并將信號傳輸?shù)綔y控終端機（RTU）對采集的各類信號進行數(shù)據(jù)轉換，并進行儲存、實時整理、報文生成等處理，最終通過通信模塊（DTU）將數(shù)據(jù)發(fā)送到省級數(shù)據(jù)接收平臺；省級數(shù)據(jù)接收平臺完成數(shù)據(jù)儲存處理工作后，數(shù)據(jù)由省級數(shù)據(jù)接收平臺推送至“河北省農(nóng)田水利工程運行管理信息系統(tǒng)”；系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)展示應用工作。省、市、縣水資源管理部門可以實時查詢農(nóng)業(yè)監(jiān)測站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，了解用水情況。

3.3.2 集中式監(jiān)測站結構配置

按照周邊環(huán)境和安裝形式的不同，監(jiān)測站結構劃分為分體式測站結構和集中式監(jiān)測站結構。本文重點介紹集中式測站結構。機井周邊無防護機井房等固定建筑物的考慮集中式，周邊需要占用1*1 平方米空地用于澆筑保護罩水泥基座，其結構圖詳見圖1，集中式監(jiān)測站設備配置詳見表1。

表1 集中式監(jiān)測站設備配置表

圖1 集中式測站整體結構圖

3.3.3 數(shù)據(jù)采集內(nèi)容

農(nóng)業(yè)灌溉水量監(jiān)測站點通過流量、電量監(jiān)測設備以及測控終端對22 項“以電折水”相關數(shù)據(jù)進行采集工作，包括測站經(jīng)緯度、開關泵時間、瞬時流量(m3/h)、本次用電量、本次用水量、累計電量(kW.h)、累計流量(m3)、電池電壓(V)等。

3.3.4 監(jiān)測站點編碼

為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)準確接入省數(shù)據(jù)平臺和未來河北省水資源管理各業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息共享，對擬建設監(jiān)測站進行統(tǒng)一編碼設計，監(jiān)測站編碼是一套監(jiān)控計量設備的“身份證”，是監(jiān)測設備與數(shù)據(jù)中心間進行信息對接的唯一紐帶。數(shù)據(jù)通訊卡是監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕M成部分，是將監(jiān)測設備數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)接收中心的唯一路徑。監(jiān)測站點、機井編號、數(shù)據(jù)通訊卡間應建立一一對應關系。

3.3.5 流量監(jiān)測設備選型原則

目前常用的遠傳流量監(jiān)測設備按照工作原理設備主要分為電子遠傳水表、超聲波水表、插入式超聲波流量計、電磁流量計四種。流量監(jiān)測設備選型應符合設備精度最優(yōu)性、設備環(huán)境適應性、區(qū)域運行穩(wěn)定性、設備經(jīng)濟合理性原則。

3.3.6 電量采集設備選型原則

電量采集設備又稱為電能表，電能表是用來測量電能、采集電量的儀表。電量采集設備選型原則為設備質量指標合格、設備采集功能齊全、設備計量精度最優(yōu)。

3.3.7 測控終端（RTU）設備參數(shù)要求

為保證項目建設的先進性和未來可擴展性，以及為未來河北省水資源監(jiān)測體系向物聯(lián)網(wǎng)高效架構模式轉型升級預留擴展接口和提升潛力，RTU 系統(tǒng)應支持4G 全網(wǎng)通模塊。測控終端及通訊技術主要參數(shù)要求如表2 所示。

表2 測控終端及通訊模塊主要技術參數(shù)要求

3.3.8 供電系統(tǒng)選型設計

為了使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，不依賴于外部供電，本項目建設農(nóng)業(yè)灌溉水量監(jiān)測站，供電系統(tǒng)采用太陽能+蓄電池的方式。

3.3.9 防雷系統(tǒng)選型設計

監(jiān)測站點設備涉及的防雷系統(tǒng)分為2 類，一類為一般型防雷系統(tǒng)，另一類為增強型防雷系統(tǒng)。

4 效益分析

農(nóng)業(yè)“以電折水”典型監(jiān)測站的建設實施，可以對項目區(qū)域以電折水系數(shù)測算提供科學依據(jù)，再結合農(nóng)灌用電量實際情況，推算項目區(qū)域地下水農(nóng)業(yè)灌溉用水量，從而為核算該區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉地下水開發(fā)利用量提供科學數(shù)據(jù)依據(jù)，為進一步強化農(nóng)業(yè)用水管理、優(yōu)化農(nóng)業(yè)水源結構、提升農(nóng)業(yè)用水效率提供有效數(shù)據(jù)支撐，進而為河北省落實最嚴格水資源管理制度奠定基礎，為推進地下水超采綜合治理提供相關依據(jù)。

農(nóng)業(yè)“以電折水”典型監(jiān)測站的建設實施，反映了區(qū)域農(nóng)灌用水井取水耗電關系，為科學測算農(nóng)灌地下水實際取水量提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，有效完成了農(nóng)田灌溉取用地下水的計量，為農(nóng)業(yè)灌溉水資源稅的征收提供了依據(jù)，促進了水資源稅改革工作的開展，提升了水資源管理的信息化水平。