小型灌溉泵站以时计水和以电计水计量方法研究

陈 丹 张 娣 汤树海 张 建 曹建邺

(1. 河海大学 农业工程学院， 南京 210098； 2. 淮安市涟水县水利科学研究站， 江苏 淮安 223400； 3. 江苏省淮安市洪泽区水利局， 江苏 淮安 223100； 4. 江苏省淮安市洪金灌区管理处， 江苏 淮安 223005)

水价政策作为水资源管理的重要手段，在促进节约用水、调节水需求和优化水资源配置等方面具有其它机制所不能替代的功能[1-2]．农业水价综合改革事关农业、农村发展和农民利益及水利行业的发展，是当前我国重点推进的重大改革事项[3]．国务院公布自2016年7月1日起施行的《农田水利条例》明确提出，“农田灌溉用水应当合理确定水价，实行有偿使用、计量收费．”2016年国务院办公厅印发的《关于推进农业水价综合改革的意见》(国办发[2016]2号)和江苏省人民政府办公厅印发的《关于推进农业水价综合改革的实施意见》(苏政办发[2016]56号)文件中均提出了要完善供水计量设施，推行计量收费，实行农业用水总量控制和定额管理．江苏省水利厅在2017年全省农业水价综合改革培训会上还明确提出“要以小型提水灌区为重点，实行计量设施多元化，年底前全省小型灌溉泵站计量设施配套率达到40%以上，3年内全面配套到位，是必须完成的硬任务．”由此可见，对农业灌溉用水计量(尤其是小型灌溉泵站计量)是当前农业水价综合改革的重要任务．

目前关于农业灌溉用水的计量方法，有采用特设量水设备或方法进行直接计量，有利用原有的水工建筑物进行量水，或者利用用水定额推算、泵站用电量等数据间接估算．不同的量水方法各有优缺点和适用性[4-8]．从现有农业水价综合改革试点区小型灌溉泵站计量方法来看，多采用电磁流量计、超声波流量计等仪器或仪表自动计量，其具有量测直观、精度高、计量简便等优点，但单台计量设备成本少则几千、多则几万元，而平原地区小型提水灌溉泵站较多则需要配备的数量也较大，量水设施的高昂经济成本成为了制约其推广应用的重要因素．

灌溉泵站的出水流量过程及出水量一般受水泵自身特性、扬程、进出水池水位、渠道或管道形式及尺寸、泵站工作年限、农村电网等多种因素的综合影响，若不采用专业的仪器设备实时测量是很难直接精确地计算每次提水水量的．不过，理论上同一台泵站、在运行工况相近的情况下，泵站的出水量与运行时间、用电量存在一定的相关关系，于是可以通过“计时”或“计电”的方法换算出水量，这样的计量方法相对经济、简便，易于推广应用．江苏省南通市部分电灌站的实测表明，流量功率比与水泵规格无明显关系；在扬程变化幅度不大的情况下，扬程对流量功率比的影响很小；流量功率比与装置效率关系密切，随装置效率的提高而显著增大；通过电量折算泵站出水量的方法具有可行性[9]．江苏省淮安市涟水县20台典型灌溉泵站提水的现场测试结果也表明，在满足正常灌溉、运行工况相近的情况下，每台泵站的“单位时间的出水量”、“单位用电的出水量”参数的现场测试结果相对稳定，因此可以通过“计时”或“计电”分别乘以“单位时间的出水量”或“单位用电的出水量”就可以估算每次提水灌溉的泵站出水量，这种方法能满足农业水价综合改革试点灌溉泵站计量的需求．

本文基于泵站提水现场的实测提出“以时计水”或“以电计水”的灌溉泵站计量方法．在对小型灌溉泵站进行现场测量时，在正常灌溉情况下，出水池水位上升与下降过程短暂，且在泵站平稳运行时变化不大，对长时间出水的流量过程影响很小；出水池后防渗渠一般都是呈规则形状(梯形、矩形或U型)，泵站出水过程中的渠道水位一般处于变化不大的正常水位范围．因此，可以通过现场测试拟定该泵站的“单位时间的出水量”参数，若该泵站配有独立的电表，则可以通过读取用电量再换算出“单位用电的出水量”参数．通过现场测试率定“单位时间的出水量”或“单位用电的出水量”参数后，记录每次灌溉提水的泵站运行时间或泵站运行过程所消耗电量，即可以估算出每次灌溉提水的出水量，从而实现了农业供水的计量．

1 基本参数与原理

1.1 基本参数

“以时计水”或“以电计水”灌溉泵站计量方法所涉及的主要参数包括流速、流量、出水量、渠道水深、过水断面面积等，其中重要参数为“以时计水”参数(“单位时间的出水量”)和“以电计水”参数(“单位用电的出水量”)．具体如下：流速(v)：液体(水体)在单位时间内的位移，单位一般为米每秒(m/s)；流量(q)：单位时间内流经明渠过水断面的水体体积，单位一般为立方米每秒(m3/s)；出水量(Q)：一定时间内泵站出水量或泵站出水池后流经明渠过水断面的水体体积，单位一般为立方米(m3)；渠道水深(h)：渠道过水断面水面至渠底之间的距离，单位一般为米(m)；过水断面面积(A)：某一时刻的水面线与渠道底线包围的面积，单位一般为平方米(m2)．“以时计水”参数(“单位时间的出水量”)：水泵正常运行状况下平均单位时间的出水水量，单位一般为立方米每秒(m3/s)；“以电计水”参数(“单位用电的出水量”)：水泵正常运行状况下平均消耗单位电量的出水水量，单位一般为立方米每千瓦时[m3/(kW·h)]．

1.2 测算原理

理论上来说，灌溉泵站在单位时间的出水量不完全相同，主要因素包括流量、扬程、效率等．不过，对于同一台泵站，在这些因素变化不大的情况下，通过多次实测“以时计水”参数和“以电计水”参数可以用来估算泵站的出水量．

“以时计水”方法估算泵站出水量的原理：

Q=q×t(1)

式中，Q为泵站出水量(m3)；q为单位时间过水断面平均流量(m3/s)；t为泵站运行时间(s)．其中

q=v×A(2)

式中，v为观测渠道断面水流稳定后的平均流速(m/s)；A为过水断面面积(m2)．

“以电计水”方法估算泵站出水量的原理：

K=Q/E(3)

式中，K为泵站的“以电计水”参数[m3/(kW·h)]；E为泵站运行过程所消耗的电量(kW·h)．在实际计算过程中，利用电表的在泵站关机时读数减去初始读数，再与电表的互感器倍数R相乘得到．

因此，该方法的关键之处在于：

1)通过“以时计水”方法估算泵站出水量的关键在于确定泵站“以时计水”参数q、记录泵站运行时间t．要得到泵站“以时计水”参数q的主要工作是，现场测试泵站正常稳定工作状态下出水池后规则渠道断面的水流平均流速v和渠道过水断面面积A．

2)通过“以电计水”方法估算泵站出水量的关键在于确定泵站“以电计水”参数K、记录泵站运行用电量E．要得到泵站“以电计水”参数K的主要工作是，现场测试泵站正常稳定工作状态下出水量Q和记录泵站用电量E．

1.3 测试工具

率定“以时计水”和“以电计水”这两个参数需要现场测试、记录相关数据并计算分析，主要包括泵站开关机时间、泵站提水用电量、泵站出水池后规则渠道的流速、水位、渠道特性参数等，具体实施过程中所需仪器主要包括流速仪、卷尺、直尺以及计时器等．

流速仪的作用在于测算渠道断面的水流平均流速．市场上渠道流速仪的种类繁多，不同种类流速仪分为不同型号，以适应不同实际情况的需求．实际操作过程中可以根据需求对渠道流速仪的种类和型号进行自主选购．每一类型仪器均附带详细说明书，其中包括仪器功能特点、主要技术指标、工作原理、仪器结构、安装方法、参数设置、仪器使用方法、仪器维护以及其他附加文件等．同一类型流速仪的原理和操作程序基本相同，实际应用过程中在仔细阅读仪器说明书的前提下使用．

卷尺用来测量渠道断面的尺寸，直尺用来测量渠道水深，计时器用来计算泵站运行时间．卷尺与直尺的量程可根据泵站实际情况选用，一般卷尺为5 m，直尺为1 m即可满足江苏地区小型泵站提水灌区的测量要求．凡是可以记录时间的工具设备均可作为计时器使用，如秒表、手表、手机等，一般要求计时器的读数精确到秒．配备独立电表的泵站可以读取电表读数，以获取实际用电量．读取电表读数时需注意，若安装了互感器则先读取互感器倍数，用这个倍数乘以度数则是实际用电量．不同型号电表的互感器倍数可能不同，在实测时需对每一个电表进行观察和读取．

2 操作步骤

为了便于灌溉泵站“以时计水”和“以电计水”计量方法的推广应用，针对该方法的操作步骤，总结提出了六步简明口诀，即看水位、校仪表、量渠道、测数据、算参数、计水量．具体如下：

1)看水位．主要指查看灌溉泵站进水池的水位，选择灌溉季节的正常水位作为适宜的测试时间．在灌溉泵站实际运行时，扬程变化对流量具有一定的影响，若进出水池水面高差变化幅度较大，则需要加测，可选高、中、低3种情况甚至多次实测，并率定相应的“以时计水”参数和“以电计水”参数．

2)校仪表．主要指流速仪、电表、计时器的校核．①对流速仪进行调试和零点校准，熟悉流速仪的使用方法；②查看电表工作状态和各种读数，掌握电表用电量的读法，若安装了互感器则需读取互感器倍数并乘以读数才是实际用电量；③选定好计时的工具，可采用随泵站开关机自动记录的计时器，也可采用秒表、手表、手机等进行计时．

3)量渠道．主要指选择典型渠道断面、量测渠道断面尺寸．①选择顺直、规则且距离泵站出水口较近的渠道作为观测渠道，同时选择断面完好规整、无杂物、便于测试、水流流态较为稳定的断面作为流速测量断面(一般要求距离泵站出水池出水口20 m以上，或与泵站出水池出水口距离大于10倍的渠顶宽度)．②根据所选渠道断面形式，测量渠道断面各个边的尺寸及其深度．

4)测数据．主要指实测典型渠道断面的流速和水深、记录开机时间和电表初始度数．按照流速仪的操作指南实测，为增加结果的可信度，每个泵站测试应不低于3次，每次流速读数不少于30个．

5)算参数．主要指计算“以时计水”参数和“以电计水”参数．①根据渠道断面尺寸和水深计算过水断面面积，乘以实测流速则为流量；②各次(至少3次)测的流量取平均值，则为“以时计水”参数(“单位时间的出水量”)q；③用“以时计水”参数q乘以泵站运行时间计算该时段的出水量，除以该时段电表记录的度数，则为“以电计水”参数(“单位用电的出水量”)K．

6)计水量．主要指应用“以时计水”参数q或“以电计水”参数K，估算每次泵站开关机的出水量．在每次泵站开机供水时，记录泵站运行时间t或用电量E，利用“以时计水”参数q或“以电计水”参数K均可对该泵站出水量进行估算，即“以时计水”(Q=q×t)、“以电计水”(Q=K×E)．

3 具体案例

以江苏省淮安市涟水县的周临电灌站为例，对“以时计水”、“以电计水”方法估测泵站出水量的方法进行实例分析．以水稻灌溉为主，实际灌溉面积500亩，配有一台水泵，泵站型号400HW-10，设计流量0.47 m3/s，配备电动机型号YX3-280M-8，装机55 kW，综合效率86%，出水池后连接规则矩形防渗渠道，泵站配有独立电表，互感器倍数为30．

为了保证正常灌溉，周临电灌站引水河道的水位基本稳定且满足设计工况条件，可以开展实测分析．选择渠道平直段同时满足离出水池出水口15 m处作为典型断面，用于流速测定，并做好各项准备工作．试验开始时记录泵站开机时间和电表初始读数，同时在渠道典型断面用流速仪开始实测流速和水深，当流速仪读数稳定且水泵运行时间达到足够长之后关闭电动机和水泵，同时记录关机时间、电表度数并整理相关的数据．一次开关机测试结束后，为保证测试数据的可靠性，重复3次试验，并记录数据．以3次试验数据计算相应的参数，稳定后的平均流速0.86 m/s，过水断面面积0.384 m2，历时145 min，用电量为114.7 kW·h，则“以时计水”参数q为0.33 m3/s(0.86 m/s×0.384 m2)，“以电计水”参数K为25.03 m3/(kW·h)=0.86 m/s×0.384 m2×145 min×60 s/min÷114.7 (kW·h)．本次周临泵站实测供水量为2 870 m3，与电磁流量计、出水池实测等其他方法测得的数据误差均在5%以内，证明了该方法的可靠性；实测的“以时计水”参数(即稳定工作流量)为0.33 m3/s，与泵站设计流量0.47 m3/s相比，所测泵站实际工作效率为70.2%，符合该泵站的实际情况．

考虑到方法的实际应用，若下一次该泵站开机提水灌溉的持续时间是12 h、用电量是569.6度，则：①采用“以时计水”方法计算的泵站出水量为142 566 m3=0.33 m3/s×12 h×3 600 s/h；②采用“以电计水”方法计算的泵站出水量为142 566 m3=25.03 m3/(kW·h)×569.6 (kW·h)．由此可见，采用“以时计水”和“以电计水”参数估测的出水量一致．

4 结 语

农业水价综合改革是当前我国重点推进的重大改革事项，其中对农业灌溉用水计量是改革的重要任务．论文以探求适合于小型灌溉泵站计量的经济可行方法为目的，结合江苏省的实际提出了基于现场实测的“以时计水”和“以电计水”灌溉泵站计量方法；阐述了该方法的基本参数、测算原理和测试工具；针对该方法的推广应用和实际操作，总结提出了包括看水位、校仪表、量渠道、测数据、算参数、计水量的六步简明口诀；以江苏省淮安市涟水县涟东灌区周临电灌站为例，对该方法的操作与应用开展了实例分析．实践证明，论文所提出的“以时计水”和“以电计水”计量方法相对经济、简便，可为当地灌溉泵站供水计量方法的选择提供参考，并为农业水价综合改革提供技术支撑，也可以在类似地区推广应用．