河北省非农取用水户水量在线计量监控方案设计方法综述

侯 爽，刘 淼

（河北省水资源研究与水利技术试验推广中心，050061，石家庄）

河北省属于水资源紧缺省份，自列入全国压减地下水开采量以及水资源税征收试点省份以来，不断推陈出新，利用多种途径降低地下水开采量。非农取用水户是取用水系统的重要组成部分，对其取水量进行有效在线监控，不仅是落实压采政策的需要，更是获取水资源税征收重要依据的需要。

一、在线计量监控安装设计中存在的问题

2014年至今，国家以及河北省陆续投资建设了非农取用水户在线监测点以及河北省水资源管理信息平台。国家以及省级资金建设的在线监测点均通过政务外网将数据统一传输至河北省水资源管理信息平台。近年，在河北省水利厅大力推进下，河北省水资源监控覆盖率快速增长，规模以上取用水户基本实现在线监控全覆盖。但在监控体系建设过程中仍存在一些问题，影响了已建在线监控体系在水资源税改革过程中效能的完整发挥，具体问题如下：

1.技术标准不健全

在水资源监控能力建设的前期设计环节，设计方案中技术标准不够健全，设备相关技术参数不明确，极有可能导致承建单位提供的设备技术参数达不到要求，甚至出现部分承建单位在投标过程中降低部分技术参数标准，导致最低价中标情况的出现，设计方案无法对在线监控体系建设发挥很好的指导作用。

2.精细化水平不足

现状情况下，多数设计方案仅仅考虑设备的成本，不考虑现场计量设施的安装环境，精细化水平不足。根据国家标准，计量设施在标准的建设环境下，才能够满足其计量精度。但是由于前期设计环节中并未进行逐点现场调研，导致设计过程中典型设计环节的缺失，因此现场计量设施的安装多数无法满足计量设施的标准安装要求，影响了在线监控效力的发挥。

3.部分设计环节缺失

在线监控信息的传输过程中，被采集到的信息（主要包含水量、水位、经纬度等）需要通过固定的编码找到指定的数据地址，这种固定的编码称为测站编码。测站编码相当于监控站点的身份ID，具备唯一性。目前，设计方案中缺失对测站编码的设计环节，造成后期承建单位和平台运营商之间编码冲突，出现现场设备编码与平台编码不对应的现象。

4.缺乏科学的资金测算方案

传统的设计方案中，仅仅是针对拟安装设备类型进行简单的资金测算，但是由于前期未考虑现场管道环境对计量设施准确性的影响，无法做到有针对性地进行资金测算，造成资金不合理利用；同时已安装在线计量或者在线计量部分设备损坏的计量点，往往片面地考虑整体更新方式，造成资金浪费。

为此，本文从前期设计入手，为水资源管理人员普及基础知识，并系统总结设计环节所需要的技术要求。

图1 监控系统结构设计图

二、设计思路

1.设计原则

①标准化：系统整体架构、硬件组成、各类编码生成、报文格式以及数据接口方面应严格执行国家与行业相应的标准和规范，保证新建各类测站间、新建测站与原有测站间以及新建测站原信息平台间的无缝对接。

②适应性：应充分考虑气候、主要用水行业、水资源管理需求等特征情况，针对自身特点和功能需求，在系统设计、设备选型、施工方案设计和后期运行维护方案确定等环节进行适应性调整，确保方案可实施、易达效。

③先进性：系统方案设计要充分贴合在线监控领域的最新技术水平，在水量计量设备、RTU设备、系统防护设备以及安装改造方案设计等方面，应高标准确定流量计测量精度、设备功耗、保护等级等主要技术参数标准。

④经济性：方案设计应坚持先进性与实用性并重，在坚持实用和统一高标准的基础上，以最小的投入获得最大的产出。

⑤可维护性和安全性：系统设计方案应便于建设单位后期管理和维护，同时降低建设施工、后期运行和管理维护过程中的安全风险。

2.监控系统结构设计

监测站是利用流量监测设备采集数据，并将其传输到数据采集终端RTU，数据采集终端RTU对数据进行储存、整理实时在线的数据，通过通信终端DTU将数据发送到监控中心，供电设备为遥测终端机的运行提供电源。监控系统可分为分体式和一体式两种结构，如图1所示。

对于分体式监测站，流量计量设施和遥测终端机分开安装，一般计量设施含内置锂电池，遥测终端机利用蓄电池或者市电交流电供电，蓄电池利用太阳能供电系统或者市电充电控制器充电，电池容量需根据实际情况进行参数设置。该类监测站适用于计量设施安装位置信号较差或者计量设施耗电较大的情况。

对于一体式监测站，将遥测终端集成至流量计上，直接将一体式流量计量设施安装在管道上，设备要求流量计和遥测终端分别有独立的大容量锂电池组供电，同时要求电池组更换方便，电池容量需要根据实际情况进行参数设置。该类监测站安装简单，保护方便，但是不适用于地下或者室内等信号不好的环境。

同时，监控系统要求具备防雷系统，包括防雷设备（含电源防雷器、信号防雷器、同轴防雷器）和接地系统，同时具备政务外网传输能力的专用物联卡、设备箱、支架及辅料等相关设备。

3.计量设施选型设计

流量监控设备是监测站点整体结构的基本组成和核心部件，一方面，流量监测设备的准确性决定了整个监测站点的效能和有效性；另一方面，流量监测设备的类型、结构和参数对站点整体设计方案中诸如RTU系统选择、供电系统能力需求、管道环境改造方案等环节产生决定性影响，因此根据现场实际情况选择适当的流量监控设备尤为重要。

（1）电子远传水表

电子远传水表的基本原理是以普通的机械式冷热水表为基础，加上远传输出系统构成，一般分为脉冲发讯水表、脉冲直读水表、光电直读水表3种。

电子远传水表的优点是成本低、采集技术成熟、外部数据线路损坏或断电不影响脉冲计量，可靠性较高；缺点是受水锤、压力不稳等影响会产生累计误差，线缆和维护成本高，在外磁场或管道的抖动下易丢数或加数，造成水表的机械显示和系统电子读数不一致。这类水表机芯防水密封要求高，电子部分和基表嵌入组装设计对制造工艺要求高，周检换表成本较高，适用于周边无较强磁场、管道无抖动的环境。

（2）超声波水表及声学时差法管道流量计

该类计量设施的原理相同，均为当声波在液体中传播时，液体的流动会使顺流以及逆流的传播时间产生变化，并且其传播时间的变化与液体的流速成正比，因此，可通过计算传播时间的差距获得水流的流速，从而求出流量。

超声波水表可分为单声道和双声道两种类型，其优点是静态功耗低、始动流量小、流量范围宽、计量精度较电子远传水表高，缺点是电池6年左右就要更换一次。该类水表适用于水中有些许杂质、现场无供电、对测量精度要求不高的环境。

声学时差法管道流量计可分为插入式、外夹式、管段式3种类型，其优点是计量精度高、无阻流件设计、压力损失小，可双向计量、功耗适中，外夹式和插入式可实现不断水在线安装；缺点是对流场敏感度高，易受干扰，同时对直管段长度要求较高，外夹式需定期维护耦合剂。

（3）电磁管道流量计

电磁管道流量计分为插入式和管段式两种类型，其原理是根据法拉第电磁感应定律，通过测量感应电势的大小来计算流量大小。优点是全电子化设计，线性度好、精确度高，可双向计量；缺点是功耗大，环境适应性弱。该类计量设施适用于精度要求高、周边无磁场干扰的环境。

4.方案设计

（1）计量设施安装方案设计

计量设施的安装环境直接影响着计量设施的计量精度，因此，需要在计量设施安装时充分考虑管道环境的影响，现场环境不同，计量设施的安装方法也有不同。

①当计量设施拟安装位置裸露于地面时，安装位置的周边环境较为清晰，因此可以根据管道材质、管道长直情况判别不同的安装方式。a.若此时管道为长直铸铁管道或者长直塑料硬管，现场管道长度能够满足计量设施“前十后五”（即计量设施上游至少要有10倍管径的直管段，下游要有5倍管径的直管段）要求，则直接安装即可。b.若此时管道为塑料软管，则需要在计量设施上游加装10倍管径的长直铸铁直管段，并在计量设施下游加装5倍管径的长直铸铁直管段。c.若此时管道为铸铁管道或者塑料硬管，但是管道长度不满足要求，则需要通过管道改造的方式（通过添加长直管道、弯头等辅材）达到安装环境要求。

②当计量设施拟安装位置埋藏于地下时，由于拟安装位置不具备正常的安装条件，因此需要新建监控井，并按照计量设施的安装环境要求进行管道改造和标准安装。

（2）RTU设备箱安装方案设计

①分体式流量计。a.室内挂墙安装：对于机井或计量设施处于井房、泵房等保护性建筑物内，且不影响无线通信信号收发的监控点，可优先选择RTU设备箱室内挂墙安装方案。b.室外挂墙安装：对于机井或计量设施处于井房、泵房等保护性建筑物内但建筑物影响无线通信信号收发的监控点，及计量设施位于室外但周边有可利用建筑物的监控点，可采用室外挂墙安装方案，并选择满足相应防护要求的RTU设备箱。c.立杆安装：对于计量设施周边无可利用建筑物的监控点，可选择现场竖立设备杆，RTU设备箱采用设备杆安装方案

②一体式流量计。对于一体式流量计，RTU设备箱应跟随计量设施安装。

（3）供电系统安装方案设计

供电系统一般分为电池直流供电、市电交流供电、太阳能蓄电池供电3种独立供电系统，可以交叉使用，作为备用电源以提高电源保证率。

当使用电池直流供电时，电池供电安装可集成于一体式计量设施中，也可直接安装在RTU设备箱中。

当使用太阳能蓄电池供电时，现场有可利用建筑物的，可将太阳能供电系统安装在建筑物屋顶或外立面；现场无可利用建筑物的，可将太阳能供电系统依托于RTU设备杆进行安装

（4）计量设施保护措施

针对传感器处于室外无保护措施的计量点，需要安装保护设施：一是可以直接设置水泥水表池，将所有设施全部封闭于水泥水表池内；二是针对不同的传感器类型，如管段式、插入式或者外夹式计量设施，安装不同形式的计量设施保护罩。

三、结 论

随着水资源税改革的不断深入，取用水户用水量的准确计量不仅关系到国家税收以及法律的强制执行力，更关系到水资源的合理开采和利用。对于长期缺水的河北省来说，非农取用水户用水量作为水资源开采和使用的重要组成部分之一，对其进行准确的计量监控，并利用在线监测数据征收水资源税，不仅能够减轻基层水资源管理部门的工作量，全面提升河北省水资源管理水平，还能够防止人为因素造成偷税漏税行为，增强河北省水利信息化水平，为实施最严格水资源管理制度提供技术支撑。

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