洪泽区小型灌溉泵站“以电折水”原理分析与实测

陈 波 曹长勋 张玉萍

淮安市洪泽区水利局，江苏淮安 223100

水是生命之源、生产之要、生态之基。兴水利、除水害，事关人类生存、社会进步，历来是治国安邦的大事，随着经济社会发展，我国面临严峻的水资源形势，习近平总书记提出了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”十六字治水方略，深刻分析了当前我国水安全的严峻形势，系统阐释了保障国家水安全的总体要求，明确提出了新时期治水的新思路，为我们强化水治理、保障水安全指明了方向。

1 农业水价改革的意义

目前我国水资源利用效率不高，特别是在农业灌溉中，传统的漫灌和不计量的灌溉方式成为制约节约用水的重要因素，实施农业水价综合改革工作，能够加强农业灌溉用水计量，掌握农业灌溉用水量，提高灌溉用水效率，优化灌水方式和农业灌溉效率，为制定合理的农业水价提供精准的数据支撑，更好地维护农村农业水利设施建设，有助于实现高效水源利用，优化水资源分配，促进农业经济发展，增强我国综合实力。

2 农业水价计量方法研究

目前国内农业灌溉用水的计量，有的采用特设量水设备或方法进行直接计量，有的利用原有的水工建筑物进行量水，或者利用用水定额推算、水泵用电量等数据间接估算，不同的量水方法各有其优缺点和适用性。现有农业水价综合改革试点区小型灌溉泵站计量方法，多用“以时计水”与“以电折水”相结合来精准测算农业用水量，具有量测直观、精度高、计量简便等优点。

首先，选取试点灌溉泵站，收集各个泵站及其渠道的特性数据，采用电磁流量计、超声波流量计等仪器或仪表自动计量现场测试一定时间内泵站抽水量、用电量、出水池水位、渠道水流的流速、水位和流量等基础数据，分析泵站抽水量与时间、用电量等各参数之间的关系，通过数学统计方法进行定量比较分析，研究“计时”或“计电”的方法换算泵站的出水量，制定小型灌溉泵站“以时计水”和“以电计水”计量方法的工作手册，为灌溉泵站计量和农业水价综合改革提供了技术支持。洪泽区水利局与河海大学联合，针对214座未配备计量设施泵站，采用“以电折水”方法测算用水量，以满足计量供水和计量收费要求。

3 “以电折水”原理分析

3.1 出水量计算

泵站抽水过程中，一定时间内的出水量Q可通过计算求得：

式中，q——单位时间过水断面平均流量 （m3/s），即“以时计水”系数，也称为泵站的时间-流量关系系数 （m3/s）；A——过水断面面积 （m2）； v——典型过水断面平均流速 （m/s）；

Q——时间t内水泵抽水的体积 （m2）；t——水泵抽水运行时间 （s）； b1、b2、a：渠道上、下底宽、渠深 （m）；

h——渠道水流稳定时的水深 （m）；m——非矩形渠道 （如梯形渠道） 的边坡系数，无量纲。

根据上述公式以及试验过程中采集得到的数据可求得各个泵站出水量及相关参数。

3.2 “以电折水”出水量参数计算

根据实测的泵站出水量Q和泵站运行过程所消耗的电量E，可以计算泵站稳定运行过程中的“以电折水”参数 （单位用电的出水量） K：

式中：K——泵站的“以电折水”参数 （m3/kW·h）；E——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。

4 试点泵站实例测算分析

选取我区岔河镇境内“岔河泵站”为例，运用“以时计水”和“以电折水”法实测分析泵站出水量，具体步骤及结果如下：

（1） 选择渠道并对泵站的基础信息进行收集，主要包括渠道基本数据、水泵信息等，填于《泵站基础信息记录表》，如表1所示。

表1 泵站流量参数关系系数测量计算表

（2） 该泵站配有独立电表，电表用电量初始读数 （开机电量读数） 为3242.28kW·h，持续时长15min，所用电量1.98kW·h，本次测量共记录45个流速读数。

（3） 根据渠道尺寸和渠道内水流的稳定水深h计算过水断面面积A，岔河泵站计算结果为A=0.146 m2。

（4） 通过判断各次渠道典型断面流速测量过程发现，测量时间内流速较为稳定，所以对每次观测的读数求算术平均值，结果作为本次测量过程的渠道水流流速的平均值。3次测量的流速平均值分别计为v1、v2和v3。为消除测量误差，计算3次流速均值的平均值，结果作为渠道的稳定流速值。经计算，该泵站典型渠道水流流速的为0.49 m/s。

（5） 利用公式 （2） 计算岔河泵站“以时计水”相关结果列于《泵站流量参数关系系数测量计算表》中，如表1所示，求出岔河泵站“以时计水”参数q的计算结果为0.072 m3/s。

可设计增大加料小车斜面，将铜原料倾倒角度改为36°，使铜原料落点靠后至炉体的中心线上，对炉墙及耐火材料的撞击锐减；适当改进和优化耐火砖结构尺寸，使用大规格耐火砖取代小规格耐火砖；严格执行操作技术规程，加强对叉车加料环节的控制，避免因烧空竖炉添加铜原料而造成对竖炉炉砖的冲击；加大对竖炉出铜口、溜槽系统的巡检力度，必要时更换耐火材料。

（6） 校核结果的可靠性。本次实测泵站“以时计水”参数q （即稳定工作流量） 约为0.072 m3/s。经核查，该水泵的额定流量q额为0.14 m3/s，所测泵站实际工作的效率约为50.5%，较额定效率79.3%约低了29%。考虑泵站现状和运行环境，结果基本可靠。所以可以利用“以时计水”参数q来进行灌溉期泵站出水量的估算。

第一次实测开机过程共历时约15min，该段时间内泵站的出水量可以利用公式 （1） 估算为：

因此，泵站运行15分钟的灌溉水出水量约为64.8 m3。

（7） 根据开关机前后的电表读数，求出此运行过程的消耗电量。利用灌溉水出水量和电量计算泵站“以电计水”参数K。泵站第一次实测开机过程前后的电表电量读数分别为3242.28 kW·h和3244.26 kW·h，计算出该时间段消耗的电量为：

进而，求出泵站“以电计水”参数K：

若下一次泵站开机提水灌溉的持续时间是12h、用电量是95.04kW·h，则：

（1） 采用“以时计水”方法计算泵站出水量为：

（2） 采用“以电折水”方法计算泵站出水量为：

由上可知，目前采用“以时计水” 和“以电折水”的测算方法具有较高的准度，可以应用于提水泵站的用水量测算工作。

5 结语

虽然选取泵站的实测结果在允许的误差范围内，但“以电计水”参数不仅受水泵自身参数、渠道参数和电机性能影响，同时也受外部环境影响，因此，需要对不同时期的“以电计水”参数进行校核计算，才能更加准确的反映水电之间的正确关系，实现水电之间的转换。随着信息技术不断发展，大数据时代的到来，都为水电转换实现提供足够的技术支持。借助数据库，收集各种能够影响“以电计水”参数的基础数据，结合计算机强大的数据处理能力，能够实现建立“以电计水”参数的数学模型，更好地应用在农业水价综合改革工作中，不断提升农业水价改革精准度，优化我国水资源分配模式。