上海市农业水价改革供水计量方法研究

2019-10-30

水资源开发与管理 2019年10期

(上海市水利管理处，上海 200002)

农田灌溉用水是上海市重要耗水途径,其用水量占到全市总用水量的20%左右。实施灌溉用水计量，是加强对用水户定量考核，实行总量控制、定额管理，促进节水灌溉发展的重要手段，也是水行政主管部门科学核定取水许可数量、建立水权分配制度的重要依据。国务院于2012年发布了《关于实行最严格水资源管理制度的意见》，上海市人民政府办公厅、上海市水务局也下达了相关文件，要求对农田灌溉用水进行计量。2016年国务院办公厅印发《关于推进农业水价综合改革的意见》，要求“建立农业水权制度，完善供水计量设施”。上海市政府2017年以市政府1号文件印发《上海市人民政府办公厅贯彻<国务院办公厅关于推进农业水价综合改革的意见>的实施意见》，明确上海市改革各项重点任务，明确提出要“结合农田灌溉工程建设改造探索试点多样化计量制度”。

1 上海市灌区基本情况

1.1 灌区分布基本情况

上海市位于长江三角洲东缘，太湖流域下游，东濒东海，南临杭州湾，北依长江口，西接江苏、浙江两省，属平原感潮河网地区，降雨丰沛，全市陆域面积6340km2。上海市灌区数量多而分散，2017年数量多达6683个，除沧海桑田灌区控制灌溉面积达到4万亩，属于中型灌区外，其余均为小灌区。其中，1000亩以上灌区257个，占比仅3.8%。300亩以下小型灌区为上海市灌区的主要类型，占比达47.7%。2017年农业用水占全市用水总量比例约20%，农业生产总值占全市GDP仅1%。上海市各灌区取水方式均为泵站提水，水源为当地河流地表水。

若对每个灌区安装计量设施，不仅投资巨大，而且管理不方便，运行成本高。

1.2 灌区灌溉输水条件

上海市所有灌区均为提水型灌区，灌溉泵站泵型大多数为轴流泵或混流泵，占全市灌溉泵站类型的96.7%，此两类水泵进出水管道的顺直段较短，难以满足现有大部分管道测流设备的安装要求。

上海市灌区作物类型以水稻、蔬菜为主，其中水稻灌溉以渠道和低压管道输水方式为主，蔬菜灌溉以高压管道(喷滴灌)输水方式为主。渠道以混凝土渠道为主，有少量土渠，且多为农渠；低压管道多采用PE管材，有少量混凝土管道，干管管径在600～800mm之间，田间采用地面灌溉方式；高压管道以PE、PVC管居多，干管管径在100～200mm之间。

在两种管道输水方式中，低压管道输水管道埋于地下，且部分输水管道采用混凝土材料，材料均匀度差，给管道测流带来困难。同时部分低压管道灌溉的灌区具有较大的出水池，且出水池连接管道，难以达到流速仪安装的条件。但对于高压管道输水方式，输水管道顺直段较长，口径较小，满足管道量水条件。

2 上海市适宜的测流方法

目前国内农业灌溉用水测流方法大致可归纳为以下几类[1]：

a.灌溉渠系上设有各种类型的配套建筑物，如水闸、渡槽、倒虹吸、涵管、跌水等。这些建筑物的过流符合一定的量水水力学条件，即可用于量水。

b.在断面稳定、没有回水影响的渠段内，设置水尺观测水位，利用率定好的水位-流量关系，求得流量，简便易行，设备费用低，容易为群众所掌握。关键是测流渠段的水流应不受下游节制闸或壅水建筑物回水的影响，如果该断面不为临界水深，往往难以判别，需通过多次过水，凭经验确定。

c.采用特设量水设备测流。特设量水设备一般由行进渠槽、量水建筑物和下游段三部分组成，如量水堰、量水槽等。其通过量水建筑物主体段过水断面的科学收缩，使上下游形成一定的水位差，从而得到较为稳定的水位-流量关系。但不可避免地会带来一定的水头损失，使用时应根据具体边界条件和不同的精度要求，选择相应的特设设备。

d.利用水表、电磁流量计、超声波流量计等仪器自动计量，其结构简单、量测直观、计量简便，同时能累计水量。

e.间接估算方法进行计量，如用水定额推算、水泵用电量、耗油量数据间接估算等。此类方法各地采用较多，因量水设备配套不完善等问题无法进行直接计量的，基本上采用此类方法。

根据上海市灌区的特点，适于该地灌区的取水量计量方法有两种，即直接量测法和间接量测法。

2.1 直接量测法

直接量测法适宜的设备包括水表、电磁流量计、超声波流量计等，通过测定渠道、管道流速，根据过水面积和过水时间，直接测定累积水量。具体分类如下：

a.对于明渠输水灌区，适宜采用旋桨流速仪或超声波流速仪。

b.水质良好的高压输水灌区，采用超声波流量计、电磁流量计；微灌灌区可采用水表。

c.已建成的低压管道灌溉区，出水池较大时，可采用基于体积法的水位-流量法；不能采用该方法时，混凝土管道可采用嵌入式超声波流量计法。

该类方法量测准确度高，但需要专门的仪器设备，建设和运行费用高，且对于管道输水灌区还需要有较长的顺直段，才能满足设备安装要求。上海市在进行泵站信息化改造时，对部分符合安装管道量水设备的灌区，安装了水表、超声波流速仪、电磁流量计等设备直接进行农业用水计量，为泵站取水计量提供了技术支撑。

2.2 间接量测法

间接量测法即电量折算法，是通过获取泵站提水耗电量和单位电量的提水量，对泵站取水量进行测算。电量折算法的理论基础是，在较短时间内，若泵站的净扬程变化不大，泵站单位电量的提水量是稳定的,或者单位电量提水量与净扬程之间有稳定的函数关系，可根据净扬程对其进行修正。上海市采用电量折算法有几个工作基础：

a.上海市各灌区均为提水灌区，有独立的提水泵站，电量获取成本低，可操作性强。加上近年来上海市部分泵站安装了智能电表，可远程在线监测泵站耗电量，为采用电量折算法提供了技术支撑。

b.灌区从河道取水，灌水期间内河水位变化不大，单位电量提水量比较稳定。上海地处南方河网地区，为了防汛排涝安全，各区均对河道水位进行调控，灌溉季节内河水位变幅较小，泵站扬程变化不大。暴雨后水位虽上涨较快，但雨后灌水情况较少，影响不大。因此，灌溉期内泵站净扬程变化较小。对于净扬程变化不大的泵站，其性能曲线变化是稳定的，可通过测定不同扬程下单位电量的提水量，获得两者之间的函数关系。

3 以电折水法及其计算公式

采用以电折水法时，指定灌区作物生育期内的取水量可采用式(1)计算：

(1)

式中：Vg为生育期内灌区取水量，m3；Ws为泵站单位电量的提水量，m3/(kW·h),根据实测结果确定；Ei为灌区泵站第i次灌水的耗电量，kW·h，可由智能电表或普通电表获得；N为生育期内的灌水次数。

当缺少实测条件，无法获取单位电量提水量时，可采用参考泵站法和经验估算法进行估算。

3.1 参考泵站法

根据泵站类型、传动方式、水泵扬程、配套电机、使用年限等参数，参照临近类似灌区实测值取值。

水泵类型是影响单位电量提水量的重要因素。上海市灌区的泵站扬程一般较低。相同扬程条件下，混流泵单位电量的提水量较轴流泵增加5%～10%。因此首先选择相同类型的水泵进行比较。

金山区泵站效率测试结果表明：扬程是影响水泵效率的主要因素。尤其是扬程不在高效区的泵站，扬程变化会导致效率的剧烈变化，见图1。

图1 扬程-效率关系

由图1可以看出，上海市渠道输水灌溉的泵站，绝大部分扬程在1.00～2.00m之间，泵站效率在30%～45%左右。现场调查来看，水泵型号以350ZLB-125居多，其设计扬程3.50m左右，与实际扬程有所差异，导致效率降低，且总体随着扬程的下降而降低。

如松江区的黄泥泾灌溉泵站，测试正常运行工况时扬程为Hst1=1.23m，流量为Q1=0.24m3/s，电机输入功率为P1=8.94kW，装置效率为η1=32.36%；壅高出水池水位后，测试扬程为Hst2=2.12m，流量为Q2=0.21m3/s，电机输入功率为P2=11.24kW，装置效率为η2=38.82%。

因此，在泵型相同时，要选择扬程尽量一致的实测泵站作为参考站。

传动方式对传动效率影响较大。根据现场测试结果分析，采用皮带传动的水泵，较直接传动低4%～8%。但其影响低于扬程的影响。

再次是配套电机。不少泵站存在电机与水泵功率配套不合理现象，存在“大马拉小车”情况，这种配套不合理问题使得电机效率较低，进而影响到泵站的装置效率。因此，要尽量选择水泵和配套电机相同的泵站。

相同情况下，泵站运行年限的增加，会造成机械效率的降低。另外，出水口和控制闸门的老化，也会导致进入渠道系统的水量减少，导致单位电量提水量下降。