甘肃金昌市清河灌区地下水资源管理

杨永明

(甘肃省金昌市永昌县清河水利管理处，甘肃 金昌 737206)

清河灌区地下水水源是石羊河流域地表水，灌区地下水综合补给量8764 万m3，地下水允许开采量8764 万m3，现开采量12209.12 万m3，超采3445.12 万m3。石羊河流域水资源公报显示，2013 年漏斗周边水位埋深8.51～21.38 m，漏斗中心水位埋深15.70 m，灌区内南沙河、长湖子河均无水流。

清河灌区是永昌县唯一的纯井灌区，经过永昌县2016 年农业水价综合改革试点项目的顺利实施，所有机井完成了智能化计量设施的升级改造，基本实现了水管单位对地下水取水的有效控制。

一、清河灌区生态环境

永昌县清河灌区位于永昌县城东北部，东靠民勤县蔡旗乡，南以北砂河为界与武威市凉州区相邻，西以兰新铁路为界与永昌县六坝乡接壤，北以龙口山、馒头山为界与金昌市金川区双湾乡相接，东西长37 km，南北宽30 km，总面积1005.17 km2，自然纵坡3/1000～17/1000，地势平坦，区域辽阔。灌区地处石羊河流域的洪积、冲击平原，境内地貌受构造、岩性、河流等内外引力作用的影响，地势由西南向东北倾斜。

灌区地处亚洲大陆腹地的中温带干旱区，属大陆性干旱气候，太阳辐射强，日照充足，夏季炎热，冬季寒冷，降水少，蒸发强，有较明显的气候差异。永昌县气象局多年气象资料表明，该区年平均气温4.3～24.3℃，年平均降水量120～130 mm，平均蒸发量是降水量的11 倍，年平均日照时数2933 h，平均风速2.3 m/s，最大风速3.4 m/s，多年冻土层深度1.5 m，全年无霜期150～160 天。

二、地下水资源管理时期

1、无法监管时期

2010 年石羊河流域综合治理项目实施之前，清河灌区水管单位在机井上无任何管控设备，灌区地下水开采呈无序状态，群众随意抽取，水管单位无法监管。每亩地每年2 元的基本水费征收困难，水管单位无抓手；按方收取的水费由于无计量设施没有收费依据，无法征收。该时期虽然清河灌区的实际灌溉面积达30万亩以上，但每年征收的水费只有几万元，水资源管理工作无抓手成为制约整个清河灌区水利事业发展的主要因素[1]。

2、基本控制时期

（1）基本硬件设备

叶轮式脉冲水表、智能IC 卡控制模块、断路器（加装励磁感应线圈的空气开关）。

（2）设备工作原理

用户通过IC 卡购水后，将IC 卡中的水量通过接触刷卡上传到智能IC 卡控制模块中，手动闭合断路器开始用水；用水时叶轮水表计量用水量，并通过脉冲信号将用水信息传送至控制模块，冲减模块中的剩余水量；用户停止用水时通过刷卡向模块发送停井信号，模块收到指令后向断路器发送信号，通过励磁线圈自动断开空气开关完成停井。若控制模块中的剩余水量在抽水时耗尽，则控制模块会自动发出停井指令，空气开关自动断开，机井停止抽水，此时用户无法自行闭合开关，只有通过购买水量刷卡至模块中才能再次启动机井抽水[2]。

（3）管理模式

清河水管处在朱王堡镇、水源镇水管所设立专门的缴费充水室，用户携带IC 卡到水管所进行交费充水，之后再返回刷卡取水。

（4）管理优点

该套设备的使用使清河灌区水资源管理迈入全新时期，实现了对地下水取水的基本控制，基本水费和水资源费得到了基本保障。

（5）管理缺点

设备采用的水表为叶轮式机械水表，由于清河灌区地下水含沙量较大，叶轮水表极易由于泥沙堵塞发生停止计量故障，进而导致水表传输数据不稳定，设备跳闸频繁，极大地影响了生产生活用水。

设备房为砖混结构，清河灌区每年约有5%～10%机井需要更新，更新后需要重新修建，浪费较大，而且新建房成本较高。

设备管理房设计在井口旁，水泵电缆从设备管理房断路器引出后接入机井水泵，地面部分电缆掩埋。管理房仅能保护断路器，管理房到井口的电缆可以轻易挖出，不但存在一定的安全隐患，而且易发生偷水事件。露在管理房外的电缆剪断后直接与电源连接就会直接绕过计量设备进行取水，给管理工作带来一定难度。

机井计量设备无远程传输、监控装置，只有水管员在检查机井时才会发现计量设备存在的问题，工作强度大大提高。

管理房使用普通挂锁，易遭到破坏，对内部设备的保护能力不强，易发生偷水事件。

3、有效控制时期

（1）项目基本情况

永昌县2016 年农业水价综合改革试点项目，由甘肃省水利厅以甘水水管发〔2016〕93 号文批准建设，项目法人为永昌县农业水价综合改革项目建设管理处，建设资金来自中央财政补助资金和地方配套资金。项目于2016 年5 月23 日在金昌市公共资源交易中心网站发布招标公告，2016 年6 月27 日完成招标工作。

工程主要建设内容为：在原有机井智能化设备基础上升级改造智能化机井计量设施1203 套，其中清河灌区1141 眼，四坝灌区62 眼。建立地下水智能化管理系统1 套。规范建设农民用水者协会24 个。智能化计量设施采用水量计量非常精确的超声波水表，通过直接安装在井口的控制柜，达到对机井取水的有效控制，同时实现对机井的远程控制、实时监控等[3]。

施工中，技术人员发现原设计混凝土结构井口设备箱底座地坪不稳定，易塌陷损坏，同时砼浇施工点多面广，单点工程量小，砼浇质量不易控制，施工耗时较多。清河水管处工作人员创造性发明了金属结构底座，大大加快了施工进度，同时也保证了施工质量，该项发明已获得国家实用新型专利。

（2）基本硬件设备

超声波水表、智能IC 卡控制模块（石羊河项目使用的旧模块）、主控制开关、远程通讯模块RTU、内置刷卡电子锁。

（3）设备工作原理

该套设备工作原理与石羊河项目安装的计量设施基本相同，用户通过IC 卡购水后，通过接触刷卡上传到卡控制模块中，手动闭合断路器开始用水；用水时超声波水表开始计量用水量，并将用水信息传送至控制模块，冲减模块中的剩余水量；用户停止用水时通过刷卡向模块发送停井信号，收到指令后向断路器发送信号，通过励磁线圈自动断开空气开关完成停井。若控制模块中的剩余水量在抽水时耗尽，则控制模块会自动发出停井指令，空气开关自动断开，机井停止抽水。

机井运行中，远程通讯模块RTU 将用水实时数据通过无线信号发送至灌区信息中心，机井管理员可以登录管理平台掌握机井用水的实时信息。管理平台可以实现远程停泵功能，管理员在后台发现机井存在非法取水行为后可以远程关闭水泵，用户无法再次自行启动水泵进行抽水。

（4）管理模式

管理模式与之前石羊河流域项目实施后的管理模式基本一致，用户携带IC 卡到设立在镇区的水管所进行交费充水，之后返回刷卡取水。

（5）管理优点

采用超声波水表极大提高了水量计量的精准度。超声波水表内部无活动部件、无阻流元件，彻底解决了泥沙堵塞水表引起的跳闸问题。

计量设施控制箱直接安装在井口，没有外漏的电缆，任何人不能绕过计量设施进行取水。

箱体锁闭采用内置电磁锁，只有机井管理员通过专用管理卡刷卡后才能打开设备箱门，基本杜绝了破坏计量设施、绕过计量设施非法取水的问题。

控制箱通过统一尺寸的金属结构底座与进口连接，在旧井更新时整套设备可以全部转移至新井继续使用，极大降低了旧井更新后的二次安装成本。

新建的机井管理信息平台实现了对机井的实时远程监控，通过管理平台可以全面掌握每眼井的运行状态。可及时发现存在运行故障的机井，减轻了机井巡查工作强度。

（6）管理缺点

目前使用的核心控制模块已连续运行6 年以上，设备较为陈旧，时常因短路或模块本身故障原因引起跳闸。灌溉期跳闸严重影响农业生产，再次抽水灌溉时渠道产生的渗漏水量群众不愿承担，反映强烈。

目前使用的控制模块与灌区已安装的超声波水表存在匹配问题。超声波水表计量精准、抗泥沙干扰能力强，但对工作环境要求较高，只有在机井满管水时才能正常计量。用水高峰期，地下水位急剧下降，部分机井抽水为半管水，水表就无法采集数据。目前使用的控制模块工作方式为单一的采集水表信息或手动设置时间控制计量，模块接收不到水表数据时就会向断路器发出错误指令，导致机井频繁跳闸，严重影响农业生产活动，群众意见较大。

清河灌区1141 眼机井零星分布在清河灌区约1000 km2的土地上。经初步统计，50%以上机井距镇区水管所超过10 km。用水高峰期现有机井计量设施故障频发，维修路程较远，耗时长、成本高，群众反映强烈，同时也给群众充水交费带来一定困难。

三、地下水资源管理优化措施

针对计量设施核心控制模块较为陈旧、模块与已安装的超声波水表存在匹配缺陷的问题，灌区在2017 年夏秋灌期间试装了一部分最新的智能集成模块进行试验。该模块在超声波水表无法采集数据时可将计量方式自动切换为时间计量，当超声波水表恢复数据采集时又可以自动切换为水表计量，大大降低了跳闸频率，减轻了机井管理人员的工作强度，群众满意度较高。经过试运行，可满足灌区的机井管理需求，灌区计划对所有机井计量设施控制模块进行统一更换。

针对机井分布分散、管理人员维修成本高、群众交费路程远的问题，水管处计划在水源镇宋家沟村、朱王堡镇郑家堡村各成立1 个机井管理站，按片区管理，降低维修时间成本，同时方便群众充水交费。

为进一步提高灌区机井管理信息化、智能化水平，清河灌区计划通过“互联网+”思维，开发一款机井充水交费专用手机APP，用水户不用到乡镇水管所，直接通过手机APP 就能完成充水交费。同时，在各村配备1 台充值缴费一体机，用水户可以在家门口完成充水交费，既方便了群众，又减轻了运行管理成本。