农业“以电折水”典型监测站建设分析研究

石家庄市水资源综合服务中心 杨晓清

1 项目背景

河北省作为水资源匮乏的人口大省，地下水超采总量及超采面积均占全国的1/3，是超采最为严重的地区。农业作为河北省最大的社会经济用水部门，用水量占全省社会经济用水量的70%左右，且主要依靠地下水作为供水水源。因此，强化农业用水管理、优化农业水源结构、提升农业用水效率是落实国家华北地下水超采综合治理战略和解决河北省地下水超采问题的核心抓手。开展农业用水管理的主要问题和首要难点在于解决农业用水，特别是农业用地下水取水的计量和核算问题。河北省现有规模以上农灌机井超过100 万眼，但由于农灌井“点多、面广、产权分散”的分布特点，全部采用水表方式进行计量存在一次性投入成本高、工作量大和后期长效管理难等客观问题。

近年来，为解决农业用地下水取水计量问题，河北省大力推行“以电折水”的农业用水计量核算模式。2017 年，河北省提出了“种植业、林业取用地下水未安装计量设施的，按电计量、以电折水”，并明确了“以电折水”系数的测算和管理方式。2019 年提出了进一步健全全省地下水监测计量体系，农村地区暂不具备按照国家技术标准安装计量设施条件的，“要通过以电折水实现用水计量”。2021 年6 月21 日，水利部明确提出了“完善农业取水量折算和推算管理”的要求。

河北省2019～2021 年已建成4619 处农业“以电折水”典型监测站，针对站网密度不足的县(市、区)，2023年在原有站点基础上，开展站网加密建设工作。按照全省平原县基本达到每1000 眼农灌井配置4 眼观测井和县级行政单元全覆盖的标准，全省77 个县新建1121处“以电折水”典型监测站，通过配置取水量和用电量在线计量监测设备，从而提高了全省以电折水系数的测算精度，并为核算区域农业灌溉地下水开发利用量提供了科学依据。

2 农业灌溉水量监测现状分析

随着管理需求的提高，水量核定工作有了更高的要求。农业灌溉水量计量方面存在以下问题：一是农业用水计量监控安装极少，主要安装于设施农业等农业用水大户，但现存机井数量庞大，实现逐井计量难度很大；二是以电折水系数测算成果区域代表性较低，不能充分反映某个区域或某个乡镇系数；三是管理粗放难以实现精准计量，农业用水主要是基层百姓，使用和管理过程中操作损坏较多；四是农业机井全部安装计量设施投资，数目庞大，难以实现。

综上分析，采用建设“以电折水”长期监测站点的方式，按照空间均衡布局，从经济角度和实用角度来看，能够更准确地分析和掌握不同区域的以电折水系数，进而结合用电量数据折算农灌水量。

3 “以电折水”典型监测站建设

3.1 “以电折水”典型监测站建设内容

在区域内“以电折水”典型监测站未覆盖的乡镇，可选择具有一定代表性的典型农业灌溉机井，建设典型监测站，长期观测典型机井的农业灌溉用水“以电折水”系数，并实现水量、电量数据的准确计量和稳定传输，从而为测算区域农灌“以电折水”系数提供有效数据保障，并依托省综合业务平台，为科学开展河北省地下水农业灌溉水量核定提供重要数据依据。

农业“以电折水”典型监测站由水量、电量数据采集传感器、测控终端（RTU）及通信模块（DTU）、供电及防雷系统、设备保护设施和必要的管道环境调整五大主要部件组成。太阳能、蓄电池等电源系统为遥测终端机供电，同时，由于使用了市电、太阳能等供电设备，则需要配备防雷系统，多雷电天气的地区应增强防雷措施。

3.2 监测点布设原则

农业“以电折水”典型监测站的选定应符合典型代表性原则、空间均衡性原则、条件完备性原则及管理方便性原则，所选的典型机井、水泵、动力电缆、提水管道、输水管道等设备设施应完好且机井水电设备应具有良好线性关系。

3.3 系统总体结构设计

3.3.1 监测系统架构

农业“以电折水”典型监测项目依据“数据采集上报，数据储存处理，数据展示应用”模式建设，主要由农业灌溉水量“以电折水”监测站、省级数据接收平台、“河北省农田水利工程运行管理信息系统”三个重要部分组成。

农业“以电折水”典型监测项目的监测系统首先通过监测站点完成数据采集上报工作，传感器采集水量、电量等数据信号，并将信号传输到测控终端机（RTU）对采集的各类信号进行数据转换，并进行储存、实时整理、报文生成等处理，最终通过通信模块（DTU）将数据发送到省级数据接收平台；省级数据接收平台完成数据储存处理工作后，数据由省级数据接收平台推送至“河北省农田水利工程运行管理信息系统”；系统完成数据展示应用工作。省、市、县水资源管理部门可以实时查询农业监测站点的监测数据，了解用水情况。

3.3.2 集中式监测站结构配置

按照周边环境和安装形式的不同，监测站结构划分为分体式测站结构和集中式监测站结构。本文重点介绍集中式测站结构。机井周边无防护机井房等固定建筑物的考虑集中式，周边需要占用1*1 平方米空地用于浇筑保护罩水泥基座，其结构图详见图1，集中式监测站设备配置详见表1。

表1 集中式监测站设备配置表

图1 集中式测站整体结构图

3.3.3 数据采集内容

农业灌溉水量监测站点通过流量、电量监测设备以及测控终端对22 项“以电折水”相关数据进行采集工作，包括测站经纬度、开关泵时间、瞬时流量(m3/h)、本次用电量、本次用水量、累计电量(kW.h)、累计流量(m3)、电池电压(V)等。

3.3.4 监测站点编码

为保证监测数据准确接入省数据平台和未来河北省水资源管理各业务系统数据信息共享，对拟建设监测站进行统一编码设计，监测站编码是一套监控计量设备的“身份证”，是监测设备与数据中心间进行信息对接的唯一纽带。数据通讯卡是监测系统数据传输的主要组成部分，是将监测设备数据传输至数据接收中心的唯一路径。监测站点、机井编号、数据通讯卡间应建立一一对应关系。

3.3.5 流量监测设备选型原则

目前常用的远传流量监测设备按照工作原理设备主要分为电子远传水表、超声波水表、插入式超声波流量计、电磁流量计四种。流量监测设备选型应符合设备精度最优性、设备环境适应性、区域运行稳定性、设备经济合理性原则。

3.3.6 电量采集设备选型原则

电量采集设备又称为电能表，电能表是用来测量电能、采集电量的仪表。电量采集设备选型原则为设备质量指标合格、设备采集功能齐全、设备计量精度最优。

3.3.7 测控终端（RTU）设备参数要求

为保证项目建设的先进性和未来可扩展性，以及为未来河北省水资源监测体系向物联网高效架构模式转型升级预留扩展接口和提升潜力，RTU 系统应支持4G 全网通模块。测控终端及通讯技术主要参数要求如表2 所示。

表2 测控终端及通讯模块主要技术参数要求

3.3.8 供电系统选型设计

为了使系统稳定运行，不依赖于外部供电，本项目建设农业灌溉水量监测站，供电系统采用太阳能+蓄电池的方式。

3.3.9 防雷系统选型设计

监测站点设备涉及的防雷系统分为2 类，一类为一般型防雷系统，另一类为增强型防雷系统。

4 效益分析

农业“以电折水”典型监测站的建设实施，可以对项目区域以电折水系数测算提供科学依据，再结合农灌用电量实际情况，推算项目区域地下水农业灌溉用水量，从而为核算该区域农业灌溉地下水开发利用量提供科学数据依据，为进一步强化农业用水管理、优化农业水源结构、提升农业用水效率提供有效数据支撑，进而为河北省落实最严格水资源管理制度奠定基础，为推进地下水超采综合治理提供相关依据。

农业“以电折水”典型监测站的建设实施，反映了区域农灌用水井取水耗电关系，为科学测算农灌地下水实际取水量提供了数据依据，有效完成了农田灌溉取用地下水的计量，为农业灌溉水资源税的征收提供了依据，促进了水资源税改革工作的开展，提升了水资源管理的信息化水平。