河北省取水在线计量监控项目设计与实施效果分析

□郭中磊 孙佳玮

河北省属于严重资源型缺水省份，地处环渤海和京津两大重点发展地区，是我国东部沿海重要的人口大省、经济大省和粮食大省。近年来，河北经济快速发展，需水量剧增，水资源短缺问题更加凸显。2014 年，河北开展地下水超采综合治理，探索运用工程措施、管理措施开展地下水综合治理工作，明确提出将开展取用水在线计量监控体系建设作为地下水超采综合治理体制创新工作。自2015 年起，河北省开展取用水在线监控体系建设，计划通过强化取水计量和信息化监控能力，有力保障和跟踪全省地下水压采工作的切实落地，为水价改革、水权确权等重要水资源创新管理模式的顺利施行，提供必要的软硬件基础条件。

1.项目建设总体原则

确定监控系统架构形式，首先调查摸底项目区内的取用水户信息，根据规划布局确定安装范围和顺序，同时要提出项目设计原则。

1.1 在线监控项目设计原则

在线监控项目要保证建设标准的统一性，方案设计遵循以下5 点原则。

标准化原则。在线监测站设备硬件、软件以及数据结构方面执行国家、行业标准和规范，保证新建测站、原有测站和系统的无缝对接。

适应性原则。应充分考虑气候、用水行业、水资源管理需求等特征情况，针对项目区自身特点和功能需求选择设备设施。

先进性原则。要充分引进和吸收在线监控领域的最新技术水平，对使用效果已经市场验证且运行稳定的新型先进设备，应优先推荐使用。

经济性原则。应坚持先进性与实用性并重，在坚持使用统一且高标准的基础上，要保障设备价格的合理性和可行性，以最小的投入获得最大的产出。

可维护性和安全性原则。建设完成的设施设备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成本和安全风险。

1.2 监控系统设计架构的确定

取水在线计量监控项目系统架构采用监控点采集数据后直接传输至河北省水资源与节水综合业务平台（以下简称“省平台”），省平台对数据进行处理分析，处理后的数据供各级管理人员使用。在线监控站点设备支持发送多个系统平台，可满足市、县自建平台接收本级数据信息需求。监控站点和省级以下平台数据传输应符合《水文监测数据通信规约》的报文要求，按照每小时1 条上报频率，在正点时刻向省平台报送，市、县自建监控站点低于省平台上报频率，应调整监控站点传输上报频次达到省平台接收要求后，才可以将监控站点数据接入省平台。省、市、县各级水资源管理部门可通过省平台查询监控站点的小时水量和月度计税水量，从而对取用水户进行管理工作。

1.3 取用水户选择

按照相关管理政策和区域用水特点，以及资金的使用效率，突出工作重点，提高在线监测水量覆盖比例，优先选择项目区内取用水量较大用水户安装在线监测设备，作为省级监控的监测站点。按照年取水量大于5 万m3以上、1 万m3~5 万m3、1 万m3以 下 的3 个 层 级安装在线监测设备，逐步实现项目区取用水户在线监控全覆盖。对于地下超采综合治理范围内的企业，按照相关政策有要求停止使用地下水或近期切换为地表水等其他水源需关井等情况，暂不考虑安装在线监控设施。

2.流量计的选型原则

流量计是监测站点中最主要的监测设备，其选型应首要考虑经济原则，计量精度相差较小或较低计量精度即可满足管理需求时，不宜一味追求价格过高的高标准计量设备，可结合资金预算情况，寻求计量精度和投资成本间的最佳平衡点。

2.1 监测站点结构设计原则

监测站点是利用传感器采集数据，并将其传输到数据采集终端Remote Terminal Unit（以下简称“RTU”），数据采集终端RTU 对采集的各类信号进行数据转换，并将转换后的数据进行存储、分析、整理、报文生产等工作，最终通过通信终端Data Transfer Unit（以下简称“DTU”）将数据发送到省平台，市电电池等供电设备为遥测终端机的运行提供电源。监测站点结构选型是根据安装条件和传输要求综合比较分析确定。

2.1.1 分体式监测站及其特点

分体式监测站点主要是将计量设施与遥测终端机分开放置，需要配备设备箱等设备，该类设备一般通过市电、太阳能、蓄电池等电源系统为遥测终端机供电。该类监测站优点：具备充电装置，可适用于发讯频率较高的监测站点。缺点：使用市电、太阳能等供电设备，使得整个系统的防雷性能较差，需要配备防雷系统，如果处于雷电天气的地区，应增强防雷措施。分体式监测站点结构见图1。

图1 分体式监测站点结构

2.1.2 一体式监测站及其特点

一体式监测站点是将遥测终端机、通讯模块等设备集成到一起，不再配备设备箱等相关设备，该类设备的优点是安装简单，不用配备防雷电设备，缺点是该类监测站点利用内置锂电池供电，对于监测频次较高的监测站点，电池寿命相对较短。一体式监测站点结构见图2。

图2 一体式监测站点结构

2.2 流量计的选择

电子远传水表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，直接读取传输水量。超声波水表是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正比于液体的流速，通过计算传播时间的差距获得水流的速度，从而计算出流量。电磁管道流量计是根据法拉第电磁感应定律，通过测量感应电势的大小计算流量。流量计需要根据现场环境、安装条件、测量精度要求和经济性等综合因素比选后确定。

2.2.1 流量计的精度选择

在理想状况下，电磁流量计理论计量精度高于超声波流量计（多声道流量计高于单声道流量计），电子远传水表计量精度最低。因此在设备选型中，应优先考虑设备的基准计量精度水平。但在流量计安装环境良好的条件下，优先考虑电磁流量计和超声波流量计。如现场条件较好，面对两种流量计均能够满足安装条件时，其内部计量原理相同结构不同，应优先选用最稳定的计量结构，例如在可以断水安装计量设施的条件下，应优先选择稳定性更好、后期运维更成熟的管段式设备，尽量避免选用插入式或外夹式的计量安装结构。

2.2.2 流量计使用经验

近年来，全省开展实施了大量取水在线计量监控项目，在项目实施和运行过程中积累了丰富经验，通过梳理总结出设备使用的8 点经验，一是在高含沙水测量环境下，不宜选择电子远传水表和插入式测量设备，其接触部件易损坏；二是强电磁影响环境下，不宜选择脉冲式电子远传表和电磁流量计，设备精度易受干扰，如确需使用的，应最大限度提高设备本身和安装材料的电磁安全屏蔽水平，避免造成异常数据影响；三是计量设施安装环境较差、管护水平较弱的情况下，不宜选择外夹式或插入式计量设备，设备易遭受外部损坏，导致减少设备寿命和降低计量精度，如确需使用此类设备的应增加计量设施保护措施；四是供电条件不稳定时，不宜使用能耗较高的电磁流量计；五是管径小于DN50 的管道，由于不宜安装，因此不宜使用插入式设备；六是平直管段不满足超声波设备要求且不具备改造条件时，可适当考虑更换使用对平直管段长度要求较低的电磁流量计或电子远传水表；七是不可断水安装的场所，应考虑插入式或外夹式等可带水作业的计量设备；八是管道材质为铸铁、塑料等非钢制材料时，选用插入式或外夹式计量设备应添加相应管径的标准卡具。

2.2.3 特殊监控站点流量计的选择

监控站点现场查勘过程中，如无法依据技术条件进行分析选择水量监测设备，确定设备类型，可参照项目区已建设监控点设备选型和实际适应性情况，优先考虑项目区运行较好的监测设备类型，这样选择的设备不仅体现了此类设备在当前环境下的适应性，还体现了此类设备与当地生产管理水平和管理经验的相符性，有利于设备的长期使用和维护。

3.主要设备安装

分体设备安装较为复杂，主要包括流量计、分体式遥测终端机、分体式机箱、太阳能板等设备的安装。

3.1 流量计的安装

为保证计量设备使用精度和稳定性，传感器要选择在管道直径固定的长直管段部分进行安装，具体位置应选择安装在上游具有10 倍以上的管道直径距离（10d）和下游具有5 倍以上管道直径距离（5d）的中间位置，且管段内无任何阀门、泵、高压电和变频器等干扰源。确实无法满足直管段条件的，也可按照长直管道上游5 倍管道直径距离、下游3 倍管道直径距离的中间位置安装。

以管段式为例，首先要切断管道内流水，按上述要求确定安装位置，采用氧焊对管道进行切割，切割面不能有凹凸现象，同时保证切割的距离要满足安装要求。将需要安装的法兰用电焊焊接在前、后直管段上，焊接后要保证法兰的断面与管道垂直，同时保证焊接处牢固无沙眼或漏水。将流量计按照正确的安装方向放置好后，在流量计法兰和安装法兰之间安放橡胶垫片后拧紧。紧固螺丝时应采用力矩扳手对角线方式紧固，均匀用力，防止上偏或受力不均导致橡胶垫片损坏造成的漏水现象。

3.2 分体式遥测终端机安装

遥测终端机（含通讯模块）安装，采用生产厂家出厂预留的安装孔用螺丝紧固于保护箱内，安装完成后需要做好防雨、防尘及保温措施。对于野外安装的设备需要做好防盗及避雷措施。设备安装地点要远离易燃、易腐蚀、强磁及变频等物品或设备，同时应尽量避开屋顶、窗口和管道易漏水等位置，安装完成应清理设备上的手印及污渍。

3.3 分体式机箱安装

机箱安装位置要选择干燥、便于操作的地方，要增加防护、防腐措施，接入机箱的外部线缆要加固，走向美观，室外安装要防止雨水倒灌入机箱。外部线路走线必须穿套管，不得走明线、裸线。机箱内部安装遥测终端机、通讯模块、电源、防雷模块等，通信模块外接天线不能外露，机箱门带锁，进出线均要求密封防水、防尘，防护等级要达到IP65。设备全部安装完成后，安装通讯卡进行调试，保证数据正常传输使用。

3.4 太阳能板安装

太阳能板位置选择在避雷针覆盖区域，靠近RTU 机箱，方向朝南，无遮挡，倾角45°。

4.项目实施效果分析

取水在线计量监控项目建设是实现非农取用水户（工业、生活、服务业）取用水量准确计量的基础性、公益性项目，是水资源税改革的管理需求，是实现水资源管理向动态管理、精细管理、定量管理和科学管理转变的重要标志，具有重要的节水效益、社会效益，以及经济效益。截止目前，全省安装非农取水在线计量监控站点在1.6 万余处，基本实现年取水量1 万m3以上的非农取用水户在线计量监控全覆盖。

4.1 提高水资源管理水平

非农取用水户（工业、生活、服务业）是水资源管理的重要对象，针对非农取用水户取水量在线监控，能够为水资源管理提供可靠的数据依据，减轻水行政主管部门现场抄表和检查工作压力，实现水资源管理的信息化。2020年—2022 年间，全省在线监控水量占总用水量比例由90%提升至96%，在线监控水量占比逐年提高。2020 年—2022 年在线监控水量占非农取用水总量情况见图3。

图3 2020 年—2022 年在线监控水量占比情况柱状图

4.2 提高水资源的调控能力

水资源在线监控项目实施，将为政策制定、强化水资源管理能力和水资源的优化调度进行支撑，从而合理配置生活、生态和工业用水的目标，增强水资源的调控能力，提高水资源可持续利用水平。

4.3 深入推进节约用水

项目实施后，能够实时掌握取用水户用水情况，按照水量征收水资源税，能够有效抑制水资源浪费，将人们日常生产生活与水资源节约保护紧密联系在一起，增强人们对水资源的保护意识，提高水资源开采和利用效率，优化水资源的配置。

5.结语

随着社会经济和科学的发展，信息化已经成为当今世界发展的大趋势，大大推动了经济社会的变革。在提升水源管理水平方面，需要更加精细化的管理，取水在线计量监控项目的实施，可以实时监测取用水户用水量，大大增加水资源管理的信息化水平，有效检验地下水超采综合治理效果，充分保障水资源税合理征收，提高水资源管理工作效率，增强水资源管理的可靠性，为水资源管理提供准确、及时、稳定的数据支撑。□