河北省农灌机井“以电折水”计量体系建设与应用

2024-02-26康之增刘云龙

中国水利 2024年1期

刘淼，侯爽，康之增，刘云龙

（1.河北省水利科学研究院，050057，石家庄；2.河北工程大学水利水电学院，056009，邯郸；3.河北省水资源研究与水利技术试验推广中心，050061，石家庄；4.国网河北省电力有限公司，050057，石家庄）

解决农业灌溉用水计量问题是践行习近平生态文明思想、落实水资源刚性约束制度、强化用水总量控制的重要抓手。国家高度重视农业灌溉用水计量工作，2012年水利部组织开展了国家水资源监控能力建设项目，提出要建立取水监测计量体系；2016 年进一步提出实现颁证许可取用水总量80%以上、总用水量50%以上的重点取用水户监测的总体目标，以及重点以上中型灌区渠首在线计量监测全覆盖的具体目标。河北省是农业用水大省，尤其是农业地下水用水量已经达到全省经济社会地下水用水总量的70%左右，同时河北省农业机井存在“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，为解决河北省农业灌溉地下水用水计量问题，河北省不断探索研究有效破解途径，逐步形成农灌机井“以电折水”计量体系。

一、“以电折水”计量理论研究基础

农灌机井“以电折水”计量测算的基本公式如下：

式中，AW为机井农业灌溉取水量，m3；TC为“以电折水”系数，m3/kW·h；AE为机井农业灌溉用电量，kW·h。

可以看出，机井农业灌溉取水量的直接影响因素为机井农业灌溉用电量和“以电折水”系数。机井农业灌溉用电量是指机井在使用过程中用于农业灌溉取水所消耗的电量；“以电折水”系数一般定义为在一定时段内水泵的总用水量和总用电量的比值，决定“以电折水”系数的主要因素为水泵总扬程及水泵效率。

二、河北省“以电折水”计量体系建设历程

河北省农灌机井“以电折水”计量建设工作主要经历前期探索、完善提升和体系形成三个阶段。

1.前期探索阶段

2017—2019年，河北省作为全国水资源税改革首批试点省份，按照国家要求率先开展农业水资源税水量核定工作模式和技术方法的先期探索工作，印发了《河北省农业用水限额及水量核定工作办法》和《河北省农业用水以电折水计量实施细则》，初步建立了“以电折水”计量的机制制度体系；会同河北省电力有限公司和冀北电力有限公司，按照“水随电走、从电计量”的思路，以电力部门最小产权计量单元（电表或变压器）作为农业水资源纳税人，通过一次性摸排建立纳税人档案；在全省范围内选定1000 余眼典型样本井，由省级技术单位通过现场试验方式测算提出县域“以电折水”系数的平均值和上下限范围，指导各县选定系数成果；电力部门逐年根据水行政主管部门提供的纳税人名单提供用电量数据，由水行政主管部门开展年度水量核算。

2.完善提升阶段

2020—2022 年，为进一步强化“以电折水”计量的规范性，切实发挥计量结果对水资源管理业务的支撑作用，河北省在前期工作基础上，对“以电折水”计量体系进行全面提升。一是与河北省电力有限公司和冀北电力有限公司分别签订战略合作协议，明确合作范围和工作机制；二是依托河北省机井电子标识体系，以机井为单位完善水电信息关联；三是在2020 年和2021 年全面建设“以电折水”系数典型监测站网，依据在线监测数据构建面向乡镇、村和单井的三级“以电折水”系数成果体系；四是建立规范数据共享机制，与电力部门形成月频和日频水量折算数据产品服务体系。通过3年建设，河北省农灌机井“以电折水”计量体系已初步建成并具备业务化应用条件。

3.体系形成阶段

自2023 年起，河北省“以电折水”计量体系逐步应用到用水总量管控、用水统计调查、水资源税水量核定、取水井监督管理等工作中，支撑水资源现代化、智能化管控。

三、河北省“以电折水”计量体系框架

农灌机井“以电折水”计量体系的核心内容为水电联合建档、智慧产品赋能、系数迭代优化、监管场景贯通，其中水电联合建档是计量基础，智慧产品赋能和系数迭代优化是计量重点，监管场景贯通是计量目标，四项核心内容相辅相成、缺一不可。

河北省“以电折水”计量体系框架包括水电信息关联建档、典型监测站网建设、“以电折水”系数测算、农业灌溉用电量精准提取、数据共享与信息传递等五大建设内容和推进区域用水总量动态管控、强化取水许可事中事后监管、支撑用水统计调查数据校核、助力农灌机井关停管控工作等四大业务场景应用。

从图1 河北省“以电折水”计量体系框架可以看出，河北省“以电折水”计量模式是全省有关部门在探索以高效率、低成本方式实现海量农灌机井取水计量工作的基础上，通过开展水电信息关联建档等建设内容，在为推进区域用水总量动态管控等业务场景应用提供基本的数据支撑和技术保障过程中，凝练总结出来的具有广泛适用性的一种计量模式。五大建设内容与四大业务场景应用在实施过程中，与计量体系相互促进、相互完善，共同保障河北省农灌机井“以电折水”计量的稳步、有效推进。

图1 河北省“以电折水”计量体系框架

四、体系内涵解析

农灌机井“以电折水”计量体系是河北省在探索实现海量农灌机井取水计量工作过程中形成的具备一般性和可操作性的工作模式，在推进“以电折水”计量体系建设过程中，重点开展了以下几项工作。

1.水电联合建档

开展农灌机井“以电折水”计量工作，首要任务在于建立农灌机井与电力计量设施间的正确关联对应关系。河北省利用3年时间，建立了“水利机井建档、水电联合摸排、信息动态更新”的工作模式，即由水利部门全面掌握农业灌溉机井信息，为农灌机井建立基础信息台账，实现农灌取水井“身份证式”管理。水利和电力部门联合开展农灌机井电力计量设施摸排和建档工作，实现水利部门掌握的机井信息与电力部门掌握的电量计量信息间的跨部门动态档案管理。

2.智慧产品赋能

在农灌机井“以电折水”计量体系建设中，部分电力计量设施既有农灌取水用电，也有其他农业生产用电，若直接利用混合电量会造成农灌机井水量计量结果失真。河北省水利和电力部门共同开展农灌用电量精准提取方法研究，通过现场调研和内业工作，在综合分析农灌用电时空分布特征的基础上，构建基于大数据技术的农灌用电精准提取数据分析模型，以机井的月灌溉次数、月电量、单次灌溉用电量等参数构建特征向量空间，通过聚类分析和模式识别技术自动识别剔除非农灌用电。

3.系数迭代优化

“以电折水”系数测算是实现农灌机井“以电折水”计量的关键环节，其准确性对农灌机井取水计量的准确性具有重要影响。2017—2019 年，河北省通过人工观测的方式，选取典型机井，现场同步测量机井取水量和时段用电量，形成了以县为单位的“以电折水”系数成果集。为进一步优化系数成果，2020年河北省率先开展典型监测站网建设，选取在井深、井龄、机电配套、灌溉形式等方面具有典型区域代表性的在用农灌机井，安装具备远程在线监测能力的水量、电量及其他配套监测设备，同步观测农灌井取水量和用电量，逐次实时计算典型井的“以电折水”系数，为区域“以电折水”系数测算提供数据依据。2022 年，河北省对典型监测站网数据成果进行清洗整编，形成了以乡镇为单元的“以电折水”系数上下限阈值成果及推荐值。

4.监管场景贯通

农灌机井“以电折水”计量体系是河北省取水计量监测体系的重要组成内容。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》提出要建立水资源刚性约束制度，强化农业节水增效，其最基本的内容就是要摸清水量情况，农业是用水大户，其水量准确性尤为重要。“以电折水”计量体系能够进一步精细测算河北省农业灌溉用水量，支撑区域用水总量管控，提高用水统计准确度，助力农灌机井关停管控和取水许可事中事后监管工作落实，对最严格水资源管理制度落实具有重要意义。

五、业务场景应用

1.区域用水总量动态管控

依托水资源税改革和水资源监控能力建设成果，河北省工业、生活、服务业等取水口通过在线计量、图像识别、人工抄报等形式，已基本完成取水计量建设工作。农灌机井“以电折水”计量体系的建设和业务应用，完善了河北省全口径取水口计量监测体系，极大提高了全省取水计量数据的信息化汇聚能力。目前河北省已初步形成了“水量月度统计、灵活许可审批、动态监督预警”的区域用水总量动态管控体系，进一步支撑落实最严格水资源管理制度。

2.取水许可事中事后监管

严格取水许可事中事后监管是落实水资源刚性约束制度的重要抓手之一。为进一步强化取水许可管理，河北在全省范围内开展包括农业灌溉在内的取水许可全覆盖专项行动。针对非规模化、产业化经营的分散个体农户，以村集体作为取水权人，规范开展取水许可审批和取水许可电子证照发放，并将全省合规有效的90多万眼农灌机井全部纳入取水许可管理范围。为破解此类取水许可对象体量大、取水权人履职能力弱等难题，充分发挥农灌机井“以电折水”计量体系在村级农灌取水许可事中事后监管中的作用，按照“取水许可证-农灌机井-电力计量点”间的关联对应关系，以取水许可证为单位，开展“以电折水”计量工作。

3.用水统计调查数据校核

根据《2022 年河北省水资源公报》，2022 河北省农业灌溉用水量97.57 亿m3，占全省当年用水总量的53.5%，其中地下水用水量53.46 亿m3，占全省当年地下水用水总量的74.1%。全省农业灌溉用水中有一半以上为农灌机井供水，但在当前用水统计调查制度框架下，农灌机井用水量大多按照小型灌区进行典型推算，精准度不高。农灌机井“以电折水”计量数据成果能够作为校核县区上报农业灌溉地下水用水量的重要依据，进而进一步提高用水统计调查的数据质量。

4.助力农灌机井关停管控

河北省是我国水资源短缺最严重的省份之一，地下水超采问题突出。近年，河北省通过“节、控、调、管”等一系列治理措施，地下水水位稳步回升。及时跟踪季节性休耕和具备地表水供水条件地区的农业灌溉水源置换已经成为地下水超采综合治理的重要工作之一。2022年春灌时段，河北省依托全省农灌机井“以电折水”计量体系及水电数据产品服务功能，在具备地表水灌溉条件的引黄工程沿线和省管石津灌区覆盖范围内，对农灌机井的启用情况进行逐日实时跟踪，动态分析机井启用数量和取水情况，对已申报关停但仍发现取水行为的农灌机井，及时进行现场核查，杜绝明关暗用现象，实现农灌机井关停管控。