多维度农用机井水电转换系数方法研究

吕旺，兰凤，梁雪丽，宋平

（1.河北省水资源研究与水利技术试验推广中心，河北 石家庄 050061；2.衡水市水务局，河北 衡水 053000）

1 研究背景

水资源管理是世界各国普遍关注的重大问题之一，我国水资源管理理念和实践也在不断地完善和创新。占比近62.4%的农业用水水资源管理问题是水资源高效利用的短板[1，2]。长期以来，国家对农业用水实行的是缓征水资源费的保护性政策。

2016年3月，中央确定河北省为全国唯一水资源税改革试点，要求为国家全面开征水资源税提供可复制、可推广的经验和模式，体现了中央用行政和市场“两只手”解决水资源供需矛盾的新的治水思路，也体现了中央对河北省地下水严重超采问题的高度关注[3-5]。河北省农业水价综合改革实施以来，对农业这个用水大户实行定额管理的理念已经逐步深入人心、得到普遍认可，但对农业实行用水计量、超定额征费尚未得到真正落实，主要原因有量大、点多、面广、情况复杂等客观因素[4，5]。

2017年河北省开展了农业水资源费改税工作，如何计量农业地下水开采量成为亟待解决的难题。有关水资源、农水方面专家经过研究，提出通过利用电力部门统计的农业耗电量来折算农业开采地下水量，采用机井水电转换系数间接计量农业年消耗地下水量。实践证明，这是一种比较经济高效的方式[6，7]。

2018年河北省水利厅建成农业灌溉水量统计分析管理信息系统，通过“控总量、提效率、限强度”，利用税收杠杆抑制高耗水农业，鼓励发展高效节水农业，促进农业种植结构调整。这对于有效解决水资源短缺问题和地下水严重超采难题，具有重大的现实意义和深远的历史意义[5]。

2 研究理论

2.1 前提假设

截至2018年底，河北省节水灌溉总面积3 594.25 khm2，其中低压管灌面积（以下简称管灌）2 777.92 khm2，占总面积的77.29%。本研究以管灌灌溉形式为基础。

影响机井水电转换系数的因素很多，主要包括水泵自身特性、地下水水位变化、农村电网变化、不同灌溉方式管道压力、井深、井龄、泵龄等[8，9]。本研究以简化繁，不考虑太多制约因素，利用黑箱子原理，不考虑中间过程只考虑最终输出结果。

2.2 设备介绍

2.2.1 手持式超声波流量计

手持式超声波流量计是用来测量农用机井实际出水量的设备，安装在机井井口出水管上，记录机井单位耗电量的出水量，即机井水电转换系数。该设备在工作中发挥着重要作用，仪器设备能否正确使用直接影响农业用水量的推算。

其标准配置有主机、中型传感器、超声波专用电缆、电源适配器、高强度防护箱、拉紧器、数据线和超声波专用耦合剂等。该设备是用来测量封闭管路液体流量的[10，11]，不会破坏原有工程设施，采用附着式传感器，安装简单易于操作。

采用超声波流量计实测折算系数时，应选择“一井一表”，即机井配有单独电表，方便获得相应时段的耗电量。待机井出水量稳定、接收信号质量达标后读数[12]，读取至少3个时段的用水量及对应的耗电量，分别计算以电折水系数。若系数之间相差超过10%，则剔除异常值，将有效折算系数进行算数平均，得到该井的实测水电转换系数。

2.2.2 机井在线监测设备

一套完整的设备包含10个子装置，即远程测控终端（RTU）、GPRS通信终端（DTU）、管段式超声波流量计、多功能电表、压力计、水位计、防雷系统（包括外部防雷和信号防雷）、防护箱、太阳能供电系统（太阳能、蓄电池、充电保护控制器等）和设备杆等。

设备正常运转后，实时记录水泵工作时的出水量和相应的耗电量，并通过远程测控终端系统传输到计算机上，实现实时监测机井水电转换系数。

2.3 研究方法

2.3.1 机井水电转换系数原理阐释

单眼井的水电转换系数为相同时段内机泵提水量与耗电量的比值[5，13]，即：

式中：μ为以电折水系数（m3/kW·h）；Qw为机泵提水量（m3）；E为机泵提水耗能（kW·h）。

2.3.2 多维度机井水电转换系数阐释

（1）理论值系数。调查登记机井水泵铭牌信息，得到水泵的额定流量、额定功率，从而得到理论水电转换系数，理论水电转换系数μ1=水泵额定流量÷水泵额定功率。

（2）社会调查系数。调查管井农户，了解该井的一些基本信息，如单次灌水亩均灌水量、亩均耗电量、年灌水次数、每小时亩均耗电量、农业电价等，可以推算出调查的水电转换系数，调查水电转换系数μ2=灌溉总用水量÷灌溉总用电量。

（3）实地量测系数。采用手持式超声波流量计，实地测量该井的水电转换系数，实测水电转换系数μ3=累积出水量差值÷累积耗电量差值。

（4）在线监测系数。采用在线计量设备，实时记录机井出水量及相应的耗电量，实时监测该井的水电转换系数，在线监测水电转换系数μ4=出水量÷耗电量。

值得注意的是，灌溉总用水量和灌溉总用电量应为同一时段内数据。

3 多维度方法分析

将以上4种方法进行了三三组合，在张家口市开展了理论值系数—社会调查系数—实地量测系数测试工作；在石家庄、邢台、邯郸、保定、沧州、衡水及辛集市开展了社会调查系数—实地量测系数—在线监测系数测试工作。

3.1 理论值—社会调查—实地量测结合分析

随机选取张家口3个县（区）的7眼农用机井，采用理论值系数、社会调查系数和实地量测系数这3种方法进行机井水电转换系数测试，测试数据详见表1，测试效果对比如图1所示。

图1 测试效果对比

表1 3种方法试验数据

在同一眼机井上，运用3种方法测试机井水电转换系数，从结果来看，得到的系数差距很小，折线几乎是重合的，系数变动趋向是一致的。对这3种方法得到的系数进行误差分析，理论值系数与实地量测系数平均误差为9.08%，社会调查系数与实地量测系数平均误差为4.57%，均小于10%。理论值系数与社会调查系数存在的误差大一些，为15.93%，被调查农户存在很大的主观性是误差较大的主要原因。3种方法的平均误差为6.81%，由此可见3种方法以实地量测数据为基础可以相互佐证，误差分析数据详见表2。

表2 3种方法在同一井中的误差分析

3.2 社会调查—实地量测—在线监测结合分析

在无极、辛集、宁晋等12个县（区）各安装了1套机井在线监测设备，实时监测机井水电转换系数，同时在该地区开展农用机井社会调查系数和实地量测系数的工作。同一县（区）的多眼机井的社会调查系数和实地量测系数分别求算数平均数。将这3种方法获得的系数进行对比分析，测试数据详见表3，测试效果对比如图2所示。

表3 3种方法试验数据

图2 测试效果对比

在同一个县（区），运用以上3种方法，分析机井水电转换系数的差异。分析结果表明，社会调查系数与实地量测系数差距最小，平均误差值为4.55%；社会调查系数与在线监测系数平均误差最大为18.62%；实地量测系数与在线监测系数平均误差为14.74%；3种方法的平均误差为12.63%。从图2可以看出，3种方法研究的系数曲线几乎重合，验证了该方法的科学性。

经分析，误差较大的原因有：①社会调查系数和实地量测系数是以区域为单位收集的数据，而在线监测系数是以点为单位收集的；②社会调查系数调查对象是机井情况的知情人，存在一定的主观性；③农用机井成井质量和运行情况差异性较大。具体情况，详见表4。

表4 3种方法在同一地区中的误差分析

4 结论

（1）采用4种方法进行机井水电系数折算，最终的结果是趋向一致的。在线监测系数是机井真实水电转换系数，由于造价较高，难以大面积推广，但该方法得到的系数值可作为该地区的参考值；水泵理论折算系数是在最优工况条件下的系数值，现实情况很难保证，其系数值可以作为参考值。在同一眼机井上，运用社会调查系数和实地量测系数的平均误差为4.57%；在同一地区运用社会调查系数和实地量测系数的平均误差为4.55%。这2种方法简单易操作，经济适用，又不缺乏科学性，值得推广应用。

（2）具备测量条件的机井可以使用手持式超声波流量计进行实地量测，取多个机井水电转换系数的算数平均值作为该地区的系数；不具备测量条件的可以根据机井调查系数、水泵理论折算系数及该地区机井在线监测系数，综合考虑确定。