甘肃盈科灌区农灌机井地下水计量设施升级改造方案探讨

杨海源

(甘肃省张掖市甘州区盈科水利管理所，甘肃 张掖 734000)

0 引言

地下水可持续发展是农业可持续发展的前提和重要元素，对地下水进行科学合理开发利用，是实现社会、经济、环境、资源的最大效益发挥的保障。我国西北地区大部分灌区长期以来，农业灌溉水源主要以机井取用地下水为主，灌溉管理模式粗放简单，地下水开发利用程度较高，对地下水的取用水量难以准确计量，过度开发现象严重。通过井口处安装智能化地下水计量设施，对地下水开发进行精准化管理，是地下水科学保护和建设可持续发展农业的刚性保障。本次以位于甘肃张掖市的盈科灌区为例，对灌区机井现有地下水计量设施升级改造思路及内容进行阐述，以期为类似灌区提供参考依据。

1 盈科灌区概况

张掖市甘州区盈科灌区始建于唐代，灌区属于河井混灌区，以引黑河水灌溉为主、井灌为辅。灌区隶属甘州区水务局，属自收自支事业单位，地处张大公路九公里处，辖新墩、长安、小满、党寨、上秦、梁家墩6个乡(镇)68个行政村，总人口10.6万人。设计灌溉面积22.54万亩，有效灌溉面积22.54万亩，实际灌溉面积19.712 9万亩，其中河灌面积16.6810万亩，纯井灌面积2.606 3万亩，生态林面积0.425 6万亩，农业灌溉多年平均引提水量1.58亿 m3。灌区现已建成干渠4条40.05 km，支渠27条128.58 km，斗渠173条284.87 km，建成斗渠以上各类建筑物764座。灌区共有农业灌溉地下水机电井560眼。

2 灌区水资源状况

灌区所属黑河灌区，灌区范围内无调蓄工程，水资源开发利用程度较高，可供水量基本取决于河道天然来水量，在尚无外来水源的情况下，地表水供水可挖掘潜力不大。按照目前开发利用程度，结合现行的黑河省际分水方案，依据《张掖市黑河甘、临、高三县区水资源分配方案》和《甘州区水资源分配方案》,分配盈科灌区可利用水资源总量为1.256 1亿 m3，其中：地表水资源可利用量为0.871 8亿 m3，地下水可利用量为0.384 3亿 m3。受地层岩性和结构的控制，区内地下水均为第四系松散岩类孔隙水，主要赋存于中上更新统一全新含水层中。地下水位埋深50～80 m左右，地下水位年变幅1 m左右，含水层岩性为砂卵砾石，厚度>200 m，黑河地表水渗入补给地下水，其形式为带状垂直入渗补给，地下水自南东向北西径流，以侧向流出的方式排泄，砂卵砾石渗透系数50～100 m/d。地下水埋藏总的规律是自南向北渐浅，含水层颗粒渐细，并由单一的潜水含水层渐变为多层的潜水—承压水层。南部，含水层厚300～500 m，岩性为砂砾卵石，单井出水量大于5 000 m3/d，水位埋深10～70 m，水质优良。北部沿河岸一带，含水层厚度50～100 m左右，岩性为砂、砂砾石，单井出水量大于1 000 m3/d，地下水位埋深小于5 m。优良水、良好水占92%，极差水仅占8%。极差水仅分布在山丹河附近个别地段。

3 灌区地下水计量设施现状

3.1 地下水灌溉机井现状

盈科灌区现有农业灌溉机电井560眼，大部分为农民集体所有，全部为三相潜水泵取水，水泵功率18.5～55 kw。管径为DN100及DN150极少一部分为DN200的大口径管网，水泵起动方式大部分为交流接触器直接起动，或一部分为自耦降压启动。绝大部分通过管道实现了管灌、滴灌，有的机井同时解决农村饮水问题。机井周边环境大多数较为恶劣，基础设施薄弱，管网不规范。2012-2013年灌区自筹资金分年度安装计量设施560套，计量方式为“以电换水”的计量方式。2016年在原安装设备的基础上加装了远程通讯装置，实现了远程动态监控。

3.2 电力供应及通讯条件

灌区内电网密布，已有多条10 kV输电、供电线路在灌区内通过，施工供电条件很好；但到了灌溉高峰期供电电压不稳，水泵运行电流较大，电网供电半径以外(计量表下端)到水泵供电线路存在老化，线路不规范。区内通信事业较为发达，各乡镇现已全部开通了程控电话，有线、无线通信网络基本形成，电信移动联通信号全覆盖，通讯条件十分便利。

3.3 供水管网现状

灌区供水管网多种多样，有的管网刚出井口就分成两个分支，转直角弯分别供人饮和管灌，有的甚至出井口一个分支直接入滴灌首部装置，另一分支接入人饮水塔(如果管灌尤其是滴灌首部的止回阀故障造成倒灌，滴灌管灌的自动给药及施肥装置内的残留物就会回流到取水井)。总体来看，管网不规范，很多不具备安装水表及阀门的条件，对将来运行管理维护非常不利。

4 地下水资源计量设施运行中存在问题

灌区内涉农灌溉机井560眼，2012-2014年自筹资金安装计量设施560套。由于种种原因现有系统中水资源计量设备运行状况不是很理想，主要原因如下：

(1)计量设备主要是通过计量水泵耗电量换算水量计量收费，功能有限、计量不精准，不便于管理控制机电井，无法满足法定计量标准的要求。

(2)现有设备均为甘肃华峰公司生产的第一代产品，已频临报废，原生产厂家已不生产此类型号产品，无法进行设备更新改造。

(3)受现有设备安装时技术和条件限制，用户很容易改线、拆线或制造故障，系统虽有报警，但用户常以设备故障和急需用水为理由，甩开控制设备取水，绕开计量设施取水现象明显。

(4)设备及系统研发单位在项目区尚未设立售后服务点，专业维护人员少，管理维护计量设施服务工作不到位，尤其在灌溉用水高峰期计量设施出现故障不能及时排除或智能卡不能及时购水，导致取水单位私拆导线绕行强制取水，造成计量设施不能正常计量运行。

5 计量设施升级改造措施及内容

5.1 升级改造思路分析

《甘州区机井管理云平台》已经在甘州区2016年农业水价综合改革项目中建设完成，平台已经实现了甘州区辖区内所有机井的管理和监控部署，本次全新安装的计量设施只需无缝接入《甘州区机井管理云平台》即可，接入平台后主要实现平台监控和平台联动限额水量充值功能。同时升级数据中心应用平台，实现远程充值，远程设参等功能。机井管理云平台建成后能够实现在线监控机井实时数据、并对机井信息、用水信息、水卡信息、水权信息、配水信息进行统计分析和查询浏览。通过定额配水模型，对不同类型的机井进行在线水权分配。能够实现阶梯性水价收费和统计，并对机井进行精细化管理，可在原有平台的基础上实现部分应用功能的升级及改造。

5.2 升级改造后的平台模块及功能

5.2.1 实施监测功能

实施监测模块包括三个子模块：GIS地图显示系统(电子地图)、实时数据、远程监控。

1)GIS地图显示系统

2)实时数据监测系统

实施数据模块能够通过表格形式更加精准和细致的展示机井的基本情况、水泵运行情况、和启动柜运行状态，具体显示内容如下：

机井编码、机井名称、安装地点、采集时间、当前用水量、瞬时流速、剩余水量、网络状态、开关机状态、水泵运行三项电压、水泵运行三项电流等信息。

并具有详细操作功能，能够查看机井的详细信息、历史记录和报警记录信息。

3)远程监控系统

远程监控模块主要是针对机井进行远程操控和远程参数设置，正对定位机井进行远程开泵、远程关泵、实时数据及遥测上报、控制器基本参数远程设置、水表远程清零、控制器远程清零、远程锁机等功能。

5.2.2 统计分析功能

统计分析模块包括六个子模块：机井基本信息查询、配水信息查询、阶梯性水量分配信息查询、机井用水信息查询、售水信息查询、水卡信息查询。统计分析模块主要针对机井基础数据、和实时遥测数据进行统计、检索和分析具体实现功能及要求如下：

1)机井基本信息查询

可以通过机井水管区域、机井行政区域对机井进行检索和定位，进而查询机井编码、机井名称、业主姓名、所属行政区域、所属水管区域、业主电话、设备型号、安装前照片、安装后照片和机井详细查询。

2)配水信息查询功能

可以查询和显示配水名称、配水年份、配水类型、每亩地分配水量、配水轮次、配水价格、配水人员等信息。

3)阶梯性水量分配信息查询

阶梯性水量分配信息查询主要是针对一次配水后无法满足用水户需求水量的，按照水资源管理制度需实行阶梯性水量分配及加价收费，在此处可以查询，阶梯性水量用水户名称、阶梯性水量、执行阶梯性水价、配水人员等基础信息。

4)机井用水信息查询

机井用水信息查询模块分三部分内容，第一部分显示本水管区域内“三条红线”控制水资源总量和查询机井控制水资源总量。第二部分内容显示查询机井的实际用水量、剩余水量、超采水量等基本信息。第三部分内容是通过柱状图显示统计查询区域内机井的实际用水量柱状分布图。同时显示机井日用水量、月用水量、年用水量信息的统计报表。

5)售水信息查询

售水信息查询模块主要是查询各个售水点和水权交易点的售水情况和充值情况，本模块主要显示查询统计区域内机井的已购水量、已用水量、剩余水量、单眼机井售水金额、区域内机井售水金额；并统计水费收缴情况、控制水费收缴情况统计、阶梯性水费收缴统计等内容；并通过柱状图显示售水信息和阶梯性水费收缴信息。

6)水卡信息查询

水卡信息查询主要查询用水卡、设置卡、反写卡的开卡情况、充值情况、挂失情况、注销情况和卡号等基础信息。如下图所示:

5.2.3 智能告警功能

智能告警模块主要包括设备故障告警、异常机井智能分析、用水指标图形分析等五个子模块。

1)设备故障告警

设备故障报警模块是通过智能终端前端监测的实时数据，将前端设备故障进行告警，主要显示设备运行状态、三项电压、三项电流、设备开关门状态、设备供电电压等基本信息，并对超过预警值得设备进行红色灯告警。

2)异常机井智能分析

此处可以通过系统后台数据分析，对有偷水、故意破坏前端设备的行为进行分析，以最大精准度分析查询有异常的机井，并通过短信功能或语音报警功能提醒机井管理员到现场进行执法排查。同时记录检修情况和故障处理情况，使得整个设备保修的过程标准化和流程化。

3)地下水资源分析预测

此功能通过对接国家地下水资源监控的数据，或者在所监控区域内建设地下水水位监控站，通过监控到的实施数据和本区域内在此段时间内抽取的地下水数据总和进行对比分析，进而进行告警。并通过会商和决策限制阶梯性水量出售，严格控制水资源超采和环境破坏。

5.2.4 系统管理功能

系统管理模块主要包括七个子模块：行政区域、水管区域、机井管理、角色管理、用户管理、参数管理和基础信息。

1)行政区域管理

行政区域管理主要是正对项目区的行政管理级别进行设置，进行区域编码设置、区域名称设置、区域级别设置、父区域设置备注和操作功能。

2)水管区域设置

水管区域设置是和行政区域设置同级别并行的两条区域管理，在此处要设置水管区域的相关信息，类似于行政区域设置。

3)机井管理

机井管理是本系统的最基础、最核心的模块，主要是添加机井的前段窗口，需要添加机井的数据如下：

所属水管区、所属行政区、机井水管码、机井行政码、设备编码、机井号牌、设备名称、管道口径、设备型号、井管内径、设备号、泵管材质、DTU号码、成井时间、手机卡号、井深、手机卡运营商、地下水埋深、取水类型、水泵型号、水井经纬度、水泵额定扬程、水泵额定功率、应用状况、水井用途分类、灌溉模式、控制面积、实际灌溉面积、实际供水人口、是否办理取水许可证、取水许可证编号、年取水许可量、是否办理工业取水手续、年核定水量、生产规模、工业区面积、是否安装水量计量设施、计量设施类型、水表型号、水表口径、水表编号、有无水表防护罩、所在地貌类型、水资源区域、所在灌区类型、安装前照片、安装后照片等机井基本参数。

4)角色管理

角色管理功能主要是对不同水管区和不同行政区的管理人员进行模块权限的分配，并可以随时新增、修改、删除此角色。

5)用户管理

用户管理是针对管理员、售水员、配水员以及其它用户进行添加和管理功能。

6)参数设置

参数设置模块主要是设置基本水费执行价格、电流预警阈值、电压预警阈值、功率预警阈值、高峰抽水时间设置、地下水超采预警阈值以及一些其它预警设置。

7)基础信息设置

基础信息设置，是针对系统、前端智能终端控制器、机井的一些基础信息进行设置，具体设置内容如下：

运营商设置、泵管材质设置、取水类型设置、应用状况设置、水井用途分类设置、灌溉模式设置、灌区类型设置、地貌类型设置、计量实施类型设置、机井设备型号设置。

5.2.5 信息发布功能

信息发布模块主要有系统简介及操作流程介绍、以及系统帮助信息查询等功能。

5.2.6 水权管理功能

水权管理模块包括三个子模块：农业用水配水计划、工业用水配水计划、生活用水配水计划。

水权管理模块是按照权限进行发布的，拥有水权管理模块权限的操作员可以对管辖区域内的灌溉用水、工业用水、生活用水机井，按照年次、轮次、水权分配方式对机井进行配水。其配水模式分农业、工业和生活，并按照地亩数、用水人口、工业核定取水量进行本年度不同轮次的配水计划的拟定，只有此处计划生效后，拥有售水充值权限的管理员方可对机井水卡进行充值，机井水卡充值水量受此处配水量的限制。

此模块还具有阶梯性水量分配功能，在控制水量分配完毕时，若用水户需购买加价水量，必须通过此模块对机井进行阶梯性水量、水价分配，前端方可对水卡进行充值。

5.2.7 收费管理功能

收费管理模块包括三个子模块：基本水费收缴、分项费用统计、售水信息查询、远程充值、财务报表统计。

1)基本水费收缴模块

基本水费收缴模块是按照机井基础数据中录入的实际灌溉面积，按亩收取此眼机井的基本水费，并与充值软件进行联动，对没有交清基本水费的机井不进行水量充值。具体展示内容如下：

机井名称、业主姓名、电话号码、控制面积、灌溉面积、基本水费、是否缴纳、报表导出接口。

2)分项水费统计

由于地下水计量设施收费分水资源费、计量水费、末级渠系补偿费用三部分组成，因此此模块在原有功能的基础上进行统计分析升级改造，升级后能够显示单眼机井的机井编码、机井名称、已购水量、购水单价、购水总金额、计量水费、计量水费金额、末级渠系水费、末级渠系水费金额、水资源费、水资源费金额等信息，同时通过柱状图和饼图形式展示数据统计分析。

3)售水信息查询

根据不同水费管理人员或收费站点对计量水费收缴进行统计，对不同收费站点的在配水计划内的已收水费、购买水量、充值金额、充值单价、充值时间、所属行政区、所属水灌区进行数据统计，并通过柱状图对统计内容进行展示。

4)远程充值(新增功能)

用户通过授权可以在平台上对机井进行远程充值操作，若远程充值成功，用水户可以直接操作前端计量设施，进行取水操作。不需要用水卡进行取水。

6 结语

盈科灌区作为以农业灌溉为主的灌区，农业机井地下水计量设施作为终端计量点，是向农户收取水费的依据，极大改变了过去按时间计水或按电量计水的模式，减少因水量不准确带来的矛盾纠纷；通过对现有甘州区机井管理云平台进行升级改造，可以实现对灌区用水户的取水情况进行实时监控，随时掌握用水数据和机井运行状态，极大提高管理水平，同时通过水权管理系统对机井进行先充值后用水的管理模式，解决收费困难的困境。并结合大数据分析模块对偷水、绕越计量设施取水的违法行为进行查处，可以将最严格的水资源管理制度落到实处。