北京市农业灌溉用水计量方式比选分析

籍淑芳，李成龙，马永浩

（1.北京北控凤凰城市运营管理有限公司，北京市 100015；2.山东滕州市城乡水务局，山东枣庄 277500；3.北京市华水新源生态环境科技有限公司，北京市 102101）

0 引言

水资源是基础性的自然资源和重要的战略资源。我国是一个水资源严重短缺的国家，水资源供需矛盾突出仍然是可持续发展的主要瓶颈[1]。农业是用水大户，农业用水量约占全国社会用水总量60%，其中90%以上为灌溉用水。我国农业灌溉水有效利用系数和用水效率方面均与发达国家差距巨大，资源浪费现象严重，节水潜力很大[2]。发展农业节水，调整农业发展思路，转变发展方式，在农业用水量基本稳定的同时扩大灌溉面积，提高灌溉保证率，是促进水资源可持续利用、保障国家粮食安全、加快转变经济发展方式的重要举措[3]。

《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》明确指出，“我国农业灌溉水利用率远低于世界先进水平”，提出“重点研究农业高效节水和城市水循环利用技术”，实施“开发灌溉节水、旱作节水与生物节水综合配套技术，重点突破精量灌溉技术、智能化农业用水管理技术及设备”等科技研究。北京是严重缺水的特大型城市。自1999年以来，全市连续干旱，缺水形势严峻。“十五”期间，北京市积极落实市委、市政府提出的“实施最严格的水资源管理制度”以及“向观念要水、向机制要水、向科技要水”的工作要求，推动农业节水，进一步压缩农业用水量[4，5]。

北京市农业用水占全市总用水的1/4，灌溉水利用系数不足0.7，低于发达国家水平（0.8～0.85），还有较大节水潜力。根据《北京市国家经济和社会发展第十四个五年规划和二○三五年远景目标刚要》（2021年1月），北京市要坚持走生态优先、绿色发展之路，积极创建国家生态文明建设示范区和“绿水青山就是金山银山”实践创新基地，引导资源节约型、生态友好型产业项目在生态涵养区落地，打造生态沟域。地下水是重要的战略资源，占全市总用水的80%以上，占农业用水的75%，农业机井用水有效计量是管理节水的关键环节，是灌溉水利用系数测算的前提条件，也是全国落实国务院颁发的《关于实行严格水资源管理制度的意见》的主要考核指标之一[6，7]。目前，北京市农业用水有效计量率不足30%，存在计量方式不合理、产品设计不科学、系统不兼容、功能不健全、计量精度不高、可维护性差等突出问题，严重制约了农业节水事业的健康持续发展。

1 国内外计量现状

1.1 国内外发展现状

目前，世界发达国家已经将农业节水灌溉的中心由灌溉工程建设转移到工程管理和水资源的优化配置上。以缺水著称的以色列，将水资源的开发、利用与管理同国家的生存联系在一起，通过立法的形式保证全国的工业、农业、生活用水统一管理，实现全国降雨、地表水、地下水、再生水的统一分配应用。全部实行定额管理，在整个国家范围内建立了严格的供用水管理体系和合理的水费征收制度，实行用水配额制度，配水定额不仅有量的限制，而且有时间的限制，精确到每小时的用水量，超额不仅加价，且严格限制。采用不同用量不同水价，违反规定严厉处罚，农民根据水量进行布局和组织周年生产，鼓励节约用水，以保证水资源的高效率利用。

长期以来，我国农业用水管理粗放，存在着计量不清、管理随意等诸多问题，主要表现在：一是农业用水计量手段缺乏，计量精度差，收费困难。由于缺乏水表等基本计量设备，我国普遍实行按亩收费或电费折算的办法，同时，由于需要人工收取费用，工作强度大，效率低，且收费困难。二是水价不合理。目前一直沿用政府定价模式，灌溉用水价格低，水费与用水多少没有直接关系，导致农民没有节水积极性，灌溉用水浪费严重。三是管理水平低，信息统计慢。农业供水管理层次和环节较多，农业用水信息需要通过管理机构逐层填报，导致统计周期长、数据准确度差。

1.2 北京市现状及问题

1.2.1 农业用水现状

北京市现有农业灌溉用井32586眼，农业生活用水机井10133眼。2020年农业供水量3.23亿方。在用水管理上，由市水务局下达各区县分行业用水指标，区县分解到乡镇，乡镇用水指标不分配到各农业用水机井，乡镇统筹安排，用水统计主要由农业用水协会或管水员统计上报。在收费方面，灌溉用水没有明确收费政策，75%村镇根据村规民约，收取电费和少量维修费，不足由村委会补贴。在计量方面，2003年在全市安装了机械式水表，2007年在通州进行农业用水计量管理系统试点，2010年扩大试点，目前全市有7个区县安装智能计量系统5055眼，其中10%计量水量，90%是以电计水。

1.2.2 存在的问题

1）计量问题。直接采用水量计量的，采用高端水量传感器，传感器超过3000元/个，价格过高无法大规模推广。采用普通水表则由于水质问题，经常损坏，面临维护成本过高问题。采用水电折算计量，由于采用固定折算系数，不能动态调整，在水文动态变化过程中，折算存在很大误差，引起农民不满。现在急需寻找价格适中、稳定可靠、计量相对精确的计量设备或计量模式。

2）实时传输问题。目前的现场用水管理设备多数具备水电计量功能，但多数不具备数据传输功能，少数具有近距离红外传输功能，造成月系统数据精度低，数据受人为影响因素大，管理层面无法及时了解各农用机井用水情况，无法做到实时监控。管理部门需要及时了解辖区范围内用水情况，以便及时做出决策，应该形成一套可以实时采集、控制、传输的现场控制单元。

3）软件平台。目前软件平台基本只能配合各自厂家的设备进行应用，无法兼容其他厂家设备。同时，每个村安装一套软件，对村级用水管理者提出了过高的计算机软件管理要求，而且软件无法自动将数据及时上报市级管理部门，需要人工操作进行数据上报，这样就增加了人为干预的可能性。因此，应形成一套统一软件平台，随时采集各个农业用水机井的用水状况，软件采用分账户分级管理模式，采用标准的开发协议，所有厂家的设备遵循协议都可以接入，降低运行维护成本。

2 不同计量方式比较

2.1 各种水表性能测试结果

根据北京市农业灌溉用水的特点和农业用水计量设备运行环境特点，选择4类水表，即普通数字式湿式水表、普通干式水表、超声波流量计和水电折算智能计量系统。开展水力性能、低温冻胀、不同含砂率及其他情况下的计量精度等试验，分析各水表的抗磨损、抗冻胀、计量精度及运行维护管理方法等，提出北京市适宜的农业灌溉用水计量方式及其运行管理要求。各种水表的计量精度、不同含砂率下的计量精度以及它们的抗冻耐磨情况。各种水表性能的测试结果见表1。

表1 各种水表性能测试结果统计

分析可知，在常流量下，液封式垂直螺翼水表、液封式水平螺翼水表、干式水平螺翼水表和干式防堵塞水表计量精度较高，都小于2%，可以满足农业灌溉用水的计量要求。北京市农业用水采用地下水灌溉，其含砂率一般处于1/10000左右，由于水质含砂率较小，水质清洁度高，可使用液封式垂直螺翼水表、液封式水平螺翼水表、干式水平螺翼水表和干式防堵塞螺翼水表4种水表。超声波流量计计量精度介于0.7%～1.5%之间，含砂率为1/1000时，计量精度会略受影响，且超声波流量计开始阶段计量数据存在一定的波动性，需要稳定5～10 min后方可计量数据。

2.2 计量精度确保要点

1）根据试验研究，水电折算系数主要受抽水区域地下水富水性、地下水水位埋深、水泵自身参数等因素的影响。北京市在冲洪积扇的上、中、下游不同地区，地下水富水性差异显著，地下水埋深变异性较大，这就决定了不同区县、不同区域的水电折算系数各不相同，而且随着地下水埋深变化存在变幅。

2）根据本研究成果，单井如果能够进行水电折算系数的长系列率定工作，水电折算计量系统的误差率有望控制在10%以内。

3）要想在区域尺度上推广水电折算计量系统，使其在区域尺度上得到更好的计量精度（误差率控制在8%以内），须建立北京市水电折算系数率定网络。针对不同包气带结构、不同地下水埋深条件下，选择不同的水泵类型、种植结构区布置监测点，研究适宜于北京市不同区域、不同工况条件下针对不同地下水埋深、不同包气带情况下以及不同时间段的水电折算系数值。

2.3 各种类型水表特点比较

液封式垂直螺翼水表、液封式水平螺翼水表、干式垂直螺翼水表以及干式防堵塞螺翼水表等普通机械水表结构简单，制造维修方便，成本低经久耐用，运行较可靠不需电源，不需管理软件系统。但是，其需人工抄表，且冬季需要做好排水防冻工作，无其他任何附加功能，无法满足农业用水管理的需求。

超声波流量计等远传水表管理方便快捷，收费及时，可减少抄表的人工和不便，免除抄表等活动打扰，可享受智能化的生活方式。但是，需配备专用管理软件和服务点，以支持产品出现故障后的麻烦，风险较普通水表高，且水表维护成本较大。目前，应用的水电折算计量系统以电计量水量，安装要求与安装一块电表类似，无需安装水表，操作简单，节省了水表的安装与维护成本，但其计量精度不高，需要人工采集数据，且很难实现农业用水定额管理（表2）。

表2 各种类型水表特点统计

3 结语

研究结果表明，普通数字式湿式水表、普通数字式干式水表具有精度较高、维修方便、成本低廉等特点，但需人工抄表，无法满足农业用水智能化管理的要求。超声波流量计可实现水量远传，无需人工抄表，但故障风险和维修成本较前两种水表大。水电折算计量系统以电计量水量，安装一块与电表类似的计量设施，操作简单，但其计量精度不高，需人工采集数据。综合四类水表存在的优缺点，建议针对北京市农业灌溉用水特点和农业用水计量设施运行环境，开发出一种适宜北京市的农业用水计量方式。该方式应具有较高的计量精度、方便的远传功能，自动化校准方式及智能化的用水定额管理功能。