上海市农业水价改革供水计量方法研究

(上海市水利管理处，上海 200002)

农田灌溉用水是上海市重要耗水途径,其用水量占到全市总用水量的20%左右。实施灌溉用水计量，是加强对用水户定量考核，实行总量控制、定额管理，促进节水灌溉发展的重要手段，也是水行政主管部门科学核定取水许可数量、建立水权分配制度的重要依据。国务院于2012年发布了《关于实行最严格水资源管理制度的意见》，上海市人民政府办公厅、上海市水务局也下达了相关文件，要求对农田灌溉用水进行计量。2016年国务院办公厅印发《关于推进农业水价综合改革的意见》，要求“建立农业水权制度，完善供水计量设施”。上海市政府2017年以市政府1号文件印发《上海市人民政府办公厅贯彻<国务院办公厅关于推进农业水价综合改革的意见>的实施意见》，明确上海市改革各项重点任务，明确提出要“结合农田灌溉工程建设改造探索试点多样化计量制度”。

1 上海市灌区基本情况

1.1 灌区分布基本情况

上海市位于长江三角洲东缘，太湖流域下游，东濒东海，南临杭州湾，北依长江口，西接江苏、浙江两省，属平原感潮河网地区，降雨丰沛，全市陆域面积6340km2。上海市灌区数量多而分散，2017年数量多达6683个，除沧海桑田灌区控制灌溉面积达到4万亩，属于中型灌区外，其余均为小灌区。其中，1000亩以上灌区257个，占比仅3.8%。300亩以下小型灌区为上海市灌区的主要类型，占比达47.7%。2017年农业用水占全市用水总量比例约20%，农业生产总值占全市GDP仅1%。上海市各灌区取水方式均为泵站提水，水源为当地河流地表水。

若对每个灌区安装计量设施，不仅投资巨大，而且管理不方便，运行成本高。

1.2 灌区灌溉输水条件

上海市所有灌区均为提水型灌区，灌溉泵站泵型大多数为轴流泵或混流泵，占全市灌溉泵站类型的96.7%，此两类水泵进出水管道的顺直段较短，难以满足现有大部分管道测流设备的安装要求。

上海市灌区作物类型以水稻、蔬菜为主，其中水稻灌溉以渠道和低压管道输水方式为主，蔬菜灌溉以高压管道(喷滴灌)输水方式为主。渠道以混凝土渠道为主，有少量土渠，且多为农渠；低压管道多采用PE管材，有少量混凝土管道，干管管径在600～800mm之间，田间采用地面灌溉方式；高压管道以PE、PVC管居多，干管管径在100～200mm之间。

在两种管道输水方式中，低压管道输水管道埋于地下，且部分输水管道采用混凝土材料，材料均匀度差，给管道测流带来困难。同时部分低压管道灌溉的灌区具有较大的出水池，且出水池连接管道，难以达到流速仪安装的条件。但对于高压管道输水方式，输水管道顺直段较长，口径较小，满足管道量水条件。

2 上海市适宜的测流方法

目前国内农业灌溉用水测流方法大致可归纳为以下几类[1]：

a.灌溉渠系上设有各种类型的配套建筑物，如水闸、渡槽、倒虹吸、涵管、跌水等。这些建筑物的过流符合一定的量水水力学条件，即可用于量水。

b.在断面稳定、没有回水影响的渠段内，设置水尺观测水位，利用率定好的水位-流量关系，求得流量，简便易行，设备费用低，容易为群众所掌握。关键是测流渠段的水流应不受下游节制闸或壅水建筑物回水的影响，如果该断面不为临界水深，往往难以判别，需通过多次过水，凭经验确定。

c.采用特设量水设备测流。特设量水设备一般由行进渠槽、量水建筑物和下游段三部分组成，如量水堰、量水槽等。其通过量水建筑物主体段过水断面的科学收缩，使上下游形成一定的水位差，从而得到较为稳定的水位-流量关系。但不可避免地会带来一定的水头损失，使用时应根据具体边界条件和不同的精度要求，选择相应的特设设备。

d.利用水表、电磁流量计、超声波流量计等仪器自动计量，其结构简单、量测直观、计量简便，同时能累计水量。

e.间接估算方法进行计量，如用水定额推算、水泵用电量、耗油量数据间接估算等。此类方法各地采用较多，因量水设备配套不完善等问题无法进行直接计量的，基本上采用此类方法。

根据上海市灌区的特点，适于该地灌区的取水量计量方法有两种，即直接量测法和间接量测法。

2.1 直接量测法

直接量测法适宜的设备包括水表、电磁流量计、超声波流量计等，通过测定渠道、管道流速，根据过水面积和过水时间，直接测定累积水量。具体分类如下：

a.对于明渠输水灌区，适宜采用旋桨流速仪或超声波流速仪。

b.水质良好的高压输水灌区，采用超声波流量计、电磁流量计；微灌灌区可采用水表。

c.已建成的低压管道灌溉区，出水池较大时，可采用基于体积法的水位-流量法；不能采用该方法时，混凝土管道可采用嵌入式超声波流量计法。

该类方法量测准确度高，但需要专门的仪器设备，建设和运行费用高，且对于管道输水灌区还需要有较长的顺直段，才能满足设备安装要求。上海市在进行泵站信息化改造时，对部分符合安装管道量水设备的灌区，安装了水表、超声波流速仪、电磁流量计等设备直接进行农业用水计量，为泵站取水计量提供了技术支撑。

2.2 间接量测法

间接量测法即电量折算法，是通过获取泵站提水耗电量和单位电量的提水量，对泵站取水量进行测算。电量折算法的理论基础是，在较短时间内，若泵站的净扬程变化不大，泵站单位电量的提水量是稳定的,或者单位电量提水量与净扬程之间有稳定的函数关系，可根据净扬程对其进行修正。上海市采用电量折算法有几个工作基础：

a.上海市各灌区均为提水灌区，有独立的提水泵站，电量获取成本低，可操作性强。加上近年来上海市部分泵站安装了智能电表，可远程在线监测泵站耗电量，为采用电量折算法提供了技术支撑。

b.灌区从河道取水，灌水期间内河水位变化不大，单位电量提水量比较稳定。上海地处南方河网地区，为了防汛排涝安全，各区均对河道水位进行调控，灌溉季节内河水位变幅较小，泵站扬程变化不大。暴雨后水位虽上涨较快，但雨后灌水情况较少，影响不大。因此，灌溉期内泵站净扬程变化较小。对于净扬程变化不大的泵站，其性能曲线变化是稳定的，可通过测定不同扬程下单位电量的提水量，获得两者之间的函数关系。

3 以电折水法及其计算公式

采用以电折水法时，指定灌区作物生育期内的取水量可采用式(1)计算：

(1)

式中：Vg为生育期内灌区取水量，m3；Ws为泵站单位电量的提水量，m3/(kW·h),根据实测结果确定；Ei为灌区泵站第i次灌水的耗电量，kW·h，可由智能电表或普通电表获得；N为生育期内的灌水次数。

当缺少实测条件，无法获取单位电量提水量时，可采用参考泵站法和经验估算法进行估算。

3.1 参考泵站法

根据泵站类型、传动方式、水泵扬程、配套电机、使用年限等参数，参照临近类似灌区实测值取值。

水泵类型是影响单位电量提水量的重要因素。上海市灌区的泵站扬程一般较低。相同扬程条件下，混流泵单位电量的提水量较轴流泵增加5%～10%。因此首先选择相同类型的水泵进行比较。

金山区泵站效率测试结果表明：扬程是影响水泵效率的主要因素。尤其是扬程不在高效区的泵站，扬程变化会导致效率的剧烈变化，见图1。

图1 扬程-效率关系

由图1可以看出，上海市渠道输水灌溉的泵站，绝大部分扬程在1.00～2.00m之间，泵站效率在30%～45%左右。现场调查来看，水泵型号以350ZLB-125居多，其设计扬程3.50m左右，与实际扬程有所差异，导致效率降低，且总体随着扬程的下降而降低。

如松江区的黄泥泾灌溉泵站，测试正常运行工况时扬程为Hst1=1.23m，流量为Q1=0.24m3/s，电机输入功率为P1=8.94kW，装置效率为η1=32.36%；壅高出水池水位后，测试扬程为Hst2=2.12m，流量为Q2=0.21m3/s，电机输入功率为P2=11.24kW，装置效率为η2=38.82%。

因此，在泵型相同时，要选择扬程尽量一致的实测泵站作为参考站。

传动方式对传动效率影响较大。根据现场测试结果分析，采用皮带传动的水泵，较直接传动低4%～8%。但其影响低于扬程的影响。

再次是配套电机。不少泵站存在电机与水泵功率配套不合理现象，存在“大马拉小车”情况，这种配套不合理问题使得电机效率较低，进而影响到泵站的装置效率。因此，要尽量选择水泵和配套电机相同的泵站。

相同情况下，泵站运行年限的增加，会造成机械效率的降低。另外，出水口和控制闸门的老化，也会导致进入渠道系统的水量减少，导致单位电量提水量下降。

3.2 经验估算法

上海市灌溉泵站均为提水泵站，有单独电表，参考该市灌溉泵站多年的灌溉水量和电量的数据成果，可采用式(2)进行用水量的估算：

(2)

式中：Wg为“以电折水”系数，m3/(kW·h)；e为泵站能源单耗(将1000m3水提升1m所消耗的电量)，kW·h/(1000m3·m)；H为泵站提水期平均扬程，m。

e与水泵型号、传动形式、泵站运行年限、管理水平有关。运行年限越长、管理水平越低，该值取值越大。

根据近年来全市小型水泵装置效率测试成果，上海市灌溉泵站e取值区间在5.0～9.5之间(泵站装置效率30%～54%)。对个别设施管护情况较差、年代久远的泵站，取值可扩大到9.5～14.0。

上海市低压灌溉泵站取值区间为3～8m，高压灌溉泵站取值区间为20～40m。在缺少实际扬程时，可采用式(3)进行折算：

H=αH净

(3)

式中：H净为泵站净扬程，m;α为扬程扩大系数，取值在1.1～1.2之间，混流泵取小值，轴流泵取大值。

上海小灌区采用的水泵主要是设计扬程为3～4m和6～8m的两种泵型。由于实际扬程较小，导致效率降低。

a.轴流泵、混流泵：泵站设计扬程为小于等于4m的灌区，e取5.0～9.0。扬程大者、使用年限小者、管理水平高者、采用直联传动者，取小值，否则取大值。

泵站使用年限≤5年、净扬程≥2.0m，取5.0～6.0；

泵站使用年限≤5年、净扬程<2.0m，取5.5～6.5；

泵站使用年限≤10年、净扬程≥2.0m，取6.0～7.0；

泵站使用年限≤10年、净扬程<2.0m，取6.5～7.5；

泵站使用年限≤15年、净扬程≥2.0m，取7.0～8.0；

泵站使用年限≤15年、净扬程<2.0m，取7.5～8.5；

泵站使用年限>15年，取8.0～9.0。

b.轴流泵、混流泵：泵站设计扬程大于4m的灌区，e取7.0～9.5。扬程大者、使用年限小者、管护情况好者、采用直联传动方式的，取小值，否则取大值。

泵站使用年限≤5年、净扬程≥3.0m，取7.0～7.5；

泵站使用年限≤5年、净扬程<3.0m， 取7.5～8.0；

泵站使用年限≤10年、净扬程≥3.0m，取7.5～8.5；

泵站使用年限≤10年、净扬程<3.0m，取8.0～9.0；

泵站使用年限≤15年、净扬程≥3.0m，取8.5～9.0；

泵站使用年限≤15年、净扬程<3.0m，取9.0～9.5；

泵站使用年限>15年，取9.5～14.0。

c.离心泵：e取5.0～7.0。使用年限小者、管理水平高者，取小值，否则取大值。

泵站使用年限≤5年，取5.0～5.5；

泵站使用年限≤10年，取5.5～6.0；

泵站使用年限≤15年，取6.0～6.5；

泵站使用年限>15年，取6.5～7.0。

4 结 语

以电折水法计算公式及e值取值范围的界定，为上海市农业水价综合改革每个灌溉泵站和灌区的农业用水计量提供了操作性较强的方式和方法，为上海市农业用水总量实行定额控制打下了坚实基础。

综上所述，上海市灌区数量多、分布散，灌溉泵站均为小型提水泵站，有独立电表，可采用“按电计量、以电折水”为主的估算方式，辅以水表、电磁流量计等直接计量方式。