洪澤區小型灌溉泵站“以電折水”原理分析與實測

陳 波 曹長勛 張玉萍

淮安市洪澤區水利局，江蘇淮安 223100

水是生命之源、生產之要、生態之基。興水利、除水害，事關人類生存、社會進步，歷來是治國安邦的大事，隨著經濟社會發展，我國面臨嚴峻的水資源形勢，習近平總書記提出了“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”十六字治水方略，深刻分析了當前我國水安全的嚴峻形勢，系統闡釋了保障國家水安全的總體要求，明確提出了新時期治水的新思路，為我們強化水治理、保障水安全指明了方向。

1 農業水價改革的意義

目前我國水資源利用效率不高，特別是在農業灌溉中，傳統的漫灌和不計量的灌溉方式成為制約節約用水的重要因素，實施農業水價綜合改革工作，能夠加強農業灌溉用水計量，掌握農業灌溉用水量，提高灌溉用水效率，優化灌水方式和農業灌溉效率，為制定合理的農業水價提供精準的數據支撐，更好地維護農村農業水利設施建設，有助于實現高效水源利用，優化水資源分配，促進農業經濟發展，增強我國綜合實力。

2 農業水價計量方法研究

目前國內農業灌溉用水的計量，有的采用特設量水設備或方法進行直接計量，有的利用原有的水工建筑物進行量水，或者利用用水定額推算、水泵用電量等數據間接估算，不同的量水方法各有其優缺點和適用性。現有農業水價綜合改革試點區小型灌溉泵站計量方法，多用“以時計水”與“以電折水”相結合來精準測算農業用水量，具有量測直觀、精度高、計量簡便等優點。

首先，選取試點灌溉泵站，收集各個泵站及其渠道的特性數據，采用電磁流量計、超聲波流量計等儀器或儀表自動計量現場測試一定時間內泵站抽水量、用電量、出水池水位、渠道水流的流速、水位和流量等基礎數據，分析泵站抽水量與時間、用電量等各參數之間的關系，通過數學統計方法進行定量比較分析，研究“計時”或“計電”的方法換算泵站的出水量，制定小型灌溉泵站“以時計水”和“以電計水”計量方法的工作手冊，為灌溉泵站計量和農業水價綜合改革提供了技術支持。洪澤區水利局與河海大學聯合，針對214座未配備計量設施泵站，采用“以電折水”方法測算用水量，以滿足計量供水和計量收費要求。

3 “以電折水”原理分析

3.1 出水量計算

泵站抽水過程中，一定時間內的出水量Q可通過計算求得：

式中，q——單位時間過水斷面平均流量 （m3/s），即“以時計水”系數，也稱為泵站的時間-流量關系系數 （m3/s）；A——過水斷面面積 （m2）； v——典型過水斷面平均流速 （m/s）；

Q——時間t內水泵抽水的體積 （m2）；t——水泵抽水運行時間 （s）； b1、b2、a：渠道上、下底寬、渠深 （m）；

h——渠道水流穩定時的水深 （m）；m——非矩形渠道 （如梯形渠道） 的邊坡系數，無量綱。

根據上述公式以及試驗過程中采集得到的數據可求得各個泵站出水量及相關參數。

3.2 “以電折水”出水量參數計算

根據實測的泵站出水量Q和泵站運行過程所消耗的電量E，可以計算泵站穩定運行過程中的“以電折水”參數 （單位用電的出水量） K：

式中：K——泵站的“以電折水”參數 （m3/kW·h）；E——泵站運行過程所消耗的電量 （kW·h）。在實際計算過程中，利用電表的在泵站關機時讀數減去初始讀數，再與電表的互感器倍數R相乘得到。

4 試點泵站實例測算分析

選取我區岔河鎮境內“岔河泵站”為例，運用“以時計水”和“以電折水”法實測分析泵站出水量，具體步驟及結果如下：

（1） 選擇渠道并對泵站的基礎信息進行收集，主要包括渠道基本數據、水泵信息等，填于《泵站基礎信息記錄表》，如表1所示。

表1 泵站流量參數關系系數測量計算表

（2） 該泵站配有獨立電表，電表用電量初始讀數 （開機電量讀數） 為3242.28kW·h，持續時長15min，所用電量1.98kW·h，本次測量共記錄45個流速讀數。

（3） 根據渠道尺寸和渠道內水流的穩定水深h計算過水斷面面積A，岔河泵站計算結果為A=0.146 m2。

（4） 通過判斷各次渠道典型斷面流速測量過程發現，測量時間內流速較為穩定，所以對每次觀測的讀數求算術平均值，結果作為本次測量過程的渠道水流流速的平均值。3次測量的流速平均值分別計為v1、v2和v3。為消除測量誤差，計算3次流速均值的平均值，結果作為渠道的穩定流速值。經計算，該泵站典型渠道水流流速的為0.49 m/s。

（5） 利用公式 （2） 計算岔河泵站“以時計水”相關結果列于《泵站流量參數關系系數測量計算表》中，如表1所示，求出岔河泵站“以時計水”參數q的計算結果為0.072 m3/s。

可設計增大加料小車斜面，將銅原料傾倒角度改為36°，使銅原料落點靠后至爐體的中心線上，對爐墻及耐火材料的撞擊銳減；適當改進和優化耐火磚結構尺寸，使用大規格耐火磚取代小規格耐火磚；嚴格執行操作技術規程，加強對叉車加料環節的控制，避免因燒空豎爐添加銅原料而造成對豎爐爐磚的沖擊；加大對豎爐出銅口、溜槽系統的巡檢力度，必要時更換耐火材料。

（6） 校核結果的可靠性。本次實測泵站“以時計水”參數q （即穩定工作流量） 約為0.072 m3/s。經核查，該水泵的額定流量q額為0.14 m3/s，所測泵站實際工作的效率約為50.5%，較額定效率79.3%約低了29%。考慮泵站現狀和運行環境，結果基本可靠。所以可以利用“以時計水”參數q來進行灌溉期泵站出水量的估算。

第一次實測開機過程共歷時約15min，該段時間內泵站的出水量可以利用公式 （1） 估算為：

因此，泵站運行15分鐘的灌溉水出水量約為64.8 m3。

（7） 根據開關機前后的電表讀數，求出此運行過程的消耗電量。利用灌溉水出水量和電量計算泵站“以電計水”參數K。泵站第一次實測開機過程前后的電表電量讀數分別為3242.28 kW·h和3244.26 kW·h，計算出該時間段消耗的電量為：

進而，求出泵站“以電計水”參數K：

若下一次泵站開機提水灌溉的持續時間是12h、用電量是95.04kW·h，則：

（1） 采用“以時計水”方法計算泵站出水量為：

（2） 采用“以電折水”方法計算泵站出水量為：

由上可知，目前采用“以時計水” 和“以電折水”的測算方法具有較高的準度，可以應用于提水泵站的用水量測算工作。

5 結語

雖然選取泵站的實測結果在允許的誤差范圍內，但“以電計水”參數不僅受水泵自身參數、渠道參數和電機性能影響，同時也受外部環境影響，因此，需要對不同時期的“以電計水”參數進行校核計算，才能更加準確的反映水電之間的正確關系，實現水電之間的轉換。隨著信息技術不斷發展，大數據時代的到來，都為水電轉換實現提供足夠的技術支持。借助數據庫，收集各種能夠影響“以電計水”參數的基礎數據，結合計算機強大的數據處理能力，能夠實現建立“以電計水”參數的數學模型，更好地應用在農業水價綜合改革工作中，不斷提升農業水價改革精準度，優化我國水資源分配模式。