甘肅金昌市清河灌區地下水資源管理

楊永明

(甘肅省金昌市永昌縣清河水利管理處，甘肅 金昌 737206)

清河灌區地下水水源是石羊河流域地表水，灌區地下水綜合補給量8764 萬m3，地下水允許開采量8764 萬m3，現開采量12209.12 萬m3，超采3445.12 萬m3。石羊河流域水資源公報顯示，2013 年漏斗周邊水位埋深8.51～21.38 m，漏斗中心水位埋深15.70 m，灌區內南沙河、長湖子河均無水流。

清河灌區是永昌縣唯一的純井灌區，經過永昌縣2016 年農業水價綜合改革試點項目的順利實施，所有機井完成了智能化計量設施的升級改造，基本實現了水管單位對地下水取水的有效控制。

一、清河灌區生態環境

永昌縣清河灌區位于永昌縣城東北部，東靠民勤縣蔡旗鄉，南以北砂河為界與武威市涼州區相鄰，西以蘭新鐵路為界與永昌縣六壩鄉接壤，北以龍口山、饅頭山為界與金昌市金川區雙灣鄉相接，東西長37 km，南北寬30 km，總面積1005.17 km2，自然縱坡3/1000～17/1000，地勢平坦，區域遼闊。灌區地處石羊河流域的洪積、沖擊平原，境內地貌受構造、巖性、河流等內外引力作用的影響，地勢由西南向東北傾斜。

灌區地處亞洲大陸腹地的中溫帶干旱區，屬大陸性干旱氣候，太陽輻射強，日照充足，夏季炎熱，冬季寒冷，降水少，蒸發強，有較明顯的氣候差異。永昌縣氣象局多年氣象資料表明，該區年平均氣溫4.3～24.3℃，年平均降水量120～130 mm，平均蒸發量是降水量的11 倍，年平均日照時數2933 h，平均風速2.3 m/s，最大風速3.4 m/s，多年凍土層深度1.5 m，全年無霜期150～160 天。

二、地下水資源管理時期

1、無法監管時期

2010 年石羊河流域綜合治理項目實施之前，清河灌區水管單位在機井上無任何管控設備，灌區地下水開采呈無序狀態，群眾隨意抽取，水管單位無法監管。每畝地每年2 元的基本水費征收困難，水管單位無抓手；按方收取的水費由于無計量設施沒有收費依據，無法征收。該時期雖然清河灌區的實際灌溉面積達30萬畝以上，但每年征收的水費只有幾萬元，水資源管理工作無抓手成為制約整個清河灌區水利事業發展的主要因素[1]。

2、基本控制時期

（1）基本硬件設備

葉輪式脈沖水表、智能IC 卡控制模塊、斷路器（加裝勵磁感應線圈的空氣開關）。

（2）設備工作原理

用戶通過IC 卡購水后，將IC 卡中的水量通過接觸刷卡上傳到智能IC 卡控制模塊中，手動閉合斷路器開始用水；用水時葉輪水表計量用水量，并通過脈沖信號將用水信息傳送至控制模塊，沖減模塊中的剩余水量；用戶停止用水時通過刷卡向模塊發送停井信號，模塊收到指令后向斷路器發送信號，通過勵磁線圈自動斷開空氣開關完成停井。若控制模塊中的剩余水量在抽水時耗盡，則控制模塊會自動發出停井指令，空氣開關自動斷開，機井停止抽水，此時用戶無法自行閉合開關，只有通過購買水量刷卡至模塊中才能再次啟動機井抽水[2]。

（3）管理模式

清河水管處在朱王堡鎮、水源鎮水管所設立專門的繳費充水室，用戶攜帶IC 卡到水管所進行交費充水，之后再返回刷卡取水。

（4）管理優點

該套設備的使用使清河灌區水資源管理邁入全新時期，實現了對地下水取水的基本控制，基本水費和水資源費得到了基本保障。

（5）管理缺點

設備采用的水表為葉輪式機械水表，由于清河灌區地下水含沙量較大，葉輪水表極易由于泥沙堵塞發生停止計量故障，進而導致水表傳輸數據不穩定，設備跳閘頻繁，極大地影響了生產生活用水。

設備房為磚混結構，清河灌區每年約有5%～10%機井需要更新，更新后需要重新修建，浪費較大，而且新建房成本較高。

設備管理房設計在井口旁，水泵電纜從設備管理房斷路器引出后接入機井水泵，地面部分電纜掩埋。管理房僅能保護斷路器，管理房到井口的電纜可以輕易挖出，不但存在一定的安全隱患，而且易發生偷水事件。露在管理房外的電纜剪斷后直接與電源連接就會直接繞過計量設備進行取水，給管理工作帶來一定難度。

機井計量設備無遠程傳輸、監控裝置，只有水管員在檢查機井時才會發現計量設備存在的問題，工作強度大大提高。

管理房使用普通掛鎖，易遭到破壞，對內部設備的保護能力不強，易發生偷水事件。

3、有效控制時期

（1）項目基本情況

永昌縣2016 年農業水價綜合改革試點項目，由甘肅省水利廳以甘水水管發〔2016〕93 號文批準建設，項目法人為永昌縣農業水價綜合改革項目建設管理處，建設資金來自中央財政補助資金和地方配套資金。項目于2016 年5 月23 日在金昌市公共資源交易中心網站發布招標公告，2016 年6 月27 日完成招標工作。

工程主要建設內容為：在原有機井智能化設備基礎上升級改造智能化機井計量設施1203 套，其中清河灌區1141 眼，四壩灌區62 眼。建立地下水智能化管理系統1 套。規范建設農民用水者協會24 個。智能化計量設施采用水量計量非常精確的超聲波水表，通過直接安裝在井口的控制柜，達到對機井取水的有效控制，同時實現對機井的遠程控制、實時監控等[3]。

施工中，技術人員發現原設計混凝土結構井口設備箱底座地坪不穩定，易塌陷損壞，同時砼澆施工點多面廣，單點工程量小，砼澆質量不易控制，施工耗時較多。清河水管處工作人員創造性發明了金屬結構底座，大大加快了施工進度，同時也保證了施工質量，該項發明已獲得國家實用新型專利。

（2）基本硬件設備

超聲波水表、智能IC 卡控制模塊（石羊河項目使用的舊模塊）、主控制開關、遠程通訊模塊RTU、內置刷卡電子鎖。

（3）設備工作原理

該套設備工作原理與石羊河項目安裝的計量設施基本相同，用戶通過IC 卡購水后，通過接觸刷卡上傳到卡控制模塊中，手動閉合斷路器開始用水；用水時超聲波水表開始計量用水量，并將用水信息傳送至控制模塊，沖減模塊中的剩余水量；用戶停止用水時通過刷卡向模塊發送停井信號，收到指令后向斷路器發送信號，通過勵磁線圈自動斷開空氣開關完成停井。若控制模塊中的剩余水量在抽水時耗盡，則控制模塊會自動發出停井指令，空氣開關自動斷開，機井停止抽水。

機井運行中，遠程通訊模塊RTU 將用水實時數據通過無線信號發送至灌區信息中心，機井管理員可以登錄管理平臺掌握機井用水的實時信息。管理平臺可以實現遠程停泵功能，管理員在后臺發現機井存在非法取水行為后可以遠程關閉水泵，用戶無法再次自行啟動水泵進行抽水。

（4）管理模式

管理模式與之前石羊河流域項目實施后的管理模式基本一致，用戶攜帶IC 卡到設立在鎮區的水管所進行交費充水，之后返回刷卡取水。

（5）管理優點

采用超聲波水表極大提高了水量計量的精準度。超聲波水表內部無活動部件、無阻流元件，徹底解決了泥沙堵塞水表引起的跳閘問題。

計量設施控制箱直接安裝在井口，沒有外漏的電纜，任何人不能繞過計量設施進行取水。

箱體鎖閉采用內置電磁鎖，只有機井管理員通過專用管理卡刷卡后才能打開設備箱門，基本杜絕了破壞計量設施、繞過計量設施非法取水的問題。

控制箱通過統一尺寸的金屬結構底座與進口連接，在舊井更新時整套設備可以全部轉移至新井繼續使用，極大降低了舊井更新后的二次安裝成本。

新建的機井管理信息平臺實現了對機井的實時遠程監控，通過管理平臺可以全面掌握每眼井的運行狀態。可及時發現存在運行故障的機井，減輕了機井巡查工作強度。

（6）管理缺點

目前使用的核心控制模塊已連續運行6 年以上，設備較為陳舊，時常因短路或模塊本身故障原因引起跳閘。灌溉期跳閘嚴重影響農業生產，再次抽水灌溉時渠道產生的滲漏水量群眾不愿承擔，反映強烈。

目前使用的控制模塊與灌區已安裝的超聲波水表存在匹配問題。超聲波水表計量精準、抗泥沙干擾能力強，但對工作環境要求較高，只有在機井滿管水時才能正常計量。用水高峰期，地下水位急劇下降，部分機井抽水為半管水，水表就無法采集數據。目前使用的控制模塊工作方式為單一的采集水表信息或手動設置時間控制計量，模塊接收不到水表數據時就會向斷路器發出錯誤指令，導致機井頻繁跳閘，嚴重影響農業生產活動，群眾意見較大。

清河灌區1141 眼機井零星分布在清河灌區約1000 km2的土地上。經初步統計，50%以上機井距鎮區水管所超過10 km。用水高峰期現有機井計量設施故障頻發，維修路程較遠，耗時長、成本高，群眾反映強烈，同時也給群眾充水交費帶來一定困難。

三、地下水資源管理優化措施

針對計量設施核心控制模塊較為陳舊、模塊與已安裝的超聲波水表存在匹配缺陷的問題，灌區在2017 年夏秋灌期間試裝了一部分最新的智能集成模塊進行試驗。該模塊在超聲波水表無法采集數據時可將計量方式自動切換為時間計量，當超聲波水表恢復數據采集時又可以自動切換為水表計量，大大降低了跳閘頻率，減輕了機井管理人員的工作強度，群眾滿意度較高。經過試運行，可滿足灌區的機井管理需求，灌區計劃對所有機井計量設施控制模塊進行統一更換。

針對機井分布分散、管理人員維修成本高、群眾交費路程遠的問題，水管處計劃在水源鎮宋家溝村、朱王堡鎮鄭家堡村各成立1 個機井管理站，按片區管理，降低維修時間成本，同時方便群眾充水交費。

為進一步提高灌區機井管理信息化、智能化水平，清河灌區計劃通過“互聯網+”思維，開發一款機井充水交費專用手機APP，用水戶不用到鄉鎮水管所，直接通過手機APP 就能完成充水交費。同時，在各村配備1 臺充值繳費一體機，用水戶可以在家門口完成充水交費，既方便了群眾，又減輕了運行管理成本。