張家港市農(nóng)灌泵站用電量與提水量關(guān)系探析

孟佳陽，程海峰，方 芳，王鳳娥，葉昱辰

(1.張家港市長江防洪工程管理處，江蘇 張家港 215600；2.張家港市供排水管理處，江蘇 張家港 215600；3.張家港市河道管理處，江蘇 張家港 215600；4.張家港市水資源管理處，江蘇 張家港 215600；5.南通大學(xué)，江蘇 南通 226000)

1 概述

目前，我國很多小型農(nóng)田水利工程建于20世紀(jì)中后期，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)落后、資金受限、工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、老化失修嚴(yán)重以及后期管護(hù)不到位等問題，部分農(nóng)田水利設(shè)施產(chǎn)權(quán)不明確，計(jì)量誤差較大，大大增加了農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革的難度[1-2]。2016年前，泵站提水計(jì)量措施一般是直接在水泵進(jìn)水口或出水口安裝流量計(jì)，但由于低揚(yáng)程泵站條件、計(jì)量儀表年限、后期維護(hù)經(jīng)費(fèi)、儀表使用管護(hù)等因素的限制，流量計(jì)法很難取得理想的實(shí)踐效果。為此，崔延松等人借鑒華北地區(qū)井灌的以電折水計(jì)量措施[3]，實(shí)現(xiàn)平原河網(wǎng)地區(qū)以電折水計(jì)量方法[4-5]，該方法具有可適應(yīng)泵站運(yùn)行環(huán)境，具有管理時(shí)效性等優(yōu)點(diǎn)。蘇州市出臺(tái)了《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革試點(diǎn)示范區(qū)建設(shè)的通知》(蘇市水﹝2017﹞211號(hào))，明確了農(nóng)田灌溉泵站提水量的計(jì)量到位是農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革的一項(xiàng)重點(diǎn)工作。結(jié)合省水利廳召開的現(xiàn)場會(huì)精神，蘇州市決定采用“以電折水”即率定用電量與提水量關(guān)系的方式，確定農(nóng)田灌溉用水量，完善經(jīng)濟(jì)適用、滿足管理需要的泵站以電折水計(jì)量措施。在2016—2020年江蘇省農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革工作實(shí)施期間，以電折水方法在蘇州各縣市區(qū)得到大力推廣，并取得了一定的效果。

然而，由于小型農(nóng)業(yè)灌溉泵站數(shù)量較多，實(shí)現(xiàn)所有泵站流量實(shí)測不科學(xué)亦不經(jīng)濟(jì)。許多學(xué)者致力于建立準(zhǔn)確的農(nóng)用灌溉泵站每度電提水量(水電轉(zhuǎn)換系數(shù))與影響因素之間的關(guān)系式，即率定“以電折水”的水電轉(zhuǎn)換系數(shù)[6-8]，但由于水電轉(zhuǎn)換系數(shù)與多個(gè)因素相關(guān)，且相關(guān)性比較復(fù)雜，目前尚未形成統(tǒng)一認(rèn)知。

本文選取張家港41座典型農(nóng)業(yè)灌溉泵站，以流速儀法現(xiàn)場測定單位電量的提水量，即水電轉(zhuǎn)換系數(shù)，得到不同水泵“以電折水”轉(zhuǎn)換系數(shù)隨額定功率的變化規(guī)律，并建立相應(yīng)的率定公式。

2 泵站分類

根據(jù)張家港市農(nóng)田灌溉泵站調(diào)查資料，全市共有農(nóng)田灌溉站745座。其中楊舍鎮(zhèn)65座、金港鎮(zhèn)66座、塘橋鎮(zhèn)36座、鳳凰鎮(zhèn)104座、錦豐鎮(zhèn)135座、樂余鎮(zhèn)27座、南豐鎮(zhèn)197座、大新鎮(zhèn)20座、常陰沙95座。根據(jù)灌溉土壤類型分類，其中沙土61座、砂土66座、粘土7座、黏土20座、壤土398座、沙夾黃193座。根據(jù)是否安裝水表進(jìn)行分類，其中713座沒裝水表、32座裝有水表。

樣點(diǎn)泵站的選擇原則為通過農(nóng)田灌溉泵站的裝機(jī)容量、灌溉渠道形式、土壤類型和是否安裝計(jì)量水表進(jìn)行典型選擇，選取其中一些典型農(nóng)田灌溉泵站進(jìn)行流量測驗(yàn)。通過對(duì)調(diào)查結(jié)果的篩選，選取張家港市范圍內(nèi)41座具有一定代表性的泵站進(jìn)行用電量與提水量關(guān)系率定。樣點(diǎn)泵站選取結(jié)果見表1。根據(jù)鎮(zhèn)別分類，其中楊舍鎮(zhèn)4座、金港鎮(zhèn)7座、塘橋鎮(zhèn)2座、鳳凰鎮(zhèn)4座、錦豐鎮(zhèn)4座、樂余鎮(zhèn)5座、南豐鎮(zhèn)10座、大新鎮(zhèn)6座、常陰沙4座；根據(jù)灌溉土壤類型分類，其中沙土6座、砂土5座、粘土0座、黏土8座、壤土14座、沙夾黃8座；根據(jù)是否安裝水表進(jìn)行分類，其中37座沒裝水表、4座裝有水表。

3 泵站以電折水系數(shù)測定方法及計(jì)算過程

3.1 測定方法

在本研究中，泵站以電折水系數(shù)采用現(xiàn)場灌溉泵站開機(jī)提水，同時(shí)采用流速儀法在渠道斷面處測量其流速，結(jié)合斷面面積確定不同裝機(jī)容量的泵站流量，同時(shí)記錄灌溉泵站開機(jī)提水后電表首尾兩次計(jì)量結(jié)果，根據(jù)電量、流量及時(shí)間等數(shù)據(jù)確定用電量與提水量的關(guān)系，推算每度電提水量，即確定水電轉(zhuǎn)換系數(shù)。

泵站提水流量可由下式表示：

Q=A×V

(1)

式中，Q—渠道流量；A—渠道過水?dāng)嗝婷娣e；V—渠道水流流速。

梯形渠道過水?dāng)嗝婷娣e為：

A=(W上+W下)×h÷2

(2)

式中，W上—渠道過水?dāng)嗝嫔蠈挘籛下—渠道過水?dāng)嗝嫦聦挘籬—渠道過水?dāng)嗝娓叨取?/p>

本次測量的流速儀器為旋杯式流速儀，儀器型號(hào)為LS78，其儀器檢定的流速公式為：

V=a+b×n

(3)

式中，n=N/T；V—水流流速，單位：m/s；a—儀器檢定參數(shù)，取0.0050；b—儀器檢定參數(shù)，取0.7863；N—流速儀轉(zhuǎn)數(shù)；T—流速測驗(yàn)時(shí)間，s。41座典型泵站流量匯總于表1。

水電轉(zhuǎn)換系數(shù)可由下式表示：

D=Q/P

(4)

式中，Q—10min水泵平均出水量，m3；P—對(duì)應(yīng)的水泵耗電量，kW·h；D—水電轉(zhuǎn)換系數(shù)，m3/kWh。

3.2 計(jì)算實(shí)例

楊舍鎮(zhèn)南新村14號(hào)泵站擁有1臺(tái)裝機(jī)容量15kW的水泵，類型為200HW-10，設(shè)計(jì)流量0.15m3/s，灌溉面積3612畝。南新村14號(hào)泵站開機(jī)提水后，水流通過一條明渠流向灌區(qū)，渠道斷面圖如圖1所示，根據(jù)測量的渠道斷面圖計(jì)算得到南新村14號(hào)泵站的水流斷面面積為：

圖1 南新村14號(hào)泵站水文測驗(yàn)渠道斷面圖

A=(W上+W下)×h÷2=(0.70+0.30)×0.41÷2=0.205m2

(5)

水明渠的水流流速，流速儀轉(zhuǎn)數(shù)47轉(zhuǎn)，用時(shí)61s，計(jì)算得到泵站流量為：

V=a+b×n=0.0050+0.7863×47/61=0.610m/s

(6)

Q=A×V=0.205×0.610=0.125m3/s

(7)

楊舍鎮(zhèn)南新村14號(hào)泵站實(shí)測電表數(shù)值如表2所示。在正常開機(jī)提水條件下，3.3分鐘耗電0.76kW·h。

計(jì)算得出每度電提水量為：

198s÷0.76kW·h=260.53s/kW·h

(8)

260.53s/kW·h×0.125m3/s=32.6m3/kW·h

(9)

4 以電折水系數(shù)與裝機(jī)容量的關(guān)系

圖2給出了水電轉(zhuǎn)換系數(shù)D與裝機(jī)容量W的關(guān)系圖。從圖2可看出：各類型泵站的水電轉(zhuǎn)換系數(shù)隨著裝機(jī)容量的增加而不斷增大，但增幅逐漸減小，可由下式表示：

D=10.701(W/W0)0.4347R2=0.7531

(10)

式中，W0—參考裝機(jī)容量，1kW。

表1 張家港市農(nóng)田灌溉泵站基本信息表

表2 泵站實(shí)測電表數(shù)值

為驗(yàn)證上述公式的合理性，專門以表3中鹽城市大豐區(qū)、宿遷市宿城區(qū)4座裝有水表，且依據(jù)體積法及集成法完成復(fù)核的泵站進(jìn)行驗(yàn)證。圖3給出了驗(yàn)證結(jié)果，從圖3中可看出：泵站的水電轉(zhuǎn)換系數(shù)與水泵計(jì)量結(jié)果基本相同，表明依據(jù)流速儀法測定的典型泵站水電轉(zhuǎn)換系數(shù)較為合理，據(jù)此形成的水電轉(zhuǎn)換系數(shù)與裝機(jī)容量的關(guān)系式能很好地用于率定部分泵站的水電轉(zhuǎn)換系數(shù)。

圖2 水電轉(zhuǎn)換系數(shù)D與裝機(jī)容量W的關(guān)系

表3 典型農(nóng)田灌溉泵站

圖3 水電轉(zhuǎn)換系數(shù)率定及驗(yàn)證

5 結(jié)語

本文采用流速儀法對(duì)張家港41座典型農(nóng)灌泵站進(jìn)行實(shí)測，確定各類水泵的水電轉(zhuǎn)換系數(shù)，得到以下結(jié)論：流速儀法可很好地測定農(nóng)灌泵站的流量，進(jìn)而能較為合理的計(jì)算出泵站的水電轉(zhuǎn)換系數(shù)。泵站水電轉(zhuǎn)換系數(shù)隨著泵機(jī)功率的增加而增大，但增幅減小，可用冪函數(shù)表示，且率定結(jié)果與儀器測定值大致相同。

不同于井灌地區(qū)，江蘇等平原地區(qū)農(nóng)業(yè)用水主要采用抽取地表水的方式，得出的水電轉(zhuǎn)換系數(shù)除泵機(jī)功率之外，還有使用年限、泵型等其他因素。因此，有必要在后續(xù)的研究中，進(jìn)一步積累實(shí)測數(shù)據(jù)資料，分析和發(fā)現(xiàn)潛在的影響變量，對(duì)水電轉(zhuǎn)換系數(shù)從理論分析上進(jìn)行完善，在預(yù)測精度上進(jìn)一步提高。