農業“以電折水”典型監測站建設分析研究

石家莊市水資源綜合服務中心 楊曉清

1 項目背景

河北省作為水資源匱乏的人口大省，地下水超采總量及超采面積均占全國的1/3，是超采最為嚴重的地區。農業作為河北省最大的社會經濟用水部門，用水量占全省社會經濟用水量的70%左右，且主要依靠地下水作為供水水源。因此，強化農業用水管理、優化農業水源結構、提升農業用水效率是落實國家華北地下水超采綜合治理戰略和解決河北省地下水超采問題的核心抓手。開展農業用水管理的主要問題和首要難點在于解決農業用水，特別是農業用地下水取水的計量和核算問題。河北省現有規模以上農灌機井超過100 萬眼，但由于農灌井“點多、面廣、產權分散”的分布特點，全部采用水表方式進行計量存在一次性投入成本高、工作量大和后期長效管理難等客觀問題。

近年來，為解決農業用地下水取水計量問題，河北省大力推行“以電折水”的農業用水計量核算模式。2017 年，河北省提出了“種植業、林業取用地下水未安裝計量設施的，按電計量、以電折水”，并明確了“以電折水”系數的測算和管理方式。2019 年提出了進一步健全全省地下水監測計量體系，農村地區暫不具備按照國家技術標準安裝計量設施條件的，“要通過以電折水實現用水計量”。2021 年6 月21 日，水利部明確提出了“完善農業取水量折算和推算管理”的要求。

河北省2019～2021 年已建成4619 處農業“以電折水”典型監測站，針對站網密度不足的縣(市、區)，2023年在原有站點基礎上，開展站網加密建設工作。按照全省平原縣基本達到每1000 眼農灌井配置4 眼觀測井和縣級行政單元全覆蓋的標準，全省77 個縣新建1121處“以電折水”典型監測站，通過配置取水量和用電量在線計量監測設備，從而提高了全省以電折水系數的測算精度，并為核算區域農業灌溉地下水開發利用量提供了科學依據。

2 農業灌溉水量監測現狀分析

隨著管理需求的提高，水量核定工作有了更高的要求。農業灌溉水量計量方面存在以下問題：一是農業用水計量監控安裝極少，主要安裝于設施農業等農業用水大戶，但現存機井數量龐大，實現逐井計量難度很大；二是以電折水系數測算成果區域代表性較低，不能充分反映某個區域或某個鄉鎮系數；三是管理粗放難以實現精準計量，農業用水主要是基層百姓，使用和管理過程中操作損壞較多；四是農業機井全部安裝計量設施投資，數目龐大，難以實現。

綜上分析，采用建設“以電折水”長期監測站點的方式，按照空間均衡布局，從經濟角度和實用角度來看，能夠更準確地分析和掌握不同區域的以電折水系數，進而結合用電量數據折算農灌水量。

3 “以電折水”典型監測站建設

3.1 “以電折水”典型監測站建設內容

在區域內“以電折水”典型監測站未覆蓋的鄉鎮，可選擇具有一定代表性的典型農業灌溉機井，建設典型監測站，長期觀測典型機井的農業灌溉用水“以電折水”系數，并實現水量、電量數據的準確計量和穩定傳輸，從而為測算區域農灌“以電折水”系數提供有效數據保障，并依托省綜合業務平臺，為科學開展河北省地下水農業灌溉水量核定提供重要數據依據。

農業“以電折水”典型監測站由水量、電量數據采集傳感器、測控終端（RTU）及通信模塊（DTU）、供電及防雷系統、設備保護設施和必要的管道環境調整五大主要部件組成。太陽能、蓄電池等電源系統為遙測終端機供電，同時，由于使用了市電、太陽能等供電設備，則需要配備防雷系統，多雷電天氣的地區應增強防雷措施。

3.2 監測點布設原則

農業“以電折水”典型監測站的選定應符合典型代表性原則、空間均衡性原則、條件完備性原則及管理方便性原則，所選的典型機井、水泵、動力電纜、提水管道、輸水管道等設備設施應完好且機井水電設備應具有良好線性關系。

3.3 系統總體結構設計

3.3.1 監測系統架構

農業“以電折水”典型監測項目依據“數據采集上報，數據儲存處理，數據展示應用”模式建設，主要由農業灌溉水量“以電折水”監測站、省級數據接收平臺、“河北省農田水利工程運行管理信息系統”三個重要部分組成。

農業“以電折水”典型監測項目的監測系統首先通過監測站點完成數據采集上報工作，傳感器采集水量、電量等數據信號，并將信號傳輸到測控終端機（RTU）對采集的各類信號進行數據轉換，并進行儲存、實時整理、報文生成等處理，最終通過通信模塊（DTU）將數據發送到省級數據接收平臺；省級數據接收平臺完成數據儲存處理工作后，數據由省級數據接收平臺推送至“河北省農田水利工程運行管理信息系統”；系統完成數據展示應用工作。省、市、縣水資源管理部門可以實時查詢農業監測站點的監測數據，了解用水情況。

3.3.2 集中式監測站結構配置

按照周邊環境和安裝形式的不同，監測站結構劃分為分體式測站結構和集中式監測站結構。本文重點介紹集中式測站結構。機井周邊無防護機井房等固定建筑物的考慮集中式，周邊需要占用1*1 平方米空地用于澆筑保護罩水泥基座，其結構圖詳見圖1，集中式監測站設備配置詳見表1。

表1 集中式監測站設備配置表

圖1 集中式測站整體結構圖

3.3.3 數據采集內容

農業灌溉水量監測站點通過流量、電量監測設備以及測控終端對22 項“以電折水”相關數據進行采集工作，包括測站經緯度、開關泵時間、瞬時流量(m3/h)、本次用電量、本次用水量、累計電量(kW.h)、累計流量(m3)、電池電壓(V)等。

3.3.4 監測站點編碼

為保證監測數據準確接入省數據平臺和未來河北省水資源管理各業務系統數據信息共享，對擬建設監測站進行統一編碼設計，監測站編碼是一套監控計量設備的“身份證”，是監測設備與數據中心間進行信息對接的唯一紐帶。數據通訊卡是監測系統數據傳輸的主要組成部分，是將監測設備數據傳輸至數據接收中心的唯一路徑。監測站點、機井編號、數據通訊卡間應建立一一對應關系。

3.3.5 流量監測設備選型原則

目前常用的遠傳流量監測設備按照工作原理設備主要分為電子遠傳水表、超聲波水表、插入式超聲波流量計、電磁流量計四種。流量監測設備選型應符合設備精度最優性、設備環境適應性、區域運行穩定性、設備經濟合理性原則。

3.3.6 電量采集設備選型原則

電量采集設備又稱為電能表，電能表是用來測量電能、采集電量的儀表。電量采集設備選型原則為設備質量指標合格、設備采集功能齊全、設備計量精度最優。

3.3.7 測控終端（RTU）設備參數要求

為保證項目建設的先進性和未來可擴展性，以及為未來河北省水資源監測體系向物聯網高效架構模式轉型升級預留擴展接口和提升潛力，RTU 系統應支持4G 全網通模塊。測控終端及通訊技術主要參數要求如表2 所示。

表2 測控終端及通訊模塊主要技術參數要求

3.3.8 供電系統選型設計

為了使系統穩定運行，不依賴于外部供電，本項目建設農業灌溉水量監測站，供電系統采用太陽能+蓄電池的方式。

3.3.9 防雷系統選型設計

監測站點設備涉及的防雷系統分為2 類，一類為一般型防雷系統，另一類為增強型防雷系統。

4 效益分析

農業“以電折水”典型監測站的建設實施，可以對項目區域以電折水系數測算提供科學依據，再結合農灌用電量實際情況，推算項目區域地下水農業灌溉用水量，從而為核算該區域農業灌溉地下水開發利用量提供科學數據依據，為進一步強化農業用水管理、優化農業水源結構、提升農業用水效率提供有效數據支撐，進而為河北省落實最嚴格水資源管理制度奠定基礎，為推進地下水超采綜合治理提供相關依據。

農業“以電折水”典型監測站的建設實施，反映了區域農灌用水井取水耗電關系，為科學測算農灌地下水實際取水量提供了數據依據，有效完成了農田灌溉取用地下水的計量，為農業灌溉水資源稅的征收提供了依據，促進了水資源稅改革工作的開展，提升了水資源管理的信息化水平。