管道型取水監測計量能力提升技術研究

孫 健，喬 婧，張淑玲，萬 毅，陳興茹

（1. 水利部水資源管理中心，北京 100038； 2. 南水北調中線實業發展有限公司，北京 100038；3. 中國水利水電科學研究院，北京 100038）

0 引 言

中國水資源問題十分突出，尤其是水資源短缺、旱澇災害以及與水相關的生態環境已經成為我國社會經濟發展重要的制約因素［1］。中國水資源具有年際變化大、分布不均的特點［2］，近年來，受氣候條件、人類活動等因素影響，我國水資源情勢呈現新的變化，水資源的質量下降、功能減退［3］，水資源管理面臨嚴峻挑戰，開始從水資源內部管理轉向外部社會化管理階段［4］。從稟賦看，北缺南豐［5］的特征更加明顯。從現狀看，水資源緊缺［6］問題十分突出。從趨勢看，水資源供需形勢依舊嚴峻［7］。加強取用水管理是嚴格水資源源頭管控［8］、強化水資源剛性約束［9］的重要內容。取水口作為取用水行為的首要設施，加強其取水量監測計量是強化取用水監管不可或缺的基礎性、關鍵性工作。

因缺乏基礎數據，2011年之前尚未建立全國范圍的取水口臺賬和統計體系，前人研究主要集中單個或小區域范圍內的取水口設計建設［10-12］、水流［13-15］和水質［16-18］等方面。2011 年開展的水利普查工作完成了68萬個河湖取水口基礎信息匯集，以及近400 萬個規模以上機電井的概要信息［19］。2019 年水利部在長江流域開展了取水設施核查登記工作。2020 年水利部啟動全國取用水管理專項整治行動，基本摸清了全國550 多萬個取水口（含規模以上機井）的分布和取水情況，初步掌握水資源開發利用管理現狀，對取水監測計量情況也有了更清晰的認識。通過對比水利普查和取用水管理專項整治行動數據，可發現隨著我國社會經濟快速發展，全國取水口本底情況和監測計量能力均發生顯著變化。2012 年至2018 年開展的兩期國家水資源監控能力建設項目提出了取水口監測的技術要求（項目標準），建成2 萬戶約4 萬個國控項目取用水監測點，顯著提升了取水口在線監測計量水平。據統計，已實施監測計量的取水口中，管道型是主要類型，約占總數的85%。明渠型數量占比小，但很多是灌區渠首或引調水工程口門，監測計量的水量規模較大。

1 研究方法和有關術語

1.1 研究方法

研究資料來源主要為水利部組織開展的取用水專項整治行動，依托全國取用水管理專項整治信息系統平臺，經過基礎數據信息處理，研究取水口監測計量數據。在赴漢江流域和東江流域開展的實地調研中，獲得水資源管理和取水口計量方面較為詳細的技術和管理資料。同時結合兩期國家水資源監控能力建設項目和取水口監測計量專項提升等建設情況，總結管道型取水監測計量設施類型及特點，分析不同類型監測計量設施間誤差、環境適應性、計量成本、優缺點和唯一性使用場景等因素差異，研究提出科學有效、精度較高、經濟實用性強的管道型取水監測計量能力提升方法。

1.2 有關術語

取水口監測，包括“計量”和“推算”兩種方式。其中，根據固定設備測量水量的規范性和精度不同，取水口“計量”可分為“器具計量”和“折算”；根據信息采集傳輸方式和時效性不同，取水口“計量”可分為“在線計量”和“離線計量”。其他獲取水量數據方式，包括通過區域內典型樣本點和總體用電數據進行面上的“以電折水”推算，以及通過灌溉定額進行區域農業用水量推算，通過遙感數據進行水量推算等方式，均不屬于取水監測方式，而屬于服務統計水量需要的輔助計算方式，都不具備在線傳輸條件。

“取水口計量率”是指已安裝計量設施的取水口個數占總取水口數的比例?！叭∷坑嬃柯省笔侵敢延嬃咳∷诘娜∷空伎側∷康谋壤！叭∷谠诰€計量率”是指已安裝在線計量設施并能將取水量信息在線傳輸至水資源信息管理系統的取水口個數占總取水口數的比例?！叭∷吭诰€計量率”是指可在線計量并傳輸至水資源信息管理系統的取水量占總取水量的比例。

規模以上取水口：地表水取水口年取水量50 萬m3以上，地下水取水口年取水量5 萬m3以上。

2 取水口監測計量現狀分析

2.1 全國取水口監測計量現狀分析

通過分析研究全國范圍（不含黑龍江省及部分國際河流區域）共計550多萬個取水口數據，全國取水口明顯呈現空間分布極不均勻，各省區之間數量和類型分布相差較大，監測計量水平參差不齊，管道型取水口明顯多于渠道型，取水口數量和用水總量相關性不高，地下水取水口數量明顯多于地表水取水口，且二者差距較大的特征（詳見圖1），具體情況如下。

圖1 全國各省區取水口數量和用水總量統計圖Fig.1 The number of water intakes and the total amount of water used by provinces and regions in China

從取用水專項整治行動收集的信息看，2019年全國取水口取水口計量率約為30%，取水量計量率約為65%，取水口在線計量率不足10%，取水量在線計量率約為50%。結合2021 年《中國水資源公報》數據，全國規模以上取水口數量超過30萬個的省區有4 個，分別為河南?。?32 萬）、河北?。?15 萬）、山東?。?5 萬）和內蒙古自治區（73 萬），4 省區取水口總數占全國73.2%，其中絕大多是地下水取水口，而4 省區取水總量僅占全國12.4%。江蘇、新疆、廣東3省取水量居于前3位，但取水口數量并不多，主要是取水規模較大的地表水取水口貢獻了大部分水量。

結合取水口取水規模、用途、設施等屬性進一步分析研究，北方省區河南省、河北省、山東省和內蒙古自治區取水口較多，但多為直徑20 cm 以下的小口徑管道型地下水取水口，對應取水量較小；大中型灌區所在省區，例如江蘇省、浙江省和湖北省，單個灌區渠首地表水取水口取水量較大，以地表水灌溉為主；從取水用途上劃分，全國農業用水取水口占比超過50%，南方地區除了農業用水取水口，水利、環境和公共設施取水口所占比重也較大；從取水口設施類型劃分，南方地區取水水源以地表水為主，泵站類、壩類和閘類的數量較多，合計約占50%以上；北方地區［北方地區包括北京、天津、河北、山西、內蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、山東、河南、陜西、甘肅、寧夏、新疆等14 個省（自治區、直轄市）。其他?。ㄗ灾螀^、直轄市）為南方地區］地下水開采量大，機井數量巨大，部分省區機井數量占全部取水設施的80%以上，以地下水灌溉為主；管道型取水口數量遠遠大于渠道型，管道型取水口監測水量占全國比重也較大。

全國各省區間取水口監測計量水平參差不齊主要體現在：一是北京市、上海市和天津市取水口在線計量占比較高。二是除北京市、天津市和上海市外，其余省區無論從取水口數量還是水量看農業用水占比均較高，取水量在線計量率偏低主要體現在農業用水方面。三是所有省區均存在不同程度的資金和專業技術人員欠缺問題，需要進一步的政策法規和技術標準支持，經濟發展靠后省區的在線計量數據分析與應用不足，東北和華北平原一些省區運維管理能力偏弱。

2.2 典型省區取水口監測計量現狀分析

2021 年江蘇省用水總量位居全國第二，GDP 排名全國第二，人均GDP 排名全國第三，是長江流域的經濟總量和用水總量最大的省份，選取長江流域長三角地區用水總量大、取水用途多樣（主要用水指標［20］見表1）的代表省份江蘇省作為典型省份，分析研究其取水口監測計量現狀對于掌握全國取水口基本情況和問題具有重要意義和參考價值。

表1 典型省區取用水指標表Tab.1 Table of typical provincial water consumption index

江蘇省取水口整體呈現出規模以上取水口較少、單井平均用水量大、農業用水占據主導地位、非農取水口計量情況較好的特征（詳見圖2）。從水量上看，江蘇省取水口整體呈現規模以上取水口控制絕大多數水量、單個取水口平均用水量大、配置與生態用水取水口水量最大的特征（詳見圖3）。

圖2 江蘇省取水口數量分布桑基圖Fig.2 Sankey diagram of quantity distribution of water intakes in Jiangsu Province

圖3 江蘇省取水口水量分布?；鶊DFig.3 Sankey diagram of distribution of water intake in Jiangsu Province

從取用水專項整治行動收集的信息看，2019年江蘇省取水口計量率為37.7%、取水量計量率為39.4%、取水口在線計量率為27.7%、取水量在線計量率為38.8%。結合取水口取水規模、用途、計量設施等屬性進一步分析研究取水口特征：取水規模方面，規模以下取水口數量占比將近90%，但對應總取水量占比約10%，取水口數量和水量占比出現相反情況，呈現少數大口門控制絕大多數水量的特點；取水用途方面，雖然江蘇省是經濟大省，但大部分取水口取水用途為農業用水，取水口數量占比76.9%，但是在水量方面配置與生態用水取水口水量，占比最大為46.6%，其次是農業用水，水量占比36%；取水工程方面，管道型取水口主要由泵站和水井組成類，水井類占比10.7%，泵站類取水口數量占比最多達到72.2%，但是閘類取水口對應水量卻是泵站類取水口的2.3 倍，農業灌溉機井歸為管道型；約62.3%的取水口無器具計量設施，這其中主要是農業用水取水口，部分采用“以電折水”、折算或推算等方式進行監測計量；管道型取水口數量占據絕對主導地位，約占取水口總數量的83.1%，對應水量占比約30%，數量量龐大且近半處于無器具計量設施狀態。

2.3 取水口監測計量存在問題分析

從全國范圍看，取水口監測計量能力還有明顯不足，體現在4個方面。

（1）取水口計量率總體不高，在不同行業間、不同地區間差異較大。通過對各省區的數據分析，全國大多數省區普遍存在取水口計量率不高問題。工業用水、城鎮供水和生活自備用水的取水口計量率較高，普遍在80%以上；但農業用水的取水口計量率相對較低，大多數在50%以下。南方省區農業取水口占比較大，但取水口計量率總體比北方地區低。

（2）規模以下取水口數量巨大，取水口計量率較低。各省區規模以下取水口數量巨大且取水口計量率低。其中小型灌區取水口、農用機電井、小型種植戶等農業取水口占絕對多數，取水口計量率不足10%，部分甚至不足5%，取水量計量率不足10%，大量的小型灌區取水口、農用機井無器具計量設施。

（3）全國工業和生活用水總體取水口計量率較高，但是多為離線計量，自動化程度低，設備精度和穩定性水平參差不齊，水行政主管部門獲得取水量信息時效性差。國家水資源信息管理系統雖然對規模以上頒發取水許可證的取用水戶取水量實現了在線監測計量，但所涉及取水口數量占全國比重偏低，且在區域間分布不平衡。

（4）監測準確度存在問題，部分監測點數據不準確、不穩定。部分地區部分取水口計量設施安裝不規范，設施運行維護、校準率定等工作嚴重不足，計量設施出現故障不能及時修復，部分監測點數據不準確、不穩定，計量數據存在一定誤差（如東北地區冰凍期無法實現在線監測，枯季小流量測驗新技術應用困難）。推算水量的準確性受相關數據來源、人為經驗影響大，并缺乏核準依據。

通過全國和典型省區取水口監測計量統計分析來看，管道型取水口在數量上遠遠超過渠道型取水口，對應監測計量水量二者之間差距不大。全國農業用水監測計量工作存在較大短板，其中大部分農業用水為管道型取水口，具有點多面廣和產權不清晰等特點，在行政管理上也存在一定難度。渠道型取水口分布相對集中、責任主體較清晰，且監測計量方法和設施類型較少，一旦加大投資建設和監管力度，渠道型取水口監測計量工作比較好推動。因此，提高整體水資源監測計量能力，重點任務和工作難點在于提高管道型取水口監測計量能力。

3 管道型取水口計量設施技術分析

經市場調查和參考相關技術標準，并結合兩期國家水資源監控能力建設項目建設成果，管道型取水口除農業灌溉機井部分采用“以電折水”外，其余管道型取水口主要采用電磁流量計（管段式）、電磁流量計（插入式）和超聲波流量計（管段式）等10種設施類型進行監測計量（見表2），因取水規模、取水場景和取水用途等條件不同，不同取水口需要選用相適應的器具計量設施，分析不同類型間誤差、環境適應性、計量成本、優缺點和唯一性使用場景等方面差異，能夠為取水口監測計量設施的選擇、提高器具計量準確率提供技術支撐。

表2 器具計量設施綜合比選表Tab.2 Instrument measurement facilities comprehensive comparison table

根據不同類型管道型取水監測計量設施特點，按照施工條件（是否能夠進行切管作業）、安裝條件（直管段是否滿足要求、是否能夠開孔、是否是小管徑管道等）、管理要求（是否要求在線傳輸）和建設要求（是否要求控制成本）等4 類取水口建設工作基本條件，制定管道型取水監測計量設施選型技術路線（見圖4），梳理現有10 種管道型取水口監測計量器具的應用場景，為取水口監測計量體系建設工作的工作內容劃定、任務指標分解和項目預算控制提供技術支撐。

圖4 管道型取水監測計量設施選型技術路線圖Fig.4 Pipeline type water intake monitoring metering facilities selection technology roadmap

在某些施工條件、安裝條件、管理要求和建設要求的條件下，管道型取水口監測計量設施選型具有一定程度上的唯一性，比如在可以進行停水切管作業、直管段較長（前10D，后5D）、無法開孔讓傳感器伸入管道內的取水口，超聲波流量計/聲學時差法流量計（外夾式）更適用；在不能進行停水切管作業、直管段較短（不滿足前10D，后5D）、非小管徑管道（DN＞300）、建設經費較充足的取水口，可以選用電磁流量計（管段式）。

為實現全國取水監測能力快速提升，應積極開展國產替代工作，在符合標準和監測計量要求的前提下，優先使用國產設備。電磁流量計造價高，宜用于中小型管道和測量精度要求高的場合；超聲波流量計價格中等，且管徑對價格影響不大，適用于大中型管道；電子遠傳水表價格低廉，適用于小型管道的流量測量等。

4 管道型取水口監測計量能力提升技術分析

經分析研究，提升全國水資源監測計量能力工作重點在于加強管道型取水口監測計量，針對管道型取水口上述問題，在全面梳理管道型取水口計量設施類型和特點的基礎上，從提高監測精度、監測穩定性和持久性、系統平臺應用能力和出臺相關技術標準等4 個方面提出技術方法，為管道型取水監測計量能力提升工作提供技術支撐。

4.1 提高管道型取水口監測計量精度

（1）強化選址設計。監測計量設施的安裝位置對于監測計量數據的精度有較大影響必須經過科學論證，尤其是監測水量較大的取水口，《國家水資源監控能力建設項目標準—水資源監測設備現場安裝調試》等技術標準對監測計量設施安裝位置進行了相關規定。在符合技術標準要求的前提下，管道型取水口可采用便攜式流量計探測流量穩定的安裝位置。

（2）提高管道型監測精度。大管徑（≥DN1000）管道：為保證大管徑管道的監測計量精度，一是設備選型時，在成本可控的前提下可選用精度較高的管段式電磁流量計，否則優先選用插入式超聲波流量計，可通過增加聲道數量提高計量準確度，與單聲道超聲波流量計相比，多聲道流量計對流態分布變化適應能力強，測量精度高，可用于大口徑管道和流態分布復雜的管道。二是加強定期校準工作，由于輸水量較大，容易導致探頭污染或數據偏移等情況，因此建議設備運行正常的情況下，精度等級為0.5 級別的流量計一年至少進行一次在線校準，精度等級為1.0 或更低級別的流量計每兩年至少進行一次在線校準。三是摸清取水管網工況，確保無水損影響的前提下選擇管徑較小，流量更穩定的分管進行計量，并驗證原水管段與分管段的流量關系。

（3）針對老化管道優化精度控制措施。運行時間較長的管道會出現銹蝕現象，經不起切割或鉆孔，往往只能采用外夾式超聲波流量計進行計量，而外夾式流量計的計量精度較低。為保證計量精度達到規范要求，一是確保計量設備是經過合格檢驗的產品；二是在選址過程中嚴格按照“前十后五”的標準選擇測點，并保證管內流速均勻分布，無抖動，無氣泡；三是在安裝前對管道表面作光滑處理，提高流量計傳感器信號發射穩定性；四是加強校準工作，相對接觸式流量計，外夾式流量計穩定性較差，在線校準的頻率需加大，一般每年至少進行一次在線校準。

4.2 提高監測計量穩定性和持久性

從技術層面考慮，取水口監測站的監測穩定性和持久性取決于供電電源、設施性能、通訊信號強度及防雷接地等因素：

（1）強化供電電源保障。取水口監測計量設施供電方式推薦以自主電源為主，低功耗設備可采用直流12 V（±15%）供電（條件允許可采用鋰電池供電）；高功耗監測計量設施應使用自適應電源，避免市電直接供電。以提高監測計量設施的穩定工作性能以及使用壽命。

（2）提高設施性能。設施質量直接影響其使用壽命，計量儀器、RTU 等核心設備建議要求選擇平均故障時間（MTBF）≥45 000 h的技術指標，其他配套設備（如蓄電池、太陽能板等）必須選用檢驗合格的設備。

（3）保障信號強度。提高通訊信號強度主要通過兩種途徑，一是在站點設計階段時通過測驗選定信號強度高的安裝位置；二是在站點設計中加入增強通訊信號的設備、設施。三是淘汰GPRS通訊方式，采用4G或5G通訊模式。

（4）做好防雷接地。根據實施經驗，尤其是南方地區，近一半的取水口監測站點故障是因防雷接地不規范導致，應加強防雷接地的規范審查。

4.3 提高系統平臺應用能力

水利部通過國家水資源監測能力建設項目，取用水專項整治行動、水資源監測計量體系建設和用水統計直報等工作，匯集接收了海量的取水口監測計量數據，不同系統間數據庫標準有所差異，監測計量數據未達到全部互聯互通，提升水資源監測計量能力的一個重要方面就是數據接收系統平臺的整合建設工作。下一步按照《取用水管理信息系統整合共享與應用推廣實施方案》、《取用水管理信息系統整合共享與應用推廣技術方案》和《水資源計量技術標準體系表》等相關文件和技術標準要求，打通數據交換渠道、統一數據庫標準、開展數據質量控制、形成專題功能應用，為取水口監測計量提供數字化、網絡化化和智能化技術支撐。

4.4 出臺相關技術標準

我國已出臺最嚴格水資源管理制度、水資源消耗總量和強度雙控政策、國家節水行動等一系列政策措施，下一步即將施行水資源剛性約束制度，對加強取用水監管和水資源監測計量體系建設工作提出了更高、更嚴的要求。下一步應聯合國家市場監管總局，積極推動出臺《取用水單位監測計量審查規范》、《取用水監測計量和傳輸設施運行維護規范》和《取用水監測計量數據接收與處理技術規范》等相關技術標準，規范取用水單位的取用水監測計量管理、取用水監測計量人員、取用水監測計量設備、取用水監測計量數據和自查與整改等方面內容，明確取用水量監測計量的監測站點、監測計量器具和數據傳輸設施的運行維護等方面要求，制定取用水量監測計量的監測數據接收系統、接收原則、數據處理規則和考核驗收等方面標準。

5 結 論

本文在全面收集整理全國和典型省區取水口資料的基礎上，結合實地調研，分析研究取水口監測計量現狀，從數量和水量兩個層面，利用桑基圖進行不同取水規模、不同取水用途、不同取水工程、不同監測計量設施和不同輸水類型取水口現狀統計分析，總結水資源監測計量工作存在問題，針對管道型取水從監測計量設施選型、提高監測計量精度、穩定性、持久性和系統平臺應用等方面提出具體監測計量能力提升技術建議，為強化水資源監管，規范取用水行為，建立水資源剛性約束制度和新時代水資源高質量發展提供技術支撐。具體結論如下：

（1）全國取水口的數量分布特點顯著。取水口數量巨大、空間分布不均，北方地區取水口多以地下水取水口為主，南方地區取水口少以地表水取水口為主。全國共計約550多萬個取水口，整體北方多南方少。全國取水口數量和取水量之間無明顯相關性，北方地區用水量小取水口多，南方地區用水量大取水口少。北方地區用水總量占全國比重36.3%，取水口占全國比重90.6%，農業灌溉機井較多且分布不均，單井取水量較??；南方地區用水總量占全國比重63.7%，取水口占全國比重9.4%。全國都具有少數規模較大的取水口控制大部分取水量的特點。

（2）全國取水口監測計量工作應進一步加強?，F階段提升取水口監測計量能力重點在提高取水口計量率，取水規模、取水場景和取水用途等條件不同，采用的監測計量方法和設施也不同。不同監測計量設施間誤差、環境適應性、計量成本、優缺點和唯一性應用場景有較大的差異，在充分考慮施工條件、安裝條件、管理要求和建設要求的前提下可以比選出科學有效、經濟效益高的監測計量設施。

（3）管道型取水口監測計量提升是一項綜合性工作。需要從提高監測計量精度、穩定性和持久性、系統平臺應用能力和出臺相關技術標準等4 個方面著手，全面提升取水口監測計量能力。通過取水口建設全過程包括設計選址、數據質量需求、取水口類型、配套基礎設施、系統平臺建設等多個技術維度，建立健全技術標準體系，全方位補齊監測計量短板，提升水資源監管能力。