欧阳宏

（甘肃省水利水电勘测设研究院，甘肃 兰州 730000）

渝河灌区水量精准化计费管理系统研究及应用

欧阳宏

（甘肃省水利水电勘测设研究院，甘肃 兰州 730000）

水量计量不准、设备管控不力、水费收缴困难、水资源浪费严重等诸多问题的存在，长期制约着灌区的运行管理。如何实现灌区管理由粗放到精准化的过渡，将节约用水，有效提高水资源利用率落到实处，真正实现水量计量的高度精准、用水环境的公平公正、水费收缴的阳光合理、用户水量的精准计量、运行管理的科学高效，是灌区管理迫切需要解决的难题。借鉴城市生活用水计费管理经验，深入研究现有阀控技术并二次开发，采用最新的计算机、网络通信、自动化控制、信息处理、软件编程等技术深入研究，结合灌区运行管理的特点，研究开发出应用于灌区的水量精准化计量收费管理系统。通过该系统在隆德县渝河灌区的应用，确实有效解决渝河灌区存在的灌区管理难题，为渝河灌区创建良好的用水环境，使灌区管理水平整体显著提升。

灌区；水量精准化计量；管理系统；智能水量控制器；水量计控阀；智能水量预付费管理

0 引言

随着我国经济社会的进一步发展，水资源的战略性地位日渐重要，发展节约用水已经成为缓解我国水资源紧缺矛盾的战略选择。发展节约用水，不但是保证国家供水和粮食安全及经济社会可持续发展的需要，也是恢复和建设良好生态系统的需要，并有利于解决城镇及农村供水短缺等问题，调整农业和农村产业结构，增加农民收入，发展现代农业，提高农业生产率，促进水利现代化。农业节水有很多措施，其中建立用水定额和累进水价制度是目前国际上采用较多的措施[1]。而确立用水定额和累进的农业用水价格机制，要以精准的用水计量为基础[2]。建设高效的灌区水量精准化计量收费管理系统是实现节约用水的基本保障。

宁夏隆德县渝河灌区位于隆德县东南部，控制灌溉面积 1 520 hm2。灌区大部分土地已流转，其中已流转土地由种植大户、公司、农民合作社经营的面积为973 hm2，其余 547 hm2土地由农民用水协会管理。灌区农业主要种植马铃薯、菊芋、药材、花卉、苗木、蔬菜等农作物，种植比例为2∶2∶6∶ 1∶3∶6。灌区灌溉水源为三里店、罗家峡、清泉、庞庄、打食沟等 5 座小型水库。

目前灌区采用“水管单位 + 农民用水者协会 +村级用水小组 + 用水户”和“水管单位 + 土地流转经营户”的管理模式，其中沙塘镇归沙塘水利工作站管理，神林镇归联财水利工作站管理。在多年的管理中，水价低于供水成本，无水量计量设施，水费收缴率低等严重制约着灌区的发展，为了尽快解决这些管理难题，经过研究，并借鉴城市生活用水的计费管理经验，利用现有阀控技术，研究开发并已成功应用于渝河灌区的水量精准化计量收费管理系统。该系统不仅帮管理者实现高效管理，而且让用水户享受阳光水务，创建出良好的用水环境，使灌区管理水平显著提升。

1 灌区水量精准化计量收费管理系统

1.1 系统总体方案

水量精准化计量收费管理系统由现地采集测控和上位监控管理等系统构成，总体结构如图1所示。

图1 水量精准化计量收费管理系统结构图

1.1.1 现地采集测控系统

现地采集测控系统分布于灌区现地，主要由智能水量控制器、水控计量阀、水表、射频卡、压力传感器等组成，组成如图2所示。

图2 现地采集测控系统组成示意图

1）智能水量控制器。智能水量控制器是现地控制系统的核心，用于实现水量信息的采集、计量与管理，控制器配置高速、低功耗、超强抗干扰的新一代 8051 单片机，实时采集现地的水位、流量及设备本身的工作状态等信息，按需存储和现地显示。控制器内置通讯模块，利用 GPRS/GSM 网络将这些信息及时上传至位于信息管理中心的服务器，控制器可根据射频卡及后台远程控制实现水控计量阀的任意操做，同时控制器还具备自诊断、预警、断电数据保护及看门狗等功能。当用户将充值后的射频卡靠近智能水量控制器时，卡上的充值水量读入控制器，打开电动蝶阀，开始用水；此时水表每发讯1 次，控制器可用水量减去水表每发讯 1 次的水量；当控制器上的水量低于水表发讯 1 次流过的水量时，关闭电动蝶阀。

2）水控计量阀。水控计量阀针对灌区管道供水水量计量特点进行设计，不仅可以实现水量的计量，还可以实现水量的控制管理。阀体主要由表头、阀盖、阀门关闭辅助弹簧、启闭件组件、涡轮组件和外壳、集成式校准装置和宽阀体 8个部分组成。阀门采用一体式结构设计，集多种功能于一体，占用空间较小，安装维护比较方便；阀门采用电磁阀控制，无需电机，能耗较低；计量采用磁性元件传动，计数器密封可靠，水表齿轮盒和被测水隔绝，计量准确度较高；阀门可以测量水质较硬和含垢、悬浮颗粒及环绕物的水质，防堵塞，流通能力大，压力损失小，使用寿命长；除了从水表指示器上直观读取水量信息外，水量采集传感器通过RS-485 通信接口将水量信息实时上传至智能水量控制器，而且可通过控制器实现阀门的远程在线检查与维护，极大减少了系统运行管护成本。

1.1.2 上位监控管理系统

上位监控管理系统位于灌区运行管理中心，主要由上位控制系统硬件和智能水量预付费管理系统等组成。

1）上位控制系统硬件。上位控制系统的硬件主要包括 1 台服务器、1 台数据处理工控机、2 台工作站、1 台交换机等，组成内部计算机局域网络，通过配置硬件防火墙与互联网相接。本系统对硬件配置的性能参数要求并不需要太高，市场主流产品均能满足要求。数据处理工控机上内置数据接收处理软件，通过请求发送获取现地控制器的数据信息，该信息包括可用水量、累计用水量、开关量输入信号和输出状态、水压、水位、电源状态等信息。服务器对工控机处理后的数据进行存储分析， 工作站安装供水综合管理系统，由工作人员执行日常管理工作。

2）智能水量预付费管理系统。智能水量预付费管理系统组成如图3所示，结构如图4所示。

图3 智能水量预付费管理系统组成示意图

图4 智能水量预付费管理系统结构图

a. 供水综合管理系统。供水综合管理系统由综合供水管理软件和数据库构成，也是整个系统的神经中枢部分，主要用来监控整个系统的运行，包括系统管理区域内所有供水站点的管理及工作运行情况监控，收费单位、水费、用水户档案资料等的管理，以及历史资料的查询、数据分析等。管理区域的全部数据在供水综合管理平台汇总，管理者可以借助平台上完整的数据信息，了解整个供水区域内每个供水站点的状态，掌控每个用水户的用水资料、水权分配状态和管网运行数据，并且根据需要调整水权分配，制定新的水价政策。系统可实现远程实时监控、统计分析、信息查询、数据和系统管理等功能。

b. 售水管理系统。售水管理系统由售水管理、IC 卡管理、基本信息、报表管理、系统维护等 5个子模块组成。智能 IC 卡售水管理系统是售水管理系统的核心部分。售水管理平台安装在水务管理部门的售水大厅内，主要实现用水户 IC 卡管理，含开卡、注销、挂失、解挂、补卡、现金充值等，同时实现用水户常用个人用水及充值记录的查询、打印，用水户基本信息维护等功能。通过售水管理平台，方便快捷地完成水费收缴工作，并随时搜索查阅用水户档案。通过售水管理平台可以实现区域水权管理，用水户可以及时看到水权分配状况，从而确定购买水量。

c. 计量收费管理系统。计量收费管理系统安装于现地智能控制器中，当控制器可用水量低于警戒水量时，该信息会上传服务器，并通过短信网关将信息发给该控制器的用户，提醒用户，该控制器可用水量即将为零，需要及时充值；而当该控制器的可用水量为零或低于水表每发报 1 次需流过的水量时，该信息会上传服务器，并通过短信网关将该信息发送给该控制器的用户，提醒用户，该控制器可用水量已为零，需要及时充值；并且管理单位可通过上位操作远程控制水量计量阀的打开与关闭，以及将用户充值水量、累计用水量等信息远程写入控制器。

1.1.3 供电系统

灌区的现地水量计量控制点均布于整个灌区，较为分散，由于远离生活区，周围也无可直接利用的农电网络。如果新建专用的供电网络，为这些分散的负荷点供电，成本将大大增加，同时后期维护检修负担较重。通过对当地日照时间、设备最大耗电量等参数的计算，优化了现地控制系统，采用太阳能供电的方式解决。中心和售水管理平台采用市电的方式解决。

1.2 系统通信

智能水量控制器配置通用 RS-485 标准接口，采用 SDI-12 标准通信协议实时与水量计控阀通信采集数据。通信波特率为9 600 bit/s，1 位起始位“0”，8个数据位，1个停止位“1”，无奇偶校验位，低位在前，高位在后[3]，接口及数据通信协议均符合数据采集通信规约。

智能水量控制器通过配置 SIM 卡，利用移动运营商 GPRS/GSM 公用网络，通过信息管理中心的宽带接入将采集到的信息及时上传至服务器，信息报文按帧起始符、中心站地址、本站地址、功能码、报文上下行识别长度、报文起始符、包总数量及序列号、报文正文、报文结束码、校验码的帧结构设计；同时控制器可实时接收信息管理中心下达的指令，信息报文按帧起始符、遥测站地址、中心站地址、密码、功能码、报文下行标识及长度、报文起始符、报文正文、报文结束码、校验码的帧结构设计[3]。数据传输通信协议符合报文传输规约。

智能水量控制器可自动进行链路检测，设计每10 min 进行 1 次上行和下行链路连接测试，保证控制器时刻与中心系统通信。

1.3 系统安装与调试

为确保系统的稳定运行，系统安装与调试过程严格按照国家《国家水资源监控能力建设项目标准》等相关规范和标准提出的监测设备安装调试及技术要求、自动监测站安装联调及要求进行[4]，事先以表格形式制定出安装次序和内容、相应的质量要求目录，施工过程中对照检测目录逐条进行记录，作为项目建设日志的重要内容。这样既保证了项目建设不漏项，又促进了安装质量的提高。

2 灌区水量精准化计量收费管理系统应用效益

隆德县农业水价改革的试点项目在隆德县渝河灌区建设了水量精准化计量收费管理系统，在县级管理单位建设了 1 套综合管理平台，在下属 2个水管站各安装售水管理软件 1 套，通过现地安装的387 套智能水量控制器，在灌区建立了水权分配制度，实现了对灌区 7个用水合作组织， 387个用水户用水的总量控制，定额管理，终端计量；对于超过计划用水量的用户实行阶梯水价，实现计划用水，精准补贴，节水奖励，定量控制；用户预付费的收费管理模式，巧妙解决了管理单位人力不足和收费难的问题；进一步促进了全县水资源的合理配置，群众的水权意识和水商品观念逐步树立，一定程度上实现了由“要我节水”到“我要节水”的转变，达到了经济、生态、社会效益的互利共赢。预计试点项目区农业灌溉用水有效利用系数达到 0.8 以上，可实现节水 180 m3/hm2，年累计节水 28 万m3，节约用水成本 14 万元左右。具体效益如下：

1）基础设施建设得到完善。农业是耗水大户，以往漫灌、渠灌等低效灌溉模式，造成了严重的水资源浪费。通过本次项目建设，铺设连通管道10.88 km，更换田间滴灌带 620.00 km，安装计量设施 387 套，建设沙塘和联财农民用水者协会指导管理服务中心 2个共计 380 m2，建设县级综合运行管理平台 1个，使基础设施更加完善，有利于充分利用有限水资源，提高灌区灌溉保证率，全面提高灌区运行管理水平，带动全县农业水价综合改革。

2）供水计量管理到户，合理分配水权。未改革前缺乏计量设施，先灌水后缴费，水量靠粗估，收费按面积，水费收缴率低，水管单位、协会和用水合作组织收费难，运行管理费用高，工作积极性不高，没有发挥应有职能。安装计量设施并按用水量计收水费后，群众的节水意识提高了，田间管理显著加强，且先缴费后灌水，可提高水费收缴率，解决管护费用不足的问题，同时实现按田地面积和种植结构合理配置水权。

3）实行分类水价管理，建立定额管理和超定额累进加价制度，建立精准补贴和节水奖励政策。综合管理平台的建设，收集汇聚了完善的用户用水和需水数据，在严格执行水价政策的前提下，在项目区内按粮食、一般经济、高附加值经济等作物和设施 3种类型在终端用水环节实行差别化水价，执行的水价标准分别为0.310，0.408，0.687 元/ m3。按1.0∶1.5∶3.0 的原则，实行超定额累进加价制度。对有水权证，年灌溉用水量低于水权水量，节水突出的用水合作组织、新型农业经营主体、用水户，按所交水费的 15% 和节约每方水奖励 0.1 元的标准给予奖励。解决了长期低价供水，群众节水、惜水意识比较淡薄，灌溉设施滞后，“跑、冒、滴、漏”水资源浪费现象严重，用水效率低下等问题。同时，在满足区域内农业用水的前提下，对节约的水量进行跨区域、行业转让，既可促进水资源的优化配置，又能减轻财政负担。

4）规范基层水管单位、农民用水协会和合作组织建设。未改革前对协会和用水合作组织的指导管理服务不到位，协会建设标准低，办公设备落后，无固定收费场所，上门收缴水费耗时、费力、效率低下。通过本次项目在沙塘和联财水利工作站设立农民用水者协会指导管理服务中心，建设供水服务大厅和信息管理中心，解决了之前阵地缺失的问题。安装智能化远程控制管理系统，可提高管理的规范化、精细化，以及信息化的现代管理服务水平。

5）远程监控，精准化管理。沙塘和联财水利工作站信息管理中心结合山洪灾害防治工作，安装水雨情自动测报、远程视频监视、大屏幕综合展示等设备设施，实现了远程动态监控用水量并实现智能计量，达到精准化管理目标。树立阳光水务形象，使用水户更放心，管理者更便捷，有力提升农村水利现代化发展水平。

3 结语

隆德县渝河灌区水量精准化计量收费管理系统的成功实施，为隆德县农业水价改革的顺利推进打下了扎实的基础。通过改革，明晰了农田水利设施工程产权，使水量计量精准化，水费收缴公开化，实现了阳光水务，达到了对用水量用水户和管理部门双重认可的目的。管护责任和经费得到落实，经营方式得到搞活，安全运行得到保障，用水效益得到发挥。建立了农田水利设施工程长效管护机制，从根本上解决了在灌区运行管理工作中长期困扰大家的计量不准、管控不利、收费困难、水资源浪费严重等诸多问题，从而实现灌区管理由粗放到精准化的转变，灌区年节水达到 27 万m3，将节约用水，提高水资源利用率落到实处。水量精准化计量收费管理系统在沙塘镇、神林镇成功应用的基础上，又在联财镇得到了推广应用。

我国终端水价的实施，必须依靠“产、学、研”结合，从可知性的角度探讨出一条中国特色的水价模式[5]。水量精准化计量收费管理系统的研究及应用，为同类型灌区的水价改革起到了良好的示范作用，加速实现了灌区管理由粗放到精准化的过渡，早日将灌区节约用水，有效提高水资源利用率落到实处，真正实现水量计量的高度精准，用水环境的公平公正，水费收缴的阳光合理，用户水量的精准计量、运行管理的科学高效。进一步研究安全、可靠、便捷的智能一体化闸门等，满足复杂的灌区用水环境，使其在各种灌区均能广泛应用，对提高多种用水环境下复杂用水管理的水平具有重要意义。

[1] 杨平富，李赵琴，丁俊芝. 农业用水超定额累进加价制度探讨[J]. 节水灌溉，2005 (3): 54-55，58.

[2] 李树全，刘永华，杨仁勇. 灌溉用水实行总量控制和定额管理的探讨[J]. 山东水利，2008 (11): 27-27，39.

[3] 中华人民共和国水利部. 水文监测数据通信规约：SL 651—2014 [S]. 北京：中华人民共和国水利部，2014: 4-8.

[4] 国家水资源监控能力建设项目办公室. 水资源监测设备现场安装调试：SZY 204—2012 [S]. 北京：国家水资源监控能力建设项目办公室，2012: 14-43.

[5] 崔延松. 实施终端水价的难点和对策分析[J]. 中国水利，2006 (16): 27-29.

Research and application of water quantity precision metering and charging management system in Yuhe Irrigation area

OUYANG Hong (Gansu Provincial Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute，Lanzhou 730000, China)

Many existing problems, such as inaccurate of water quantity measuring, lack of equipment control, difficulties of water fee collection, serious waste of water resources, restrict the operation and management of irrigation in the long time. How to achieve the irrigation area management from extensive to precise transition, will save water, effectively improve the utilization of water resources, achieve a high degree of accuracy of water measurement, fair and just of water environment, reasonable water fee collection, accurate measurement of the user water, and scientific and efficient operation and management, is an urgent problem be to solved in irrigation management. Using the latest computer, network communication, automatic control, information processing, software programming and other technical research, combined with the characteristics of the operation and management of irrigation area, the article researches and develops the urban water consumption management experience, based on existing valve control technology and secondary development. Through the application of the system in Yuhe irrigation area of Lund County, the problem of irrigation management in Yuhe irrigation area can be solved effectively, and it creates a good water environment for Yuhe irrigation area, significantly improves the management level of irrigation district.

irrigation area; water quantity precision measurement; management system; intelligent water quantity controller; water meter control valve; intelligent water quantity prepaid management

S274.4

A

1674-9405(2017)01-0062-05

10.19364/j.1674-9405.2017.01.015

2016-10-08

欧阳宏（1983-），男，甘肃靖远人，工程师，主要从事水利水电工程电气及信息化的设计、施工工作。