孙 健,乔 婧,耿 华,万 毅,王 策

(1.水利部水资源管理中心,北京 100038;2.南水北调中线实业发展有限公司,北京 100038;3.河北省水务中心,河北 石家庄 050011)

0 引言

我国人均水资源量只有2 100 m3,仅为世界人均水平的28%,全国年平均缺水量500多亿 m3,中国人均水资源生态盈亏呈现出“整体平稳,局部变化”的地域格局[1]。随着经济社会的不断发展,水资源供需矛盾关系显著[2]。数据显示,我国水资源超载区和临界超载区涉及53%的国土面积、近60%的人口和GDP[3]。综上所述,精打细算用好水资源,从严从细管好水资源,以水资源的可持续利用支撑经济社会持续健康发展是新时代水资源管理高质量发展新要求[4]。

为响应智慧水利建设和水资源管理工作要求,加强取用水监管,规范取用水行为,按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求,开展利用信息化手段强化水资源监测计量体系建设工作十分有必要。长期以来,农业用水监测计量工作是取用水管理的薄弱环节,从全国范围来看,农业用水取水口数量和水量占比均为最高,同时绝大多数是农业灌溉机井,因此通过信息化管理系统建设,提高农业灌溉机井监测计量能力提升技术具有重要意义。

本文针对需要重点提升的农业用水监测计量工作,对比农业灌溉机井不同监测计量方式优缺点,研究“以电折水”信息化台账建立和管理系统框架设计等关键技术环节,提出科学提升农业用水监测计量能力的方法,为建立农业灌溉机井信息化台账和开发管理系统等工作提供技术指导,为加强农业用水监管工作提供技术参考,为全面提升我国水资源管理能力和构建智慧水利工作提供技术支撑。

1 农业用水监测计量现状

2020年启动的全国取用水专项整治行动,掌握了全国550多万个取水口包括水源类型、监测计量情况、取水用途等基础信息,经过统计分析,2019年全国整体取水口计量率约为30%,取水量计量率约为65%,全国取水口在线计量率约为10%,取水量在线计量率约为50%。根据掌握的全国取水口信息,取水用途为农业用水、水源类型为地下水和取水设施类型为水井的3种不同统计口径下的取水口数量多且监测计量水平较低,因此同时满足此3种类型的农业灌溉机井是取水口监测计量能力提升工作的重要组成部分。

因取水规模、取水场景和取水用途等条件不同,取水口需要相适应的监测计量设施,农业灌溉机井因点多面广、产权不明晰等特点,一直以来是水资源管理的薄弱环节。根据《水利部关于强化取水口取水监测计量的意见》(水资管〔2021〕188号)和《水利部办公厅关于做好2022年取水监测计量体系建设有关工作的通知》(水资管〔2021〕346号)要求,水利部有序推进农业灌溉机井监测计量工作,2022年在河北省、山西省、内蒙古自治区等10个省区开展农业灌溉“以电折水”样本井计量设施建设工作。在加强农业用水监测计量和农业灌溉机井“以电折水”工作的背景下,各地大力推进“以电折水”样本井建设工作,但是目前全国范围内缺少统一数据标准和系统架构的管理系统,不利于统一取用水监管。

2 农业灌溉机井监测计量能力提升

2.1 监测计量方式

以现阶段水资源管理要求和发展阶段,对于农业用水全部实现直接计量有一定的困难,在经济效益和管理体制上尚不具备条件。目前针对农业用水尤其是农业灌溉机井,主要监测计量方式有三种,器具测量、遥感推算和“以电折水”。器具测量方式具有计量精度准确、计量结果权威性强、管控工作分辨率高、数据应用法定依据充分等优势,但是对于点多面广的农业灌溉机井经济效益不高同时行政成本大,且大部分机井产权归属不清不利于落实后期运行维护主体责任。遥感推算方式具有自动化程度高、数据客观性强、小成本高效快速获取区域农灌用水量等优势,但是不便于掌握单点信息且土地基础特征和农作物时分布空差异性大。“以电折水”方式具有可以用较小成本快速高效的掌握农业灌溉用水总体规模,较传统定额推算方法相比权威性更强等优势,但是“以电折水”依赖电力数据,不能全面实现单个取水口计量,同时不同取水口“以电折水”系数差异性较大需要建立关联关系。

综合分析以上三种监测计量方式优缺点,现阶段,采取“以电折水”的形式进行农业灌溉机井监测计量,可以补齐农业用水监管短板,能够为满足新时代水资源高质量发展的高标准严要求,起到承上启下的过渡性作用。

2.2 “以电折水”管理系统

“以电折水”是基于农灌机井取水量和耗电量间存在高度相关性的物理原理,建立取水量和耗电量间的数值关系,通过用电量数据,近似推算单个或多个农业灌溉机井取水量的间接计量方法[5]。对于“以电折水”前人开展了大量研究,本文不再讨论“以电折水”系数测算和电力数据获取等方面内容,重点研究如何利用信息化手段建立“以电折水”管理系统并加强功能应用。

2.2.1 信息化台账建立

农业灌溉机井“以电折水”应通过信息化系统平台提升规范性和工作效率,在系统平台上运行维护“以电折水”台账信息,实现农业灌溉用水量统计分析。信息化系统平台需具备以下功能:

(1)通过信息化系统平台,完成农业灌溉机井用电信息调查和登记,准确描述机井用电情况,完成农业灌溉机井信息与用电信息的档案匹配,建立电力计量设施、农业灌溉机井、取用水户(个人)等对象间准确的对应关系,并与取水许可信息准确关联。

(2)基础数据管理包含取水权人信息、取水工程信息、取水许可信息、电力设施信息,以及地块信息等,基础信息收集对象关系见图1。

图1 农业灌溉机井基础信息收集对象关系图

(3)管理数据管理包含基础信息、用户信息、监测计量数据、终端信息、分析信息以及角色权限信息等。

(4)以县级区域为单位建立“以电折水”样本井信息管理台账,台账中应包含井编码、井位置、控制灌溉面积、灌溉作物种植比例、取水水位、取水用途、样本井计量信息、建设责任单位、监管责任单位等信息。

(5)以县级区域为单位建立“以电折水”普通井信息管理台账,台账中应包含井编码、井位置、控制灌溉面积、灌溉作物种植比例、取水水位、取水用途、参考样本井编码、建设责任单位、监管责任单位等信息。

(6)实现水量、电量、“以电折水”系数等数据的管理,按台区、地块、机井、取用水户、电表等不同维度以及不同时间段进行分类管理和统计分析。

2.2.2 “以电折水”管理系统架构

依托水利部政务服务平台,开发农业灌溉机井“以电折水”管理系统,收集汇总机井和对应电力设施的基本信息,建立以机井为基本单位的农业灌溉机井台账数据库,与取水许可电子证照系统、用水统计直报系统等进行数据交换,实现对农业灌溉机井基本信息的管理、查询以及机井用水量统计等功能。

根据智慧水利建设顶层设计和“以电折水”工作基础,结合取用水管理工作要求,“以电折水”管理系统架构(见图2)整体应包含四个组成部分:(1)终端系统,指前端建设的在线监测计量设施,实现农业灌溉机井取水量和台区用电量数据的实时监测计量和在线传输;(2)小程序系统,服务于系统和机井管理员、农业用水取用水户(个人)和电力部门工作人员等,可通过移动终端登录实现查询、统计、缴费等功能;(3)SaaS系统(见图3),包含取用水记录、“以电折水”管理、用水分析、基础数据管理、采集终端管理、用户管理和系统管理等功能子模块,在全面汇集基础数据和管理数据的基础上,实现点(取用水户、单个台区)和面(流域、区域)取用水量统计分析;(4)对接系统,与电力、政务、税务和水利等部门系统进行对接,包括电力大数据系统、水利部政务服务平台、水资源费改税系统、取水许可电子证照系统和取用水专项整治系统等,实现外部业务系统的信息数据共享。

图2 农业灌溉机井“以电折水”管理系统架构图

图3 农业灌溉机井“以电折水”SaaS系统结构图

3 结语

(1)本文在全面收集整理全国取水口监测计量资料的基础上,针对需要重点提升的农业用水监测计量工作,对比农业灌溉机井不同监测计量方式优缺点,研究“以电折水”信息化台账建立和管理系统框架设计等关键技术环节,提出科学提升农业用水监测计量能力的方法,为农业用水监管和农业灌溉机井管理提供技术支撑。

(2)研究表明,农业灌溉机井“以电折水”是目前提升农业用水监测计量能力的有效方式,具有可以用较小成本快速高效的掌握农业灌溉用水总体规模,较传统定额推算方法相比权威性更强等优势。根据智慧水利建设顶层设计和“以电折水”工作基础,建议在水利部政务服务平台中开发农业灌溉机井“以电折水”管理系统,该系统架构应包含终端系统、小程序系统、SaaS系统和对接系统四部分,实现对农业灌溉机井基本信息的管理、查询以及机井用水量统计等功能。