管道型取水监测计量能力提升技术研究

孙 健，乔 婧，张淑玲，万 毅，陈兴茹

（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. 中国水利水电科学研究院，北京 100038）

0 引 言

中国水资源问题十分突出，尤其是水资源短缺、旱涝灾害以及与水相关的生态环境已经成为我国社会经济发展重要的制约因素［1］。中国水资源具有年际变化大、分布不均的特点［2］，近年来，受气候条件、人类活动等因素影响，我国水资源情势呈现新的变化，水资源的质量下降、功能减退［3］，水资源管理面临严峻挑战，开始从水资源内部管理转向外部社会化管理阶段［4］。从禀赋看，北缺南丰［5］的特征更加明显。从现状看，水资源紧缺［6］问题十分突出。从趋势看，水资源供需形势依旧严峻［7］。加强取用水管理是严格水资源源头管控［8］、强化水资源刚性约束［9］的重要内容。取水口作为取用水行为的首要设施，加强其取水量监测计量是强化取用水监管不可或缺的基础性、关键性工作。

因缺乏基础数据，2011年之前尚未建立全国范围的取水口台账和统计体系，前人研究主要集中单个或小区域范围内的取水口设计建设［10-12］、水流［13-15］和水质［16-18］等方面。2011 年开展的水利普查工作完成了68万个河湖取水口基础信息汇集，以及近400 万个规模以上机电井的概要信息［19］。2019 年水利部在长江流域开展了取水设施核查登记工作。2020 年水利部启动全国取用水管理专项整治行动，基本摸清了全国550 多万个取水口（含规模以上机井）的分布和取水情况，初步掌握水资源开发利用管理现状，对取水监测计量情况也有了更清晰的认识。通过对比水利普查和取用水管理专项整治行动数据，可发现随着我国社会经济快速发展，全国取水口本底情况和监测计量能力均发生显著变化。2012 年至2018 年开展的两期国家水资源监控能力建设项目提出了取水口监测的技术要求（项目标准），建成2 万户约4 万个国控项目取用水监测点，显著提升了取水口在线监测计量水平。据统计，已实施监测计量的取水口中，管道型是主要类型，约占总数的85%。明渠型数量占比小，但很多是灌区渠首或引调水工程口门，监测计量的水量规模较大。

1 研究方法和有关术语

1.1 研究方法

研究资料来源主要为水利部组织开展的取用水专项整治行动，依托全国取用水管理专项整治信息系统平台，经过基础数据信息处理，研究取水口监测计量数据。在赴汉江流域和东江流域开展的实地调研中，获得水资源管理和取水口计量方面较为详细的技术和管理资料。同时结合两期国家水资源监控能力建设项目和取水口监测计量专项提升等建设情况，总结管道型取水监测计量设施类型及特点，分析不同类型监测计量设施间误差、环境适应性、计量成本、优缺点和唯一性使用场景等因素差异，研究提出科学有效、精度较高、经济实用性强的管道型取水监测计量能力提升方法。

1.2 有关术语

取水口监测，包括“计量”和“推算”两种方式。其中，根据固定设备测量水量的规范性和精度不同，取水口“计量”可分为“器具计量”和“折算”；根据信息采集传输方式和时效性不同，取水口“计量”可分为“在线计量”和“离线计量”。其他获取水量数据方式，包括通过区域内典型样本点和总体用电数据进行面上的“以电折水”推算，以及通过灌溉定额进行区域农业用水量推算，通过遥感数据进行水量推算等方式，均不属于取水监测方式，而属于服务统计水量需要的辅助计算方式，都不具备在线传输条件。

“取水口计量率”是指已安装计量设施的取水口个数占总取水口数的比例。“取水量计量率”是指已计量取水口的取水量占总取水量的比例。“取水口在线计量率”是指已安装在线计量设施并能将取水量信息在线传输至水资源信息管理系统的取水口个数占总取水口数的比例。“取水量在线计量率”是指可在线计量并传输至水资源信息管理系统的取水量占总取水量的比例。

规模以上取水口：地表水取水口年取水量50 万m3以上，地下水取水口年取水量5 万m3以上。

2 取水口监测计量现状分析

2.1 全国取水口监测计量现状分析

通过分析研究全国范围（不含黑龙江省及部分国际河流区域）共计550多万个取水口数据，全国取水口明显呈现空间分布极不均匀，各省区之间数量和类型分布相差较大，监测计量水平参差不齐，管道型取水口明显多于渠道型，取水口数量和用水总量相关性不高，地下水取水口数量明显多于地表水取水口，且二者差距较大的特征（详见图1），具体情况如下。

图1 全国各省区取水口数量和用水总量统计图Fig.1 The number of water intakes and the total amount of water used by provinces and regions in China

从取用水专项整治行动收集的信息看，2019年全国取水口取水口计量率约为30%，取水量计量率约为65%，取水口在线计量率不足10%，取水量在线计量率约为50%。结合2021 年《中国水资源公报》数据，全国规模以上取水口数量超过30万个的省区有4 个，分别为河南省（132 万）、河北省（115 万）、山东省（85 万）和内蒙古自治区（73 万），4 省区取水口总数占全国73.2%，其中绝大多是地下水取水口，而4 省区取水总量仅占全国12.4%。江苏、新疆、广东3省取水量居于前3位，但取水口数量并不多，主要是取水规模较大的地表水取水口贡献了大部分水量。

结合取水口取水规模、用途、设施等属性进一步分析研究，北方省区河南省、河北省、山东省和内蒙古自治区取水口较多，但多为直径20 cm 以下的小口径管道型地下水取水口，对应取水量较小；大中型灌区所在省区，例如江苏省、浙江省和湖北省，单个灌区渠首地表水取水口取水量较大，以地表水灌溉为主；从取水用途上划分，全国农业用水取水口占比超过50%，南方地区除了农业用水取水口，水利、环境和公共设施取水口所占比重也较大；从取水口设施类型划分，南方地区取水水源以地表水为主，泵站类、坝类和闸类的数量较多，合计约占50%以上；北方地区［北方地区包括北京、天津、河北、山西、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、山东、河南、陕西、甘肃、宁夏、新疆等14 个省（自治区、直辖市）。其他省（自治区、直辖市）为南方地区］地下水开采量大，机井数量巨大，部分省区机井数量占全部取水设施的80%以上，以地下水灌溉为主；管道型取水口数量远远大于渠道型，管道型取水口监测水量占全国比重也较大。

全国各省区间取水口监测计量水平参差不齐主要体现在：一是北京市、上海市和天津市取水口在线计量占比较高。二是除北京市、天津市和上海市外，其余省区无论从取水口数量还是水量看农业用水占比均较高，取水量在线计量率偏低主要体现在农业用水方面。三是所有省区均存在不同程度的资金和专业技术人员欠缺问题，需要进一步的政策法规和技术标准支持，经济发展靠后省区的在线计量数据分析与应用不足，东北和华北平原一些省区运维管理能力偏弱。

2.2 典型省区取水口监测计量现状分析

2021 年江苏省用水总量位居全国第二，GDP 排名全国第二，人均GDP 排名全国第三，是长江流域的经济总量和用水总量最大的省份，选取长江流域长三角地区用水总量大、取水用途多样（主要用水指标［20］见表1）的代表省份江苏省作为典型省份，分析研究其取水口监测计量现状对于掌握全国取水口基本情况和问题具有重要意义和参考价值。

表1 典型省区取用水指标表Tab.1 Table of typical provincial water consumption index

江苏省取水口整体呈现出规模以上取水口较少、单井平均用水量大、农业用水占据主导地位、非农取水口计量情况较好的特征（详见图2）。从水量上看，江苏省取水口整体呈现规模以上取水口控制绝大多数水量、单个取水口平均用水量大、配置与生态用水取水口水量最大的特征（详见图3）。

图2 江苏省取水口数量分布桑基图Fig.2 Sankey diagram of quantity distribution of water intakes in Jiangsu Province

图3 江苏省取水口水量分布桑基图Fig.3 Sankey diagram of distribution of water intake in Jiangsu Province

从取用水专项整治行动收集的信息看，2019年江苏省取水口计量率为37.7%、取水量计量率为39.4%、取水口在线计量率为27.7%、取水量在线计量率为38.8%。结合取水口取水规模、用途、计量设施等属性进一步分析研究取水口特征：取水规模方面，规模以下取水口数量占比将近90%，但对应总取水量占比约10%，取水口数量和水量占比出现相反情况，呈现少数大口门控制绝大多数水量的特点；取水用途方面，虽然江苏省是经济大省，但大部分取水口取水用途为农业用水，取水口数量占比76.9%，但是在水量方面配置与生态用水取水口水量，占比最大为46.6%，其次是农业用水，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组成类，水井类占比10.7%，泵站类取水口数量占比最多达到72.2%，但是闸类取水口对应水量却是泵站类取水口的2.3 倍，农业灌溉机井归为管道型；约62.3%的取水口无器具计量设施，这其中主要是农业用水取水口，部分采用“以电折水”、折算或推算等方式进行监测计量；管道型取水口数量占据绝对主导地位，约占取水口总数量的83.1%，对应水量占比约30%，数量量庞大且近半处于无器具计量设施状态。

2.3 取水口监测计量存在问题分析

从全国范围看，取水口监测计量能力还有明显不足，体现在4个方面。

（1）取水口计量率总体不高，在不同行业间、不同地区间差异较大。通过对各省区的数据分析，全国大多数省区普遍存在取水口计量率不高问题。工业用水、城镇供水和生活自备用水的取水口计量率较高，普遍在80%以上；但农业用水的取水口计量率相对较低，大多数在50%以下。南方省区农业取水口占比较大，但取水口计量率总体比北方地区低。

（2）规模以下取水口数量巨大，取水口计量率较低。各省区规模以下取水口数量巨大且取水口计量率低。其中小型灌区取水口、农用机电井、小型种植户等农业取水口占绝对多数，取水口计量率不足10%，部分甚至不足5%，取水量计量率不足10%，大量的小型灌区取水口、农用机井无器具计量设施。

（3）全国工业和生活用水总体取水口计量率较高，但是多为离线计量，自动化程度低，设备精度和稳定性水平参差不齐，水行政主管部门获得取水量信息时效性差。国家水资源信息管理系统虽然对规模以上颁发取水许可证的取用水户取水量实现了在线监测计量，但所涉及取水口数量占全国比重偏低，且在区域间分布不平衡。

（4）监测准确度存在问题，部分监测点数据不准确、不稳定。部分地区部分取水口计量设施安装不规范，设施运行维护、校准率定等工作严重不足，计量设施出现故障不能及时修复，部分监测点数据不准确、不稳定，计量数据存在一定误差（如东北地区冰冻期无法实现在线监测，枯季小流量测验新技术应用困难）。推算水量的准确性受相关数据来源、人为经验影响大，并缺乏核准依据。

通过全国和典型省区取水口监测计量统计分析来看，管道型取水口在数量上远远超过渠道型取水口，对应监测计量水量二者之间差距不大。全国农业用水监测计量工作存在较大短板，其中大部分农业用水为管道型取水口，具有点多面广和产权不清晰等特点，在行政管理上也存在一定难度。渠道型取水口分布相对集中、责任主体较清晰，且监测计量方法和设施类型较少，一旦加大投资建设和监管力度，渠道型取水口监测计量工作比较好推动。因此，提高整体水资源监测计量能力，重点任务和工作难点在于提高管道型取水口监测计量能力。

3 管道型取水口计量设施技术分析

经市场调查和参考相关技术标准，并结合两期国家水资源监控能力建设项目建设成果，管道型取水口除农业灌溉机井部分采用“以电折水”外，其余管道型取水口主要采用电磁流量计（管段式）、电磁流量计（插入式）和超声波流量计（管段式）等10种设施类型进行监测计量（见表2），因取水规模、取水场景和取水用途等条件不同，不同取水口需要选用相适应的器具计量设施，分析不同类型间误差、环境适应性、计量成本、优缺点和唯一性使用场景等方面差异，能够为取水口监测计量设施的选择、提高器具计量准确率提供技术支撑。

表2 器具计量设施综合比选表Tab.2 Instrument measurement facilities comprehensive comparison table

根据不同类型管道型取水监测计量设施特点，按照施工条件（是否能够进行切管作业）、安装条件（直管段是否满足要求、是否能够开孔、是否是小管径管道等）、管理要求（是否要求在线传输）和建设要求（是否要求控制成本）等4 类取水口建设工作基本条件，制定管道型取水监测计量设施选型技术路线（见图4），梳理现有10 种管道型取水口监测计量器具的应用场景，为取水口监测计量体系建设工作的工作内容划定、任务指标分解和项目预算控制提供技术支撑。

图4 管道型取水监测计量设施选型技术路线图Fig.4 Pipeline type water intake monitoring metering facilities selection technology roadmap

在某些施工条件、安装条件、管理要求和建设要求的条件下，管道型取水口监测计量设施选型具有一定程度上的唯一性，比如在可以进行停水切管作业、直管段较长（前10D，后5D）、无法开孔让传感器伸入管道内的取水口，超声波流量计/声学时差法流量计（外夹式）更适用；在不能进行停水切管作业、直管段较短（不满足前10D，后5D）、非小管径管道（DN＞300）、建设经费较充足的取水口，可以选用电磁流量计（管段式）。

为实现全国取水监测能力快速提升，应积极开展国产替代工作，在符合标准和监测计量要求的前提下，优先使用国产设备。电磁流量计造价高，宜用于中小型管道和测量精度要求高的场合；超声波流量计价格中等，且管径对价格影响不大，适用于大中型管道；电子远传水表价格低廉，适用于小型管道的流量测量等。

4 管道型取水口监测计量能力提升技术分析

经分析研究，提升全国水资源监测计量能力工作重点在于加强管道型取水口监测计量，针对管道型取水口上述问题，在全面梳理管道型取水口计量设施类型和特点的基础上，从提高监测精度、监测稳定性和持久性、系统平台应用能力和出台相关技术标准等4 个方面提出技术方法，为管道型取水监测计量能力提升工作提供技术支撑。

4.1 提高管道型取水口监测计量精度

（1）强化选址设计。监测计量设施的安装位置对于监测计量数据的精度有较大影响必须经过科学论证，尤其是监测水量较大的取水口，《国家水资源监控能力建设项目标准—水资源监测设备现场安装调试》等技术标准对监测计量设施安装位置进行了相关规定。在符合技术标准要求的前提下，管道型取水口可采用便携式流量计探测流量稳定的安装位置。

（2）提高管道型监测精度。大管径（≥DN1000）管道：为保证大管径管道的监测计量精度，一是设备选型时，在成本可控的前提下可选用精度较高的管段式电磁流量计，否则优先选用插入式超声波流量计，可通过增加声道数量提高计量准确度，与单声道超声波流量计相比，多声道流量计对流态分布变化适应能力强，测量精度高，可用于大口径管道和流态分布复杂的管道。二是加强定期校准工作，由于输水量较大，容易导致探头污染或数据偏移等情况，因此建议设备运行正常的情况下，精度等级为0.5 级别的流量计一年至少进行一次在线校准，精度等级为1.0 或更低级别的流量计每两年至少进行一次在线校准。三是摸清取水管网工况，确保无水损影响的前提下选择管径较小，流量更稳定的分管进行计量，并验证原水管段与分管段的流量关系。

（3）针对老化管道优化精度控制措施。运行时间较长的管道会出现锈蚀现象，经不起切割或钻孔，往往只能采用外夹式超声波流量计进行计量，而外夹式流量计的计量精度较低。为保证计量精度达到规范要求，一是确保计量设备是经过合格检验的产品；二是在选址过程中严格按照“前十后五”的标准选择测点，并保证管内流速均匀分布，无抖动，无气泡；三是在安装前对管道表面作光滑处理，提高流量计传感器信号发射稳定性；四是加强校准工作，相对接触式流量计，外夹式流量计稳定性较差，在线校准的频率需加大，一般每年至少进行一次在线校准。

4.2 提高监测计量稳定性和持久性

从技术层面考虑，取水口监测站的监测稳定性和持久性取决于供电电源、设施性能、通讯信号强度及防雷接地等因素：

（1）强化供电电源保障。取水口监测计量设施供电方式推荐以自主电源为主，低功耗设备可采用直流12 V（±15%）供电（条件允许可采用锂电池供电）；高功耗监测计量设施应使用自适应电源，避免市电直接供电。以提高监测计量设施的稳定工作性能以及使用寿命。

（2）提高设施性能。设施质量直接影响其使用寿命，计量仪器、RTU 等核心设备建议要求选择平均故障时间（MTBF）≥45 000 h的技术指标，其他配套设备（如蓄电池、太阳能板等）必须选用检验合格的设备。

（3）保障信号强度。提高通讯信号强度主要通过两种途径，一是在站点设计阶段时通过测验选定信号强度高的安装位置；二是在站点设计中加入增强通讯信号的设备、设施。三是淘汰GPRS通讯方式，采用4G或5G通讯模式。

（4）做好防雷接地。根据实施经验，尤其是南方地区，近一半的取水口监测站点故障是因防雷接地不规范导致，应加强防雷接地的规范审查。

4.3 提高系统平台应用能力

水利部通过国家水资源监测能力建设项目，取用水专项整治行动、水资源监测计量体系建设和用水统计直报等工作，汇集接收了海量的取水口监测计量数据，不同系统间数据库标准有所差异，监测计量数据未达到全部互联互通，提升水资源监测计量能力的一个重要方面就是数据接收系统平台的整合建设工作。下一步按照《取用水管理信息系统整合共享与应用推广实施方案》、《取用水管理信息系统整合共享与应用推广技术方案》和《水资源计量技术标准体系表》等相关文件和技术标准要求，打通数据交换渠道、统一数据库标准、开展数据质量控制、形成专题功能应用，为取水口监测计量提供数字化、网络化化和智能化技术支撑。

4.4 出台相关技术标准

我国已出台最严格水资源管理制度、水资源消耗总量和强度双控政策、国家节水行动等一系列政策措施，下一步即将施行水资源刚性约束制度，对加强取用水监管和水资源监测计量体系建设工作提出了更高、更严的要求。下一步应联合国家市场监管总局，积极推动出台《取用水单位监测计量审查规范》、《取用水监测计量和传输设施运行维护规范》和《取用水监测计量数据接收与处理技术规范》等相关技术标准，规范取用水单位的取用水监测计量管理、取用水监测计量人员、取用水监测计量设备、取用水监测计量数据和自查与整改等方面内容，明确取用水量监测计量的监测站点、监测计量器具和数据传输设施的运行维护等方面要求，制定取用水量监测计量的监测数据接收系统、接收原则、数据处理规则和考核验收等方面标准。

5 结 论

本文在全面收集整理全国和典型省区取水口资料的基础上，结合实地调研，分析研究取水口监测计量现状，从数量和水量两个层面，利用桑基图进行不同取水规模、不同取水用途、不同取水工程、不同监测计量设施和不同输水类型取水口现状统计分析，总结水资源监测计量工作存在问题，针对管道型取水从监测计量设施选型、提高监测计量精度、稳定性、持久性和系统平台应用等方面提出具体监测计量能力提升技术建议，为强化水资源监管，规范取用水行为，建立水资源刚性约束制度和新时代水资源高质量发展提供技术支撑。具体结论如下：

（1）全国取水口的数量分布特点显著。取水口数量巨大、空间分布不均，北方地区取水口多以地下水取水口为主，南方地区取水口少以地表水取水口为主。全国共计约550多万个取水口，整体北方多南方少。全国取水口数量和取水量之间无明显相关性，北方地区用水量小取水口多，南方地区用水量大取水口少。北方地区用水总量占全国比重36.3%，取水口占全国比重90.6%，农业灌溉机井较多且分布不均，单井取水量较小；南方地区用水总量占全国比重63.7%，取水口占全国比重9.4%。全国都具有少数规模较大的取水口控制大部分取水量的特点。

（2）全国取水口监测计量工作应进一步加强。现阶段提升取水口监测计量能力重点在提高取水口计量率，取水规模、取水场景和取水用途等条件不同，采用的监测计量方法和设施也不同。不同监测计量设施间误差、环境适应性、计量成本、优缺点和唯一性应用场景有较大的差异，在充分考虑施工条件、安装条件、管理要求和建设要求的前提下可以比选出科学有效、经济效益高的监测计量设施。

（3）管道型取水口监测计量提升是一项综合性工作。需要从提高监测计量精度、稳定性和持久性、系统平台应用能力和出台相关技术标准等4 个方面着手，全面提升取水口监测计量能力。通过取水口建设全过程包括设计选址、数据质量需求、取水口类型、配套基础设施、系统平台建设等多个技术维度，建立健全技术标准体系，全方位补齐监测计量短板，提升水资源监管能力。