國網(wǎng)河北電力公司自主研發(fā)“電力看水資源”平臺 打造“以電折水”應用示范

　　7月2日，大雨過后，河北省正定縣曲陽橋鎮(zhèn)曲陽橋村外的田野里，麥茬間新長出的玉米幼苗綠意盈盈。充足的雨水讓持續(xù)多天的灌溉停了下來，國網(wǎng)河北省電力有限公司的“電力看水資源”平臺上，該公司供區(qū)內(nèi)農(nóng)灌機井的日用電量從6000萬千瓦時回落到1000萬千瓦時。

　　2020年，國網(wǎng)河北電力自主研發(fā)“電力看水資源”平臺，在全國率先打造“以電折水”應用示范項目，解決了農(nóng)業(yè)水資源利用缺乏精準計量的問題。截至目前，國網(wǎng)河北電力通過“以電折水”應用示范，為河北省水利部門省去購買水表等的投資金額30余億元，并在國家重大科技支撐計劃項目“渤海糧倉”科技示范工程中助力每畝土地年均節(jié)水40噸，共識別超限額用水機井7428眼，為一系列節(jié)水、護水政策制定提供了詳細的數(shù)據(jù)支撐。

　　用電數(shù)據(jù)折算灌溉用水量

　　華北平原是我國人口數(shù)量最多的平原，水資源時空分布不均、供需矛盾突出等問題在這片土地上由來已久，多年地下水超采更讓遼闊的華北平原成為巨大的“漏斗區(qū)”。

容城縣供電公司員工走訪調(diào)研農(nóng)業(yè)園灌溉情況。章艷芳 攝

　　華北平原也是我國糧食的主產(chǎn)區(qū)之一。2013年，國家重大科技支撐計劃項目——“渤海糧倉”科技示范工程啟動，如何高效利用農(nóng)業(yè)水資源是工程的重要課題。

　　“我們花了十幾年的時間，引導種植戶將冬季灌溉冬小麥的次數(shù)從3次減少到2次，節(jié)水成效顯著。但是節(jié)水量有多少，灌溉用水量還能壓減多少，并沒有確切數(shù)字。很多時候，我們的節(jié)水灌溉策略成了‘空中樓閣’。”中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心副研究員齊永青說。

　　當研究人員把統(tǒng)計農(nóng)業(yè)節(jié)水數(shù)據(jù)的目光始終聚焦在“水”上面時，與農(nóng)業(yè)灌溉緊密相連的“電”有了新的突破：2007年，國網(wǎng)河北電力供區(qū)內(nèi)實現(xiàn)“井井通電、戶戶持卡”;2017年，全部機井完成電氣化升級;如今，農(nóng)業(yè)灌溉機井實現(xiàn)智能電表全覆蓋。

　　一面是強烈的用水計量需求，一面是完備的灌溉用電計量體系，能不能通過用電數(shù)據(jù)折算出農(nóng)業(yè)灌溉用水量?

　　2016年，國網(wǎng)河北電力營銷服務中心專責李飛和齊永青見面溝通后，發(fā)現(xiàn)科研項目試驗基地地下水水位相對固定，利用灌溉機井的用電量和功率就可以折算出取水量。但是科研項目的難點在于試驗用的智能電表大多裝在野外，通信數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，難以遠程收集試驗數(shù)據(jù)。

　　李飛和研究人員一起到農(nóng)業(yè)資源研究中心設在南皮縣的試驗基地，了解農(nóng)田通信信號特點，開展通信模塊空域、時域、頻域信號特性測試。

　　最終，李飛和團隊成員研發(fā)出灌溉智能電表、農(nóng)業(yè)灌溉費控終端通信模塊程序一致性比對裝置。該裝置可在電表采集現(xiàn)場即插即用，還可以實時甄別不同通信運營商信號強弱，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

　　“以電折水”從設想變成現(xiàn)實

　　河北是農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)用水量占全社會用水量的60%左右，主要以地下水作為供水水源。多年來，農(nóng)業(yè)灌溉取水計量一直是水資源管理的難點。

國網(wǎng)河北電力營銷服務中心員工向前來參觀的清華大學學生講解“以電折水”原理。李兵 攝

　　“以電折水”研究成果讓解決這個難題有了思路。2016年，河北省水利廳找到國網(wǎng)河北電力，希望對農(nóng)業(yè)灌溉機井進行“以電折水”計量。

　　“以電折水”范圍從一個科研項目擴大到全省，工作量陡然增加，對折算精準度也提出了更高的要求。

　　1千瓦時電到底能抽出多少立方米的水?電量確定后，是不是就能直接折算水量?

　　地下水水位、地形條件都直接影響著折算結(jié)果的精準度。2017～2019年，國網(wǎng)河北電力營銷服務中心配合河北省水利廳在河北南部地區(qū)選定1700余眼農(nóng)業(yè)灌溉機井，同步測量機井取水量和同時段用電量，逐一核算確定不同地域的折水系數(shù)。

　　2017年3月1日，《河北省農(nóng)業(yè)用水以電折水計量實施細則(試行)》印發(fā)實施，指出種植業(yè)取用地下水未安裝取水計量設施的地區(qū)，通過“按電計量、以電折水”的方式核定水量。

　　2020年，國網(wǎng)河北電力作為試點單位，開發(fā)了“電力看水資源”平臺，大量研究數(shù)據(jù)在平臺上匯聚。

　　2021年4月9日，河北省水利廳和國網(wǎng)河北電力簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，“以電折水”技術在農(nóng)業(yè)灌溉取水計量中全面落地實施，一系列工作在全省迅速鋪開。

　　國網(wǎng)河北電力基于“井井通電”“一井一碼”建設成果，采用“智能識別+現(xiàn)場核查”方式，在短短幾個月內(nèi)，將供區(qū)內(nèi)68萬余眼農(nóng)灌機井水電檔案匹配到村、關聯(lián)到戶，并與河北省水利廳建立水-電檔案信息共享交互機制，實現(xiàn)了水-電檔案信息實時動態(tài)更新。

　　“以電折水”從設想變成現(xiàn)實，不僅為政府部門提供了精準的數(shù)據(jù)支撐，還為水利部門節(jié)約購買水表等的投資金額30余億元。2022年，國網(wǎng)河北電力推出的“以電折水”計量法在山東、河南等10個省推廣。

　　數(shù)據(jù)計量準確度再提高

　　探索的腳步并沒有停下。國網(wǎng)河北電力營銷服務中心技術開發(fā)與數(shù)字化室專責李夢宇帶著團隊在進一步提升“以電折水”計量精準度上下功夫。

　　2021年，正定縣正定鎮(zhèn)西邢家莊村被選定為“農(nóng)業(yè)灌溉用水量遙感監(jiān)測”試點項目的地面校驗樣本村。李夢宇和團隊成員對村里33眼農(nóng)業(yè)灌溉機井取水量采用“以電折水”方式計量，河北省水利廳同時為機井加裝了計量水表。

國網(wǎng)河北電力營銷服務中心員工進行“以電折水”數(shù)據(jù)分析。李兵 攝

　　通過對比3年的“以電折水”計量和水表計量結(jié)果，“以電折水”計量法的偏差率從2021年的10.1%下降到2023年的1.5%。

　　在試驗過程中，李夢宇和團隊成員發(fā)現(xiàn)當數(shù)據(jù)樣本豐富后，新的問題又出現(xiàn)了。以正定縣“以電折水”示范區(qū)為例，9738戶電力客戶中，有129戶混合農(nóng)業(yè)灌溉客戶、484戶非農(nóng)業(yè)取水客戶。只有精準地識別哪些是農(nóng)業(yè)灌溉客戶、農(nóng)業(yè)灌溉電量有多少，才能為水資源精細化管理提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

　　團隊以農(nóng)灌電表為基本單位，依托“電力看水資源”平臺數(shù)據(jù)，一方面結(jié)合農(nóng)灌機井負荷變化規(guī)律，建立農(nóng)業(yè)灌溉客戶綜合識別分析模型，精準識別混合用電客戶，通過抽樣現(xiàn)場驗證，讓模型識別準確率達到93%;另一方面，針對一臺電表同時計量農(nóng)灌用電和非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電的問題，挖掘不同用電類型特征，構建了混合灌溉電量占比測算模型，精準提取農(nóng)灌機井用電量，模型識別準確率超過95%。

　　“電力看水資源”平臺實現(xiàn)了對68萬眼農(nóng)灌機井用水數(shù)據(jù)在線精準監(jiān)測。目前，“以電折水”監(jiān)測結(jié)果被納入河北省水利廳水資源管理月報，為水利部門開展水資源精細化管理提供數(shù)據(jù)支撐。“電力看水資源”平臺應用以來，已累計識別超限額用水機井7428眼。

　　據(jù)測算，精準數(shù)據(jù)支撐下的節(jié)水灌溉技術在全省推廣后每年還可節(jié)水1.1億噸。

　　6月14日，水利部與國家電網(wǎng)有限公司簽署戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，將進一步深化“水利+電力”政企合作，構建電力大數(shù)據(jù)多樣化水利應用場景，助力各地用好水資源。(龐彥娟 李兵)