宋增芳，孫棟元，胡想全，程玉菲，徐寶山，張?jiān)屏?/p>

(1.甘肅省水利科學(xué)研究院，蘭州 730000；2.甘肅省疏勒河流域水資源管理局，甘肅 玉門 735211)

為了精確控制渠道內(nèi)輸水效率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提高。疏勒河管理局(以下簡稱疏管局)借助中澳合作內(nèi)陸河流域綜合管理子項(xiàng)目“應(yīng)對(duì)水資源可持續(xù)發(fā)展面臨的威脅”的研究，于2012年4月從澳大利亞潞碧墾公司引進(jìn)9套全渠道測控一體化閘門[1]。2013年初，疏管局昌馬南干渠灌區(qū)被清華大學(xué)確定為國家“十二五”科技支撐項(xiàng)目“水聯(lián)網(wǎng)多水源實(shí)時(shí)調(diào)度與過程控制技術(shù)”的應(yīng)用示范區(qū)[2]，在9套閘門成功運(yùn)行的基礎(chǔ)上，疏管局又安裝51孔一體自動(dòng)化測控閘門，于2015年6月全面完成60孔閘門的安裝調(diào)試。在上述基礎(chǔ)上，于2016年又安裝3孔閘門。目前，昌馬南干渠灌區(qū)總共安裝全渠道測控一體化系統(tǒng)63套，系統(tǒng)安裝后可優(yōu)化水資源的供給，保持農(nóng)戶用水流量的均衡，同時(shí)杜絕渠道末端出現(xiàn)多余水量流失。

1 概 況

1.1 灌區(qū)概況

昌馬灌區(qū)位于河西走廊西端的疏勒河中游，東起四墩門，西至瓜州牧場，南依祁連山北麓的昌馬水庫，北臨橋?yàn)?、飲馬北山，東西長105 km，南北寬15～25 km，現(xiàn)狀灌溉面積4.59 萬hm2，灌區(qū)總?cè)丝?3.95萬人。灌區(qū)內(nèi)現(xiàn)有引水樞紐2處，一處是核工業(yè)集團(tuán)404 廠工業(yè)取水口，設(shè)計(jì)引水流量為3.2 m3/s；一處是昌馬渠首，是以農(nóng)業(yè)灌溉為主的水利樞紐，設(shè)計(jì)引水流量為65 m3/s。灌區(qū)內(nèi)現(xiàn)有干渠7條，渠道總長187.37 km，支干渠10條，總長114.89 km，支渠56條，渠道總長261.62 km，分支渠19條，渠道總長65.67 km；各類渠系建筑物1855座[3,4]。灌區(qū)在節(jié)水改造過程中，于2012年開始在昌馬南干渠灌區(qū)安裝全渠道一體化測控閘門，目前陸續(xù)安裝設(shè)備63套。

1.2 全渠道控制系統(tǒng)(TCC)

澳大利亞潞碧墾(Rubicon )公司研制開發(fā)的全渠道控制系統(tǒng)(TCC)是全球最先進(jìn)的灌溉控制技術(shù)之一，也是典型的下游控制系統(tǒng)[4-6]。其核心設(shè)備為測控一體化閘門，該閘門集水量監(jiān)測和控制于一體，系統(tǒng)由模塊化的硬件和軟件組合而成，在澳大利亞、美國等國廣泛應(yīng)用，近幾年在我國一些灌區(qū)也開始推廣應(yīng)用，通過計(jì)算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)每扇閘門自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高了農(nóng)田配水效率，為用水戶提供了靈活、可靠、公平的供水服務(wù)[7]。

1.3 一體化測控閘門

(1)構(gòu)成。一體化測控閘門作為全渠道控制系統(tǒng)核心設(shè)備，主要由閘門、水位傳感器、開度傳感器、控制器、太陽能板、電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)裝置、門框、止水材料等部件組成，具有質(zhì)量高、精度高，設(shè)計(jì)先進(jìn)、安裝維護(hù)方便、模塊化和多功能等優(yōu)點(diǎn)。

(2)工作原理。一體化測控閘門是由水力學(xué)原理設(shè)計(jì)而成，是集測、控于一體的頂面溢流式閘門，閘門可通過自身測得的上下游水位和閘門開度計(jì)算出流量，以太陽能為動(dòng)力，通過集成在內(nèi)部的無線通信系統(tǒng)和SCADA網(wǎng)絡(luò)與控制中心及用水戶連接，控制中心和用水戶通過配套軟件系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)聯(lián)系，為用水戶提供及時(shí)而穩(wěn)定的供水服務(wù)[7,8]。一體化測控閘門為堰流式出流，流量計(jì)算公式[9]：

(1)

m按照雷伯克(T Rehbock)流量系數(shù)公式[9]計(jì)算：

(2)

(3)

式中：Q為過堰流量；b為堰寬；H為堰上水頭；m為堰流流量系數(shù)；P為上游堰高。

(3)功能。一體化測控閘門可為用戶提供定制的解決方案，比如渠系管理和控制，需求管理，或者用戶訂水管理和收費(fèi)；也可與全渠道控制系統(tǒng)的其他設(shè)備相結(jié)合為灌區(qū)所面臨的挑戰(zhàn)提供解決方案，比如配水效率、運(yùn)行控制、精確計(jì)量和提高為農(nóng)民服務(wù)的水平[10]。

(4)特點(diǎn)。一體化測控閘門集精確的超聲波水位測量、高精度的流量計(jì)量與閘門控制、高強(qiáng)度的運(yùn)作負(fù)載周期、頂流堰式設(shè)計(jì)和全太陽能驅(qū)動(dòng)于一體，實(shí)現(xiàn)就地/遠(yuǎn)程與全渠道TCC控制模式，獲得精準(zhǔn)化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[11,12]。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 一體化測控閘門分布

昌馬南干渠灌區(qū)63套一體化測控閘門，包括進(jìn)水閘43孔，其中，南干渠4孔，南干一分干渠14孔，南干二分干渠9孔，南干一分干一支渠8孔，南干一分干二支渠1孔，南干二分干一支渠5孔，南干二分干二支渠2孔。節(jié)制閘20孔，其中，南干一分干渠4孔，南干二分干渠5孔，南干一分干一支渠6孔，南干一分干二支渠1孔，南干二分干一支渠2孔，南干二分干二支渠2孔。目前，一體化測控閘門在南干渠控制灌溉面積總共4 917.2 hm2，其中，南干一分干渠控制灌溉面積3 188 hm2，南干二分干渠控制灌溉面積1 493.53 hm2，南干一斗分水閘控制灌溉面積235.67 hm2。其中一體化測控閘門分布示意圖見圖1，一體化測控閘門分布表和灌溉控制面積表見表1和表2。

圖1 昌馬灌區(qū)南干渠渠系分布示意圖Fig.1 Distribution diagram of canal system on South trunk canal of Changma irrigation

渠系進(jìn)水閘孔數(shù)節(jié)制閘孔數(shù)南干渠40南干一分干144南干二分干95南干一分干一支渠86南干一分干二支渠11南干二分干一支渠52南干二分干二支渠22閘門總計(jì)4320

表2 一體化測控閘門灌溉控制面積表 hm2

2.2 一體化測控閘門控制方式

全渠道測控一體化閘門的控制方式分就地/遠(yuǎn)程控制方式和全渠道TCC控制方式[13,14]。

就地/遠(yuǎn)程控制方式其設(shè)定過程分為2種：就地人工控制和遠(yuǎn)程人工控制；設(shè)定模式有4種：流量模式、定位模式(閘門開度模式)、上游水位模式、下游水位模式。在這種控制方式下，全灌溉渠系以及各個(gè)閘門之間的信息傳遞和相互協(xié)調(diào)均由管理人員通過前饋與反饋聯(lián)合控制進(jìn)行[15]。

全渠道TCC控制方式，當(dāng)用戶預(yù)訂用水時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)檢查用戶預(yù)訂的水量是否合適，輸水系統(tǒng)是否有容量及調(diào)水限制，確定后才把信息發(fā)送到用戶預(yù)訂的槽閘口，在用戶要求的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)開啟一體化槽閘，通過不斷調(diào)整，達(dá)到用戶預(yù)訂的流量。上游槽閘預(yù)計(jì)下游槽閘需求，然后采用前饋控制上游槽閘，隨著實(shí)時(shí)水位與流量信息的不斷調(diào)整來維持下游渠道水位。當(dāng)下游用戶用水時(shí)，下游渠道水位下降，通過調(diào)整每個(gè)閘門的高精度水位傳感器與閘門調(diào)整開度補(bǔ)充水量，直至水位達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值。依次往上類推，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有閘門在短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)到最佳工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)渠系網(wǎng)絡(luò)輸配水的自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化。全渠道TCC控制方式，可分為基于需求和基于供給的兩種控制模式。基于需求得運(yùn)行方式是通過改變閘門流量(開度)以匹配下游渠系時(shí)間需求，并保持渠段下游水位在設(shè)定值；基于供給的運(yùn)行方式通過改變閘門流量(開度)以匹配上游渠系時(shí)間需求，并保持渠段上游水位在設(shè)定值[16]。就地/遠(yuǎn)程控制方式閘門均為獨(dú)立運(yùn)行，不考慮上下游閘門的情況；TCC控制方式閘門為系統(tǒng)控制，每一個(gè)閘門的調(diào)節(jié)會(huì)根據(jù)整個(gè)渠系的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。測控一體化閘門控制模式以及控制效果見圖2和表3。

剛才我給學(xué)生布置作文，把題目寫黑板上了：我的翅膀。李老黑說，你這幾個(gè)字有問題。人又不是鳥，咋會(huì)長翅膀，你叫娃娃們咋寫？你這人腦子是不是有毛病，這樣教法不會(huì)把娃娃也教傻了？

圖2 一體化測控閘門控制模式圖Fig.2 Control mode of Integrated measurement gate

2.3 一體化測控閘門運(yùn)行效果

昌馬南干渠灌區(qū)測控一體化閘門目前在實(shí)際運(yùn)行過程中以就地/遠(yuǎn)程控制方式為主，節(jié)制閘為定位控制模式，進(jìn)水閘為流量控制模式，泄洪閘為上游水位模式。閘門被控對(duì)象主要為閘門流量、閘門上、下游水位。研究選擇南干渠進(jìn)水閘(型號(hào)FGB-1675-1804)，運(yùn)行年份為2014年4月-2017年6月，主要對(duì)閘門平均流量、平均上游水位、平均下游水位以及累計(jì)水量等的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由南干進(jìn)水閘運(yùn)行圖顯示，一體化測控閘門的流量、水量變化趨勢(shì)幅度較大，變化規(guī)律因春灌、夏灌、秋灌、冬灌作物需水量的不同，一般在灌溉初逐漸增加灌水量，當(dāng)達(dá)到灌水定額的設(shè)定值后又開始逐漸減少灌水量，一般年末會(huì)停止灌溉，閘門也相應(yīng)停止運(yùn)行，流量、水量達(dá)到最小值(見圖3)。閘門在2016年八九月份時(shí)，出現(xiàn)進(jìn)水閘閘門上游水位低于閘門下游水位，閘門有過流流量的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象說明在汛期閘門運(yùn)行時(shí)，大量泥沙入渠，致使水位傳感器不能準(zhǔn)確測量水位、流量。總體來看，閘門在運(yùn)行期間比較穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期測量的效果。

表3 一體化測控閘門控制模式及控制效果表Tab.3 Control mode and effect table of integratedmeasurement and control gate

圖3 南干渠進(jìn)水閘運(yùn)行圖Fig.3 Operation data change diagram of South Dry Sluice

3 存在的問題

一體化測控閘門自安裝并開始運(yùn)行以來，運(yùn)行管理經(jīng)歷了不斷的改進(jìn)和提高，運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了多次的試驗(yàn)率定。由目前的運(yùn)行情況和運(yùn)行臺(tái)賬記錄顯示，一體化測控閘門雖已實(shí)現(xiàn)就地/遠(yuǎn)程的監(jiān)測和控制方式，但離實(shí)現(xiàn)全渠道TCC控制還有一定的差距，主要是存在兩個(gè)方面的問題：一是通訊問題。主要是距離較遠(yuǎn)的控制閘門，有時(shí)出現(xiàn)通訊信號(hào)不好的現(xiàn)象，造成操作指令不能及時(shí)有效的下達(dá)；其次是控制中心主通訊模塊頻繁易壞，在短時(shí)間內(nèi)不能更換，導(dǎo)致的通訊失敗問題。二是水位傳感器問題。水位傳感器作為測控的主要配件，經(jīng)常因傳感器出現(xiàn)故障，造成測量的不準(zhǔn)確，出現(xiàn)偏大或偏小的問題，尤其在汛期運(yùn)行，大量泥沙入渠，致使傳感器出現(xiàn)不能準(zhǔn)確測量水位、流量等問題。目前，昌馬南干渠工作人員已聯(lián)系到相關(guān)技術(shù)專家，針對(duì)存在的問題進(jìn)行改進(jìn)中。

4 結(jié) 語

通過對(duì)昌馬灌區(qū)南干渠進(jìn)水閘2014年4月-2017年6月閘門平均流量、平均上游水位、平均下游水位以及累計(jì)水量等的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明：閘門的流量、水量變化趨勢(shì)較大。變化規(guī)律因春、夏、秋、冬灌作物需水量的不同，呈現(xiàn)先增后減，在灌溉初灌水量逐漸增加，當(dāng)達(dá)到灌水定額的設(shè)定值后又開始逐漸減少，年末流量、水量達(dá)到最小值，閘門停止運(yùn)行。閘門的上游水位、下游水位，在2016年八九月份，出現(xiàn)進(jìn)水閘閘門上游水位低于閘門下游水位，閘門有過流流量的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象說明閘門在汛期運(yùn)行時(shí)，大量泥沙入渠，對(duì)水位傳感器造成影響，導(dǎo)致水位測量不準(zhǔn)確。另外，針對(duì)閘門通訊不好以及傳感器測量不準(zhǔn)確等問題，目前已找到相應(yīng)解決措施，正在改進(jìn)中?？傮w來看，閘門運(yùn)行比較穩(wěn)定，可達(dá)到預(yù)期的測量效果，并實(shí)現(xiàn)灌區(qū)作物精量灌溉。

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