崔 岢張 杰鄧 濤諸小林楊麗丹周新志

(1.成都萬江港利科技股份有限公司，成都，610015；2.四川大學(xué)智能控制研究所，成都，610065；3.四川大學(xué)水利信息化聯(lián)合實驗室，成都，610065)

我國目前仍處于農(nóng)業(yè)灌溉的粗放型管理階段，雖然通過這幾年的飛速發(fā)展，部分灌區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)了一些閘門的信息化和自動化改造，但在支斗渠級別還有大量人工或其他形式的灌溉閘門在工作，這種老式的閘門多為鑄鐵或者焊接閘門，技術(shù)落后，不能計量，管理完全依靠人工，效率低下，矛盾比較突出[1，2]。近幾年，國內(nèi)測控一體化閘門技術(shù)飛速發(fā)展，科技水平、智能管理等已經(jīng)接近國際水平[3]。總體來看，國外農(nóng)業(yè)灌溉已經(jīng)廣泛應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，管理理念先進，技術(shù)先進，設(shè)備先進，部分灌區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)字化管理[3-5]。國內(nèi)灌區(qū)如果采用國外設(shè)備，將面臨設(shè)備價格高、供貨周期長、后期配套服務(wù)跟不上等問題[6-8]。

測控一體化閘門的研究與設(shè)計并應(yīng)用渠道的多級聯(lián)動控制，可實現(xiàn)對渠系網(wǎng)絡(luò)的智能控制和水量調(diào)度，優(yōu)化灌溉水資源調(diào)配，提高渠道灌溉效率[9-12]。

1 閘板的升降結(jié)構(gòu)

閘板的升降設(shè)計如圖1所示，蝸桿蝸輪減速機為雙軸伸結(jié)構(gòu)，兩側(cè)各連接一個傳動軸卷輪，電機正轉(zhuǎn)時，傳動軸帶動鋼絲繩正向纏繞，向上提升門板，開啟閘門；電機反轉(zhuǎn)時，傳動軸帶動鋼絲繩反向纏繞，向下壓升導(dǎo)桿，產(chǎn)生閉門力，關(guān)閉閘門。

圖1 閘板的升降設(shè)計

2 測流方法

采用水工建筑物測流方法，利用河、渠、湖、庫上已有的堰閘、涵洞、抽水站、水電站等水工泄水建筑物，通過實測水頭(水頭差)、閘門開啟高度等水力因素，經(jīng)率定分析或利用經(jīng)驗公式確定流量系數(shù)或效率系數(shù)，用水力學(xué)公式計算流量。其基本原理是能量轉(zhuǎn)換和守恒原理。這種轉(zhuǎn)換和守恒定律可由下式表示[13]：

(1)

(2)

(3)

式中：H0——閘上游水頭；

H1——閘下游水頭；

hw——上下游水頭損失；

ω——閘孔局部水頭損失系數(shù)；

V0——閘上游斷面流速；

V1——閘下游斷面流速；

φ——流速系數(shù)。

以平底閘平板門自由孔流為例，Q=A1V1，A1=Aε，其中A1為閘下過水?dāng)嗝婷娣e；A為閘孔過水?dāng)嗝婷娣e，A=Be；ε為閘孔出流時閘下斷面處的垂直收縮系數(shù)；B為閘孔總凈寬；e為閘門開啟高度。因此，流量為：

Q=AεV1

(4)

令流量系數(shù)μ=εφ

利用水工模型流場數(shù)值模擬技術(shù)，提出“計算機三維數(shù)值模擬測量法”，其原理是利用水工泄水建筑物，結(jié)合渠段特征、渠道襯砌的糙率、水面比降，形成完整的計量模型，從而實現(xiàn)“水位-閘門開度-流量”的關(guān)系，通過動態(tài)改變流量系數(shù)，計算得到過閘流量，實驗室計量的精度誤差可以達到2%。

3 工程設(shè)計

3.1 測控一體化閘門的組成

測控一體化閘門由閘門門框、水位傳感器、開度傳感器、閘門、驅(qū)動裝置、控制器太陽能板，通信板塊組成。其結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 測控一體化閘門結(jié)構(gòu)

閘門門框采用鋁合金結(jié)構(gòu)，安裝固定在混凝土渠道的墻壁上，為其他各部分的安裝提供基礎(chǔ)。水位傳感器采用超聲波水位測量儀。開度傳感器依靠弧形閘門邊緣上的參考點監(jiān)測計算閘門開啟狀況。閘門由三塊鋁合金板組成，采用頂面溢流，兩側(cè)的鋁合金板可發(fā)揮渠道邊墻的作用。驅(qū)動裝置包含直流電動機和減速裝置，集自動控制與手動操作一體化，即使遭遇連續(xù)陰霾天氣電池?zé)o法正常工作，也可通過手柄啟閉閘門。通過太陽能板為整個系統(tǒng)提供能源。通信板塊采用運營商的移動網(wǎng)絡(luò)，將調(diào)度中心與現(xiàn)場測控點進行連接。

3.2 測控一體化閘門的組網(wǎng)

采用星型的組網(wǎng)方式使用運營商的移動網(wǎng)絡(luò)將測控一體化閘門與服務(wù)器進行組網(wǎng)，服務(wù)器可在本地也可在云端，實現(xiàn)本地及遠程控制。通過手機或者PC機登陸遠端服務(wù)器可遠程控制一體化閘門，實現(xiàn)其調(diào)度。測控一體化閘門的組網(wǎng)如圖3所示。

圖3 測控一體化閘門組網(wǎng)

測控一體化閘門多級聯(lián)動控制如圖4所示，可實時采集閘門的開啟高度、上下游水位和運行狀態(tài)等信息，通過遠程3G/4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制中心，由控制中心統(tǒng)一調(diào)度全部閘門，通過渠道上下游閘門的多級聯(lián)動控制，實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置與調(diào)度，從而實現(xiàn)按需供水，對渠道水情(如閘門前后水位、閘門開度和流量)進行實時、精確測量，通過下游控制、優(yōu)化調(diào)度、削減灌溉用水最終實現(xiàn)節(jié)水目的。

圖4 測控一體化閘門多級聯(lián)動控制

3.3 測控一體化閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計

測控一體化閘門根據(jù)其安裝位置可分為節(jié)制閘結(jié)構(gòu)和分水閘結(jié)構(gòu)，按其安裝的數(shù)量可分為單門結(jié)構(gòu)和雙門并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

圖5 測控一體化閘門結(jié)構(gòu)

3.4 軟件平臺展示

測控一體化閘門系統(tǒng)采用基于云平臺的WEB和APP系統(tǒng)，如圖6所示，前端基于邊緣計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，可自動識別水位高度、水面漂浮物、危險堤岸、非法闖入等場景，自動記錄影像資料并向管理人員預(yù)警，管理員可以隨時隨地對閘門進行遠程控制和用水管理。配水員隨時隨地可以通過手機APP進行閘門遠程控制、流量統(tǒng)計、實時視頻瀏覽、實時圖像抓拍、歷史照片瀏覽、異常故障告警和遠程參數(shù)設(shè)置等操作。

圖6 APP界面與實時圖片

4 應(yīng)用實踐及效果

在成都市都江堰灌區(qū)人民渠一處同心堰試點成功安裝并且運行了所設(shè)計的測控一體化閘門，其現(xiàn)場如圖7所示。按照GB/T 21303-2015《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》，利用流速儀對閘門后一段標(biāo)準(zhǔn)渠道斷面進行測量比對，水工建筑物法與流速儀結(jié)果對比，如圖8所示。通過比對流速儀，當(dāng)閘門開度在10cm以內(nèi)時，誤差較大，平均誤差14%；當(dāng)開度在10cm～40cm時，誤差平穩(wěn)，平均誤差4%。

圖7 測控一體化閘門現(xiàn)場

圖8 水工建筑物法與流速儀對比

5 結(jié)論

本文對測控一體化閘門進行了設(shè)計，詳細(xì)介紹了其測流原理、組成結(jié)構(gòu)與組網(wǎng)方式，并且將所設(shè)計的測控一體化閘門投入運行，測控一體化閘門具有單站式設(shè)計、可分期投入，扁平化鏈接、體系化運行，綜合性組網(wǎng)、智能化管控等特點，可使全灌區(qū)閘門實現(xiàn)可視化監(jiān)控、信息化管理、精確化計量、精準(zhǔn)化控制，實現(xiàn)了渠道調(diào)水自動化和信息化，擺脫了傳統(tǒng)的粗放式人工管理方式，提高了工作效率，節(jié)省了時間和人力。