張 燃

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙 410000）

0 引言

隨著我國水利信息化建設(shè)工作的不斷推進，測控一體化閘門系統(tǒng)逐漸替代了傳統(tǒng)閘門。測控一體化閘門系統(tǒng)可實現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的自動監(jiān)測、收集與計算，計量精度高，可存儲、查詢數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程自動控制，提高水利工程管理水平。閘門一體化測控系統(tǒng)包括現(xiàn)地測控一體化設(shè)備、通信系統(tǒng)、監(jiān)控中心等，各組成部分設(shè)備如表1 所示。

表1 閘門一體化測控系統(tǒng)組成設(shè)備

測控一體化閘門在水利工程中的運用優(yōu)勢：①系統(tǒng)集成性高，可簡化改造施工程序，快速完成測控一體化閘門安裝工作；②智能化調(diào)節(jié)閘門，快速穩(wěn)定數(shù)位異常波動，實現(xiàn)水利系統(tǒng)穩(wěn)定運行；③可遠程監(jiān)控閘門運行狀態(tài)，提高信息化管理水平；④系統(tǒng)流量計量精度高，在水權(quán)分配、水費計收方面優(yōu)勢明顯；⑤系統(tǒng)通過精確計算可及時發(fā)現(xiàn)泄漏、滲漏等問題，制定針對性處理方案；⑥系統(tǒng)可利用太陽能為動力，具有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點。

1 測控一體化閘門類型與測水原理

1.1 測控一體化閘門類型

測控一體化閘門集測、控功能于一體，可通過自身測得上下游水位、閘門開度測得流量，借助無線通信系統(tǒng)、配套軟件可實現(xiàn)控制中心與用水戶間實時動態(tài)聯(lián)系，提供穩(wěn)定的供水服務(wù)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，可將測控一體化閘門分為板閘和槽閘兩類（圖1）。目前，我國測控一體化閘門主要包括國外廠商和國內(nèi)廠商兩大來源，其中，國外的全渠道控制系統(tǒng)（TCC）是最先進的灌溉控制技術(shù)之一，主要設(shè)備包括測控一體化槽閘、板閘流量計、配套軟件等；國內(nèi)主要設(shè)備包括測控一體化板閘、槽閘、電磁流量計、管道流量計等。

圖1 測控一體化閘門

當前測控一體化閘門系統(tǒng)主要的控制方式有兩種：①就地/遠程控制方式：基于此種控制方式下，管理人員通過前饋與反饋聯(lián)合控制，實現(xiàn)全灌溉渠系與各個閘門間信息傳遞與協(xié)調(diào)控制；②全渠道TCC 控制方式：當用戶預定用水，軟件將對預定水量進行分析，判斷輸水系統(tǒng)是否存在容量、調(diào)水限制；確定用水需求后，系統(tǒng)將信息發(fā)送至用戶預訂槽閘口，基于規(guī)定時間開啟一體化槽閘，滿足用戶流量需求。此種控制方式分為兩種應(yīng)用模式，分別是基于需求和基于供給對閘門啟閉進行控制。上述兩種控制方式中，就地/遠程控制方式下，閘門處于獨立運行狀態(tài)，在自動化控制時無需考慮上、下游閘門情況；全渠道TCC 控制方式下，閘門的控制具有系統(tǒng)性特征，即每個閘門開度的調(diào)節(jié)均要考慮整個渠系的狀態(tài)。兩種控制方式的具體應(yīng)用情況見表2。

表2 一體化測控閘門不同控制方式

1.2 測控一體化閘門量測水原理

1.2.1 板閘量測水原理

板閘結(jié)構(gòu)可分為不帶測箱和帶測箱兩大類，前者可使用閘前閘后水位計機械年水位計量。搭載超聲波測箱的測控一體化板閘測流原理：測箱兩側(cè)設(shè)多個對向發(fā)射的超聲波探頭，采用超聲波時差法對測箱內(nèi)流體流速、流量進行分層計算，得到三維流速場，并計算求得整體過閘流量（圖2）。

圖2 測控一體化板閘測水原理

1.2.2 槽閘量測水原理

槽閘屬于量水堰槽，利用閘門傳感器獲取上游水位H、下游水位ht、閘門開度等信息，并采用堰流公式計算過堰流量，測水原理如圖3 所示。流量計算公式：

圖3 測控一體化槽閘測水原理

按照雷伯克流量系數(shù)公式計算：

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

1.3 測控一體化閘門的選用

在水利工程建設(shè)中，不同型式測控一體化閘門適用場景有所差異，需根據(jù)渠道型式、閘門位置以及場景美觀性要求等進行閘門選型，此外還需考慮周邊交通、建筑物狀況等。

（1）干渠中小型節(jié)制閘：閘門寬度、高度不超過2 m，宜選用測控一體化槽閘或板閘。其中，無水量測量要求的水閘，可選用板閘不帶測箱的型式；不允許修建胸墻的河道干渠，或因美觀要求不得將閘門抬升太高的情況下，可選用測控一體化槽閘。若是閘門尺寸超過2 m，可根據(jù)閘孔情況選用不銹鋼、鑄鐵閘門等。

（2）涵洞式支、斗渠口或干渠直開口：宜選用測控一體化板閘，要求測箱前伸距離不得對上一級渠道水流流態(tài)產(chǎn)生影響。

（3）開敞式支、斗渠口或干渠直開口：宜選用測控一體化板閘或槽閘，板閘可不帶測量。

2 測控一體化閘門系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 項目背景

該項目為中型灌區(qū)，設(shè)計灌溉總面積23.9 萬畝，目前實際可保證灌溉面積共計19.58 萬畝。灌區(qū)內(nèi)輸水干渠長26.5 km，干渠上支渠73 座、小揚水站41 座，近3 年平均灌溉用水量7190.3萬立方米。目前干渠采取分段管理方法，設(shè)有4 個管護段，開展相關(guān)安全巡護、運行操作、維護保養(yǎng)以及節(jié)水灌溉宣傳等工作。灌區(qū)供水主要采用無喉道量水槽進行人工觀測計量，干渠供水商品率多年均值86%。為實現(xiàn)高效節(jié)水灌溉，對灌區(qū)進行節(jié)水配套改造，建設(shè)內(nèi)容如下：干渠砌護9.07 km，配套建筑物59 座，項目采用測控一體化閘門，其中配套支渠閘門50 套、干渠閘門9 套，同時配套渠道狀況視頻監(jiān)視點6 處，并建設(shè)1 座信號傳輸中轉(zhuǎn)塔。

2.2 測控一體化閘門系統(tǒng)架構(gòu)

采用測控一體化閘門，改造施工內(nèi)容涉及干渠節(jié)制閘改造、支渠口建設(shè)及改造、通信網(wǎng)絡(luò)、調(diào)度中心建設(shè)。測控一體化閘門系統(tǒng)架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 測控一體化閘門系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 測控一體化閘門系統(tǒng)選擇與建設(shè)

2.3.1 干渠節(jié)制閘

干渠節(jié)制閘選用澳大利亞測控一體化槽閘系統(tǒng)，依據(jù)水力學原理設(shè)計的頂面溢流式閘門，共計9 扇閘門，組成部分包括通信系統(tǒng)、太陽能板、控制器、電機及驅(qū)動裝置、開度傳感器、水位傳感器、門框、止水材料以及閘門。系統(tǒng)采用太陽能作為動力，通過無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)與調(diào)度中心的數(shù)據(jù)傳輸，可實現(xiàn)節(jié)制閘的遠程、實時控制。

2.3.2 支渠口閘門

支渠口安裝測控一體化板閘，測量精度≥95%，共計51 扇閘門，干渠形成封閉自動化控制系統(tǒng)，干渠各分水口的水量可實現(xiàn)精確計量，按方收取實際水費。測控一體化板閘底部過流，以太陽能驅(qū)動，主要組成部分包括閘門門框、水位傳感器、開度傳感器、閘門、驅(qū)動裝置、控制器、太陽能板以及通信模塊等，閘門運行可遠程、實時監(jiān)控，同時也具有節(jié)能環(huán)保的特點。

2.3.3 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)采用無線通信+光纖通信的組網(wǎng)方式。為保證閘門穩(wěn)定可靠運行，項目于二泵站建設(shè)1 座通信基站，閘門內(nèi)部無線通信模塊的與通信基站建立無線通信鏈路；調(diào)度中心與二泵站光纖通信。

2.3.4 調(diào)度中心

灌區(qū)測控一體化閘門系統(tǒng)調(diào)度中心設(shè)置在電灌站及二泵站，灌溉管理軟件基于GIS 系統(tǒng)平臺與全渠道控制理念開發(fā)，采用的是基于需求的控制模式，即：將每個渠道視作蓄水池，一旦下游的取水渠道出現(xiàn)水位降低的情況，閘門將自動調(diào)節(jié)開度，實現(xiàn)水量補充，將下游取水渠道的水位維持在設(shè)定值。以此類推，灌區(qū)渠道中設(shè)置的每個閘門自動調(diào)節(jié)開度、維持渠道水位，基于計算機與通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)整個灌區(qū)內(nèi)輸配水的自動化。灌區(qū)管理中，管理人員通過終端訪問灌溉管理軟件，完成日常業(yè)務(wù)，實現(xiàn)自動調(diào)度控制、信息監(jiān)測。

3 系統(tǒng)運行情況及改造效益

該項目完成測控一體化閘門系統(tǒng)建設(shè)投入運行后，大幅提高支渠供水穩(wěn)定性，減輕渠道工作人員勞動強度，提高了灌區(qū)管理水平。60 扇測控一體閘門基本實現(xiàn)定流量、定水位、定開度自動控制，提供遠程監(jiān)控、流量自動測量等功能。閘門實際運行情況顯示止水嚴密、流量測量精度高、監(jiān)控圖像清晰，為遠程管理提供可靠依據(jù)。

運行效益：①促進了灌區(qū)信息化建設(shè)，提高了灌區(qū)運行管理水平，為農(nóng)業(yè)水價改革、水權(quán)轉(zhuǎn)換奠定基礎(chǔ)；②測控一體化閘門系統(tǒng)運行后，有效減小了干渠輸水中水量損失，改善灌溉面積23.3 萬畝，常年灌溉面積11.1 萬畝，與改造前相比，年節(jié)水486.22 萬立方米；③項目區(qū)節(jié)水改造后，有效緩解上下游用水緊張局面，減少農(nóng)業(yè)用水糾紛，為區(qū)域穩(wěn)定發(fā)展奠定基礎(chǔ)。