孫淑華，李 莉，馬海峰，程 良

(寧夏回族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，銀川 750021)

1 研究背景

水利部在2007年通過“948”項目將澳大利亞潞碧墾公司生產(chǎn)的測控一體化閘門引入中國。測控一體化閘門同時具有水量監(jiān)測和控制功能，可以穩(wěn)定閘前水位，啟閉靈活[1]。通過幾年的試驗示范，測控一體化閘門的科學(xué)理念和設(shè)備的先進(jìn)性已得到國內(nèi)水利同行的認(rèn)可[2-6]。全渠道控制系統(tǒng)(Total Channel Control，TCC)是以全渠道測控一體化閘門為核心設(shè)備的典型下游控制系統(tǒng)，TCC 能夠通過將流量測量與上下游水位、閘門的控制結(jié)合為一整體來精確控制渠道內(nèi)輸水效率。當(dāng)下游用戶用水時，TCC根據(jù)下游需水要求，適時向下游閘門相鄰的上游閘門發(fā)射閘門調(diào)節(jié)信號，依次往上類推，通過渠系中每個閘門配置的高精度水位傳感器和反饋、前饋控制相結(jié)合，自動調(diào)節(jié)開度補(bǔ)充水量，直到水位達(dá)到設(shè)定值為止。在確保所有農(nóng)田灌溉供水穩(wěn)定的同時，也減少了由于使用傳統(tǒng)灌溉基礎(chǔ)設(shè)施而產(chǎn)生的大量退水和水流失[7,8]。近幾年，TCC在國內(nèi)多個灌區(qū)得到應(yīng)用[9-12]。

南山臺子揚(yáng)水灌區(qū)工程始建于1978年，工程布置三級揚(yáng)水，其中揚(yáng)水干渠總長28.2 km。由于該灌區(qū)歷史悠久，工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，更新改造投入不足，造成揚(yáng)水干渠砌護(hù)率低，渠道配套設(shè)施差，已不能適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和節(jié)水型灌區(qū)建設(shè)需求。因此，灌區(qū)于2015年開始進(jìn)行了節(jié)水配套改造項目，其中揚(yáng)水干渠砌護(hù)13.5 km，新建和改造節(jié)制閘6座(分別為陰洞粱節(jié)制閘、彩達(dá)節(jié)制閘、堿溝節(jié)制閘、青駝崖節(jié)制閘、喜溝節(jié)制閘和丹陽節(jié)制閘)，安裝9扇測控一體槽閘(其中陰洞梁節(jié)制閘、彩達(dá)節(jié)制閘和堿溝節(jié)制閘為雙孔設(shè)置，青駝崖節(jié)制閘、喜溝節(jié)制閘和丹陽節(jié)制閘為單孔設(shè)置)，并配套安裝TCC系統(tǒng)。南山臺子揚(yáng)水干渠安裝的測控一體化槽閘型號及數(shù)量情況見表1，揚(yáng)水干渠各渠段渠道參數(shù)見表2。

表1 南山臺子揚(yáng)水干渠測控一體化槽閘型號及數(shù)量Tab.1 Type and quantity of integrated measurement and control gates of main water-lifting channel in Nanshantaizi irrigation area

表2 南山臺子揚(yáng)水干渠渠道參數(shù)Tab.2 Parameters of main water-lifting channel in Nanshantaizi irrigation area

2 閘門分布和系統(tǒng)控制方法

2.1 測控一體化閘門參數(shù)及分布

南山臺子揚(yáng)水干渠安裝的測控一體化槽閘見圖1，本次試運(yùn)行涉及的陰洞粱節(jié)制閘、彩達(dá)節(jié)制閘、堿溝節(jié)制閘和青駝崖節(jié)制閘在干渠上的具體分布見圖2，其中雙C1直開口位于彩達(dá)節(jié)制閘和堿溝節(jié)制閘之間，各節(jié)制閘上下游水位和流量均由節(jié)制閘自身配置的高精度傳感器監(jiān)測。

圖2 南山臺子揚(yáng)水干渠試運(yùn)行節(jié)制閘分布圖Fig.2 Distribution of check-gates in main water-lifting channel in Nanshantaizi irrigation area during the trial run

圖1 測控一體化閘門Fig.1 Integrated gate of measurement and control

2.2 全渠道控制系統(tǒng)控制方法

潞碧墾公司高效的TCC系統(tǒng)能夠通過將流量與上下游水位測量、閘門的控制結(jié)合為一整體來精確控制渠道內(nèi)輸水效率，通過反饋和前饋控制相結(jié)合，確保所有農(nóng)田灌溉供水的穩(wěn)定，通過按需供水及訂水計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提高[9]。

在中衛(wèi)南山臺子揚(yáng)水干渠此次試運(yùn)行中，上游節(jié)制閘控制臨近的下游節(jié)制閘的上游水位，板閘流量計直開口運(yùn)行在流量模式。當(dāng)某一個直開口的流量調(diào)整時，TCC中的前饋控制在沒有等到相應(yīng)直開口的上游節(jié)制閘監(jiān)測到緊鄰的下游節(jié)制閘的上游水位因直開口的流量調(diào)整而變化時，就根據(jù)直開口所調(diào)整的流量即刻響應(yīng)，調(diào)整向下游的供給流量，而不是等到上游節(jié)制閘的TCC中的反饋控制在監(jiān)測到下游節(jié)制閘的上游水位因為直開口的流量波動而偏離了其上游節(jié)制閘所設(shè)定的控制值后才響應(yīng)以減小水位的波動。當(dāng)上游的節(jié)制閘為響應(yīng)因為下游直開口的流量調(diào)整而產(chǎn)生的水位波動時，因其響應(yīng)而造成的流量及水位波動也會被其更上游的節(jié)制閘TCC的反饋控制監(jiān)測到，從而發(fā)生類似的響應(yīng)，就這樣逐級向上游傳遞，直到緩沖池，使參與試運(yùn)行的閘門在短時間內(nèi)自動調(diào)節(jié)到最佳工作狀態(tài)。這樣渠系中的任何渠段有流量調(diào)整，都不會使渠道設(shè)定的運(yùn)行水位產(chǎn)生劇烈波動，既保證了灌溉的流量需求，又保障了渠系內(nèi)穩(wěn)定水位的安全運(yùn)行。

3 TCC系統(tǒng)試運(yùn)行

3.1 試運(yùn)行準(zhǔn)備

TCC試運(yùn)行準(zhǔn)備分為現(xiàn)場調(diào)試準(zhǔn)備和遠(yuǎn)程調(diào)試準(zhǔn)備兩部分?，F(xiàn)場調(diào)試準(zhǔn)備分為現(xiàn)場閘門通訊調(diào)試、節(jié)制閘的檢查及板閘流量計的檢查，TCC遠(yuǎn)程調(diào)試準(zhǔn)備主要包括各閘門控制器參數(shù)的設(shè)置和TCC服務(wù)器的設(shè)置。

3.2 試運(yùn)行計劃

將渠首至彩達(dá)節(jié)制閘作為緩沖池。TCC控制試運(yùn)行分為3天進(jìn)行：2019 年8月2日在彩達(dá)節(jié)制閘和堿溝節(jié)制閘間進(jìn)行；2019年8月3日在彩達(dá)節(jié)制閘和堿溝節(jié)制閘、堿溝節(jié)制閘和青駝崖節(jié)制閘間進(jìn)行；2019年8月6日在彩達(dá)節(jié)制閘和堿溝節(jié)制閘間再次進(jìn)行。

3.3 運(yùn)行結(jié)果及分析

(1)彩達(dá)節(jié)制閘和堿溝節(jié)制閘間TCC控制試運(yùn)行。2019年8月2日在彩達(dá)節(jié)制閘和堿溝節(jié)制閘間進(jìn)行TCC控制試運(yùn)行，控制系統(tǒng)運(yùn)行期間的軌跡數(shù)據(jù)圖見圖3。節(jié)制閘的控制模式有0、3、6三種，分別代表開度模式(單個閘門隨上下游水位自動調(diào)節(jié)開度)、開度固定模式(即將閘門開度固定在某個值，不隨上下游水位變化)和TCC控制模式(將整條渠道的測控一體閘構(gòu)成一個系統(tǒng)，實現(xiàn)全渠道自動化控制)。

圖3中黃色標(biāo)記說明如下：①下午16點30分，彩達(dá)節(jié)制閘切換到TCC控制模式；②彩達(dá)節(jié)制閘TCC模式下監(jiān)控的下游水位，也就是堿溝節(jié)制閘的上游水位被設(shè)定為1.35 m；③下午16點54分，彩達(dá)節(jié)制閘和堿溝節(jié)制閘間的雙C1直開口流量由0.1 m3/s，增加到0.18 m3/s；④當(dāng)雙C1流量增大后，由于前饋控制的作用，彩達(dá)節(jié)制閘即開始打開，向下游補(bǔ)水，導(dǎo)致彩達(dá)節(jié)制閘的上游水位下降；⑤同時，由于反饋控制的作用，當(dāng)彩達(dá)節(jié)制閘監(jiān)測到它下游的堿溝節(jié)制閘的上游水位由于雙C1的流量增大而降低時，彩達(dá)節(jié)制閘會持續(xù)打開，向下游補(bǔ)充水量，使堿溝節(jié)制閘的上游水位維持在所設(shè)定的1.35 m；⑥在這段TCC控制時間內(nèi)，堿溝節(jié)制閘的上游水位并沒有因為雙C1的流量增大而明顯降低；⑦下午17點32分，雙C1 的流量調(diào)整回為原來的0.1 m3/s；⑧隨后彩達(dá)節(jié)制閘的控制模式也被切換回原來的開度模式，此段TCC試運(yùn)行結(jié)束。

圖3 彩達(dá)節(jié)制閘和堿溝節(jié)制閘間TCC控制試運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)圖Fig.3 TCC control trail data diagram between Caida - Jiangou check-gates

自下午16點54分，雙C1直開口流量由0.1 m3/s增加到0.18 m3/s，至下午17點32分，雙C1 的流量調(diào)整回0.1 m3/s期間，通過彩達(dá)節(jié)制閘的前饋和反饋控制，堿溝節(jié)制閘的上游水位基本維持在設(shè)定的1.35 m(最低為1.348 m，最高為1.350 m)；為維持下游堿溝節(jié)制閘的設(shè)定水位，彩達(dá)節(jié)制閘主閘門開度由1 702 mm增加至1 752 mm，輔閘門開度由1 701 mm增加至 1 753 mm，流量由5.518 m3/s增加至5.575 m3/s，上游水位由1.497 m下降至1.460 m。

由此段TCC控制試運(yùn)行結(jié)果得出，隨著渠系流量調(diào)整，堿溝節(jié)制閘的上游水位相對平穩(wěn)，沒有產(chǎn)生劇烈波動。

(2)彩達(dá)節(jié)制閘和堿溝節(jié)制閘、堿溝節(jié)制閘和青駝崖節(jié)制閘間TCC控制試運(yùn)行。2019年8月3日 在彩達(dá)節(jié)制閘和堿溝節(jié)制閘、堿溝節(jié)制閘和青駝崖節(jié)制閘間進(jìn)行TCC控制試運(yùn)行，控制系統(tǒng)運(yùn)行期間的軌跡數(shù)據(jù)圖見圖4。

圖4 彩達(dá)節(jié)制閘和堿溝節(jié)制閘、堿溝節(jié)制閘和青駝崖節(jié)制閘間TCC控制試運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)圖Fig.4 TCC control trail data diagram between Caida-Jiangou check-gates and Jiangou-Qingtuoya check-gates

圖4中黃色標(biāo)記說明如下：①下午13點，彩達(dá)節(jié)制閘切換到TCC控制模式；②下午13點20分到35分，雙C1直開口的流量從0.1 m3/s增加到0.3 m3/s后又恢復(fù)到0.1 m3/s；③在以上雙C1直開口流量調(diào)整的時段內(nèi)，堿溝節(jié)制閘的水位因為彩達(dá)節(jié)制閘的控制并沒有出現(xiàn)大的波動；④鑒于前一個小時的穩(wěn)定運(yùn)行，下午14點27分，把堿溝節(jié)制閘切換到TCC模式，用堿溝節(jié)制閘控制下游青駝崖節(jié)制閘的上游水位；⑤由于青駝崖節(jié)制閘的實際上游水位比設(shè)定值高，堿溝節(jié)制閘減小對下游渠段的供水，試圖降低青駝崖節(jié)制閘的上游水位至設(shè)定水位；⑥堿溝節(jié)制閘減少向下游的供水量，相應(yīng)的閘門開度變??；⑦隨著堿溝節(jié)制閘開度變小，其閘前上游水位相應(yīng)上升，超過所要控制的設(shè)定值；⑧彩達(dá)節(jié)制閘的TCC反饋控制檢測到其所要控制的堿溝節(jié)制閘的上游水位與設(shè)定值間的誤差持續(xù)變大，彩達(dá)節(jié)制閘開始減小向下游供水，以降低堿溝節(jié)制閘的上游水位；⑨彩達(dá)節(jié)制閘開度減小，減少向下游供水；⑩ 因為向下游供水量減少，彩達(dá)節(jié)制閘前的上游水位開始上升；經(jīng)過一段時間的調(diào)節(jié)，下午15點50分，青駝崖節(jié)制閘的上游水位開始下降；堿溝節(jié)制閘的TCC反饋控制檢測到青駝崖節(jié)制閘的上游水位開始下降后，也開始打開閘門，恢復(fù)向下游的供水；由于堿溝節(jié)制閘開始打開，其閘前上游水位略有下降，并低于其設(shè)定值；彩達(dá)節(jié)制閘的TCC反饋控制檢測到堿溝節(jié)制閘的上游水位開始低于其要控制的設(shè)定值時，開始加大向下游的供給流量，以提升水位；一段時間的調(diào)節(jié)后，堿溝節(jié)制閘的上游水位恢復(fù)至設(shè)定值；下午18點02分，彩達(dá)節(jié)制閘由TCC模式，切換回開度模式；隨后青駝崖節(jié)制閘的上游水位也恢復(fù)到設(shè)定值；18點13分，堿溝節(jié)制閘也由TCC模式切換到開度模式，至此TCC運(yùn)行調(diào)試結(jié)束。

該段TCC試運(yùn)行總共分為兩段，第一段是雙C1直開口流量發(fā)生變化時，通過彩達(dá)節(jié)制閘的前饋和反饋控制調(diào)節(jié)堿溝節(jié)制閘上游水位；第二段是通過TCC的反饋控制，用堿溝節(jié)制閘控制青駝崖節(jié)制閘上游水位，再通過彩達(dá)節(jié)制閘控制堿溝節(jié)制閘上游水位。

第一段中，在下午13點20分到35分，雙C1直開口的流量從0.1 m3/s增加到0.3 m3/s后又恢復(fù)到0.1 m3/s期間，因為彩達(dá)節(jié)制閘的控制，堿溝節(jié)制閘的上游水位基本維持在設(shè)定的1.315 m(最低為1.315 m，最高為1.320 m)；而彩達(dá)節(jié)制閘為控制堿溝節(jié)制閘的上游水位，主閘門開度由1 663 mm增加至 1 697 mm，輔閘門開度由1 683 mm增加至 1 697 mm，流量由5.678 m3/s增加至5.720 m3/s后逐漸下降至5.579 m3/s，上游水位由1.505 m下降至1.488 m后逐漸增至1.490 m。

第二段中，為控制青駝崖節(jié)制閘上游水位降至設(shè)定水位，從14點27分開始，堿溝節(jié)制閘主閘門開度由1 396 mm下降至1 155 mm，輔閘門開度由1 401 mm下降至1 158 mm，流量由4.099 m3/s下降至3.198 m3/s，上游水位由1.323 m上升至1.356 m。在15點50分后，檢測到青駝崖節(jié)制閘的上游水位開始下降后，堿溝節(jié)制閘逐漸恢復(fù)向下游的供水。主閘門開度最高上升至1 355 mm，輔閘門開度最高上升至1 362 mm，流量最高增至4.516 m3/s，上游水位最低下降至1.297 m；為控制堿溝節(jié)制閘水位，在堿溝節(jié)制閘上游水位上升時，彩達(dá)節(jié)制閘主閘門開度由1 771 mm下降至1 284 mm，輔閘門開度由1 767 mm下降至1 285 mm，流量由5.474 m3/s下降至4.845 m3/s，上游水位由1.446 m上升至1.742 m。堿溝節(jié)制閘逐漸恢復(fù)向下游供水后，堿溝節(jié)制閘上游水位逐漸下降，彩達(dá)節(jié)制閘閘門開度、流量和上游水位也逐漸上升，最終將堿溝節(jié)制閘的上游水位穩(wěn)定控制在設(shè)定值(1.315 m)附近。

在該段試運(yùn)行過程第一段中，當(dāng)雙C1直開口流量發(fā)生變化時，彩達(dá)節(jié)制閘成功控制堿溝節(jié)制閘上游水位穩(wěn)定在設(shè)定水位。第二段中，堿溝節(jié)制閘成功將青駝崖節(jié)制閘上游水位降低至設(shè)定水位，同時因為彩達(dá)節(jié)制閘的控制，堿溝節(jié)制閘上游水位也被及時控制在較低波動范圍內(nèi)，并最終控制在設(shè)定值附近，成功實現(xiàn)了TCC 3個節(jié)制閘間水位的控制和調(diào)節(jié)。

(3)彩達(dá)節(jié)制閘和堿溝節(jié)制閘間TCC控制試運(yùn)行。TCC 控制器都是基于系統(tǒng)辨識的一階模型設(shè)計，在設(shè)計TCC模型時，要根據(jù)具體的渠道參數(shù)計算控制器參數(shù)，所以要提供準(zhǔn)確的渠道信息。在2019年8月2日彩達(dá)節(jié)制閘和堿溝節(jié)制閘間TCC控制試運(yùn)行中，雖隨著渠系流量調(diào)整，渠道水位相對平穩(wěn)，沒有產(chǎn)生劇烈波動，但是系統(tǒng)對于渠道動態(tài)變化的響應(yīng)速度未能達(dá)到要求。為提高系統(tǒng)對渠道動態(tài)變化的響應(yīng)速度，根據(jù)進(jìn)一步確認(rèn)的渠道信息重新計算了控制器參數(shù)，在2019年8月6日進(jìn)行了彩達(dá)節(jié)制閘和堿溝節(jié)制閘間第二次TCC控制試運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行期間的軌跡數(shù)據(jù)圖見圖5。

圖5中黃色標(biāo)記說明如下：①在閘間流量變化之前，就已經(jīng)將彩達(dá)節(jié)制閘切換到TCC控制模式；②在TCC模式下，堿溝節(jié)制閘的上游水位一直穩(wěn)定在設(shè)定水位值附近；③下午18點05分，彩達(dá)節(jié)制閘和堿溝節(jié)制閘間的雙C1直開口流量逐步由0 m3/s增加到0.27 m3/s；④當(dāng)雙C1流量增大后，由于前饋控制的作用，彩達(dá)節(jié)制閘即開始打開，向下游補(bǔ)水；⑤彩達(dá)節(jié)制閘加大流量向下游補(bǔ)水；⑥彩達(dá)節(jié)制閘因為加大流量向下游補(bǔ)水，而上游來水量并沒有變化，導(dǎo)致閘前上游水位有輕微下降；⑦下午18點18分，雙C1 直開口關(guān)閉；⑧監(jiān)測到雙C1關(guān)口后，同樣因為前饋控制作用，彩達(dá)節(jié)制閘即刻減少向下游輸水量；⑨同時，彩達(dá)節(jié)制閘減小開度，以減少向下游供水；⑩因為向下游供水量減少，彩達(dá)節(jié)制閘前的上游水位略有回升；下午18點27分，彩達(dá)節(jié)制閘切換回開度模式，當(dāng)日TCC運(yùn)行結(jié)束。

圖5 彩達(dá)節(jié)制閘和堿溝節(jié)制閘間TCC控制試運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)圖Fig.5 TCC control trail data diagram between Caida-Jiangou check-gates

下午18點05分，雙C1直開口流量由0 m3/s增加到0.27 m3/s，由于前饋作用，彩達(dá)節(jié)制閘主閘門開度即由1 731 mm增加至 1 763 mm，輔閘門開度由1 732 mm增加至 1 746 mm，流量由4.868 m3/s增加至5.001 m3/s，上游水位由1.395 m下降至1.387 m。下午18點18分，雙C1 直開口關(guān)閉，彩達(dá)節(jié)制閘主閘門開度即由1 763 mm下降至 1 753 mm，輔閘門開度由1 746 mm下降至1 710 mm，流量由5.001 m3/s下降至4.077 m3/s，上游水位由1.387 m上升至1.394 m后逐漸恢復(fù)到雙C1直開口流量變化前正常值。堿溝節(jié)制閘的上游水位基本維持在設(shè)定的1.248 m(最低為1.245 m，最高為1.248 m)。

在整個運(yùn)行期間，堿溝節(jié)制閘的上游水位始終保持在上游彩達(dá)節(jié)制閘監(jiān)控的設(shè)定值附近，沒有因為雙C1流量的調(diào)整而出現(xiàn)明顯波動。在第三次試運(yùn)行中，控制效果明顯改善，系統(tǒng)對于渠系流量變化的響應(yīng)速度明顯高于第一次試運(yùn)行。

4 結(jié)論和存在問題

本次試運(yùn)行的目的在于檢驗隨著渠系間流量的變化，上游節(jié)制閘能否在短時間內(nèi)調(diào)動前饋、反饋系統(tǒng)成功控制下游節(jié)制閘上游水位。在TCC 的3次試運(yùn)行中，隨著彩達(dá)節(jié)制閘和堿溝節(jié)制閘間渠系流量增加，彩達(dá)節(jié)制閘可以穩(wěn)定控制堿溝節(jié)制閘上游水位，渠道設(shè)定水位相對平穩(wěn)，沒有產(chǎn)生劇烈波動。雙C1直開口流量變化期間，第一次試運(yùn)行中堿溝節(jié)制閘的上游水位基本維持在設(shè)定的1.35 m(最低為1.348 m，最高為1.350 m)；第二次試運(yùn)行第一段中，堿溝節(jié)制閘的上游水位波動范圍在1.315～1.320 m之間(設(shè)定水位1.315 m)；第三次試運(yùn)行中，堿溝節(jié)制閘的上游水位波動范圍在1.245～1.248 m之間(設(shè)定水位1.248 m)。

第二次試運(yùn)行第二段中，成功實現(xiàn)了TCC 3個節(jié)制閘間水位的控制和調(diào)節(jié)，堿溝節(jié)制閘成功控制青駝崖節(jié)制閘上游水位下降至設(shè)定水位，上游的彩達(dá)節(jié)制閘通過反饋作用及時調(diào)節(jié)堿溝節(jié)制閘上游水位，并最終將堿溝節(jié)制閘的上游水位穩(wěn)定控制在設(shè)定值(1.315 m)附近。

但在運(yùn)行過程中，也存在一些問題，距離實現(xiàn)全渠道的TCC控制還有一定差距，具體如下：

(1)由于TCC 系統(tǒng)的水源來自彩達(dá)節(jié)制閘上游渠道。當(dāng)彩達(dá)節(jié)制閘下游系統(tǒng)的取水變化時，彩達(dá)節(jié)制閘對此產(chǎn)生的反應(yīng)，不論是開閘補(bǔ)水還是關(guān)閘減少水量，都無法和上游的陰洞梁節(jié)制閘及更上游的渠首組成一個整體去響應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的變化。所以試運(yùn)行過程中，需要時刻關(guān)注陰洞梁節(jié)制閘及彩達(dá)節(jié)制閘的上游水位及流量。在確保彩達(dá)節(jié)制閘有足夠調(diào)節(jié)空間的同時，又不能對上游渠道的運(yùn)行造成干擾。因此，TCC系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需要控制水源才能達(dá)到更好的控制效果。

(2)雖然三次TCC試運(yùn)行反應(yīng)出了各閘門間對渠道從穩(wěn)態(tài)到動態(tài)的響應(yīng)，但控制效果的進(jìn)一步提高需要結(jié)合更詳細(xì)具體的渠道參數(shù)，使得控制器的設(shè)計及控制參數(shù)的計算更符合渠道的實際情況，再通過一次次的系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行達(dá)到更優(yōu)化的控制效果。

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