尤小兵

（甘肅省疏勒河流域水資源利用中心，甘肅 玉門 735211）

1 甘肅地區(qū)缺水現(xiàn)象嚴(yán)重

我國人均水資源占有量僅為世界人均占有量的1/4，是世界上水資源短缺的國家之一。而甘肅地處西北內(nèi)陸干旱地區(qū)，水資源更為匱乏。最重要的原因就是自然條件限制。在地理位置上，甘肅位于蒙新、黃土、青藏3大高原的交匯點(diǎn)，黃河、內(nèi)陸河與長江皆流經(jīng)甘肅地區(qū)，西北方向與世界屋脊緊密相連，但東南方向與海洋相距甚遠(yuǎn)，其地理位置的復(fù)雜與特殊性使其地形、地貌較為多樣化。而從氣候風(fēng)貌角度出發(fā)，甘肅地區(qū)的氣候條件不甚理想，常年降雨量偏低，整體氣候較為干燥，相較于全國平均降水量，甘肅年平均降水量僅為其40%，僅能達(dá)到277mm，這也使甘肅地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展較為受限，在各產(chǎn)業(yè)中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水資源需求量較高，當(dāng)?shù)氐娜彼闆r并不利于莊稼種植。從水資源含量角度出發(fā)，甘肅地區(qū)的缺水水平已趨近于國際重度缺水界限，我國共32個(gè)省、直轄市與自治區(qū)，甘肅的地表水資源量排名為29 位，當(dāng)?shù)貎H有1%全國地表水資源量，甘肅人均水資源占有量是全國人均占有量的1/3，是世界人均占有量的1/8，僅為1077m3。因此，水資源匱乏問題是甘肅一直以來不斷鉆研與功課的重要課題之一，甘肅在國家重大科技計(jì)劃項(xiàng)目上一直保持積極爭取的態(tài)度，為了更好地開發(fā)與利用全省水資源傾注了大量的人力與物力，在爭取相關(guān)項(xiàng)目時(shí)會(huì)自籌資金，在建設(shè)引黃灌區(qū)水利基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)當(dāng)?shù)匾沧龀隽藰O大的投入，當(dāng)?shù)卣恢敝铝τ诮ㄔO(shè)節(jié)水型社會(huì)，通過長期的努力也取得了優(yōu)異的成績。

疏勒河是我國內(nèi)陸河流域之一，該流域范圍內(nèi)應(yīng)降水量低而導(dǎo)致水資源匱乏，該流域中的昌馬灌區(qū)主要以傳統(tǒng)灌溉形式為主，在總用水量中有約93%用于農(nóng)業(yè)，工業(yè)用水萬元產(chǎn)值耗水定額與農(nóng)業(yè)灌溉定額相對較高，這導(dǎo)致水的效益及利用率并不理想。近些年來，灌區(qū)內(nèi)不斷進(jìn)行城鎮(zhèn)化、工業(yè)化與生態(tài)化建設(shè)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)形態(tài)不斷轉(zhuǎn)變與發(fā)展，這導(dǎo)致其水資源供需矛盾不斷惡化，灌區(qū)必須通過現(xiàn)代化建設(shè)打造節(jié)水型社會(huì)，更加科學(xué)合理地對水資源進(jìn)行配置，落實(shí)節(jié)約用水政策，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)內(nèi)水資源的系統(tǒng)治理，從而使水資源的效益與利用率得到有效地提升，助力于灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，因此，昌馬灌區(qū)開始積極推進(jìn)現(xiàn)代化改造，通過項(xiàng)目的實(shí)施實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水、提升水資源利用率。

在甘肅省范圍內(nèi)昌馬灌區(qū)位于干旱地區(qū)，在“一帶一路”規(guī)劃中疏勒河流域位于絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶，甘肅地區(qū)作為“一帶一路”的黃金節(jié)點(diǎn)在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)安全屏障建設(shè)中都具有重要地位，為了更好地發(fā)揮區(qū)域協(xié)同發(fā)展的引導(dǎo)作用，為水利基礎(chǔ)建設(shè)提供有力的支撐，甘肅必須全面加強(qiáng)水利建設(shè)，實(shí)現(xiàn)水利的協(xié)調(diào)性、綜合性與可持續(xù)性發(fā)展。

2 一體化測控槽閘簡介

總體來說，一體化測控槽閘是一種集上下游水位監(jiān)測、閘門開度監(jiān)測、閘門控制于一體的頂面溢流閘門。閘門具有穩(wěn)定上游水位和靈活遠(yuǎn)程啟閉功能，根據(jù)上下游水位傳感器的差值來計(jì)算流量，能有效避免水位波動(dòng)引起的誤差，采用太陽能和蓄電池為動(dòng)力，控制中心通過智能軟件系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

主機(jī)系統(tǒng)的主要功能是自動(dòng)化與信息化管理，其安裝位置位于疏勒河流域水資源利用中心昌馬灌區(qū)管理處南干渠灌溉管理所自動(dòng)化控制室，需要完成對渠道內(nèi)各控制點(diǎn)水位與流量的全面監(jiān)測。系統(tǒng)還需要負(fù)責(zé)對渠道，設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)全面的監(jiān)測與記錄。該應(yīng)用系統(tǒng)共包含數(shù)據(jù)圖形處理軟件模塊、多級(jí)報(bào)警系統(tǒng)、用戶管理授權(quán)安全系統(tǒng)等多個(gè)板塊，主要利用互聯(lián)網(wǎng)接受操控與訪問。在系統(tǒng)中，一體化測控槽閘可根據(jù)預(yù)設(shè)進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)作，并與上下游閘門進(jìn)行聯(lián)系，主機(jī)系統(tǒng)會(huì)按照系統(tǒng)需求對其中的設(shè)備展開全自動(dòng)控制，必要時(shí)可通過人工對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

一體化測控閘門設(shè)備不僅需要完成流量控制閘門的工作，還需要完成流量測量儀器的工作，該設(shè)備的測量精準(zhǔn)度較高，對流量的測量誤差低于±5%，對水位與閘位的測量誤差低于±0.5mm。該系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿碓从谔柲?，對上下游水位的測量主要通過高精度超聲波水位感應(yīng)器完成，對流量的計(jì)算具有獨(dú)特的計(jì)算程式，如數(shù)碼式閘位值計(jì)算，對閘門信息的測控通過無線電遙測系統(tǒng)監(jiān)控完成。

該系統(tǒng)可以對上下游水位展開精準(zhǔn)控制，并且能夠?qū)η拦ぷ髋c運(yùn)行狀況展開智能化模擬，利用智能控制軟件可以將渠道內(nèi)的所有監(jiān)控點(diǎn)連接成為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，并在灌溉系統(tǒng)運(yùn)行過程中通過不斷的自我調(diào)節(jié)使其保持最佳狀態(tài)。該系統(tǒng)已全渠道自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)灌溉模式中的人工控制策劃的明渠系統(tǒng)，降低了灌溉用水的損失率，提高了控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度與靈活性。

2.1 現(xiàn)場信息和閘門信息監(jiān)控功能

該系統(tǒng)能夠?qū)﹂l門運(yùn)行狀態(tài)、開啟高度與上下游水位進(jìn)行自動(dòng)采集與傳輸，利用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信網(wǎng)將相關(guān)信息傳遞給控制中心，控制中心在接收數(shù)據(jù)后會(huì)在計(jì)算機(jī)屏幕中自動(dòng)生成動(dòng)態(tài)圖形，便于操作人員完成實(shí)時(shí)監(jiān)視。該系統(tǒng)還會(huì)將過閘門的運(yùn)行狀態(tài)、顯示數(shù)據(jù)與故障情況以表格、文字、圖形等多種形式展現(xiàn)在系統(tǒng)中。其中包括的內(nèi)容有：閘門開度和預(yù)設(shè)值、閘門上下水位和預(yù)設(shè)值、閘門運(yùn)行狀態(tài)、太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)、電池狀態(tài)、閘門啟閉機(jī)狀態(tài)、當(dāng)前流量、累計(jì)流量各種故障。

2.2 數(shù)據(jù)查詢功能

該系統(tǒng)應(yīng)對歷史與實(shí)施數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的記錄與保存，能夠隨時(shí)調(diào)取與查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，并且應(yīng)該具備數(shù)據(jù)趨勢圖處理軟件。在系統(tǒng)中應(yīng)該能夠通過操作員信息、閘門號(hào)、時(shí)間查閱歷史操作數(shù)據(jù)；通過故障內(nèi)容、時(shí)間查閱故障數(shù)據(jù)；通過閘門號(hào)、時(shí)間查閱該閘門一系列流量數(shù)據(jù)；通過閘門號(hào)、時(shí)間查閱該閘門歷史開度。

2.3 渠水流失檢測功能

以2個(gè)相鄰節(jié)制閘點(diǎn)為單位，加之串聯(lián)二者的渠道共同組成水池，水池的流入水量為上游閘門流量，流出水量為下游閘門流量與分水閘流量，利用水平衡模型對水池的流失水量進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果制定科學(xué)的渠道修補(bǔ)計(jì)劃。

2.4 報(bào)警和緊急處理功能

報(bào)警和緊急處理功能是渠道自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)必需的功能。在閘門運(yùn)行過程中通過現(xiàn)場控制單元實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)會(huì)立即根據(jù)警報(bào)級(jí)別和通報(bào)程序通過一系列方式報(bào)警并能夠自動(dòng)或手動(dòng)終止當(dāng)前運(yùn)行。其主要報(bào)警內(nèi)容如下：現(xiàn)場設(shè)備名稱、數(shù)據(jù)點(diǎn)描述、數(shù)據(jù)點(diǎn)的值、數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄時(shí)間、報(bào)警狀態(tài)、報(bào)警發(fā)生時(shí)間、報(bào)警確認(rèn)狀態(tài)、報(bào)警確認(rèn)時(shí)間、報(bào)警總次數(shù)、報(bào)警優(yōu)先級(jí)別。

2.5 一體化測控槽閘操作功能

一體化測控槽閘在運(yùn)行過程中可進(jìn)行自動(dòng)控制操作、鎖定操作與手動(dòng)操作的不斷切換，即可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作也可進(jìn)行本地操作。操作人員可利用SCADA 聯(lián)通應(yīng)用軟件對槽閘完成遠(yuǎn)程操作，也可利用閘門控制臺(tái)對槽閘完成本地操作，二者皆需通過授權(quán)使用，操作過程中皆需開啟記錄功能，為了使系統(tǒng)的安全性可以得到保障，應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行權(quán)限分級(jí)，根據(jù)不同權(quán)限設(shè)定相應(yīng)級(jí)別的密碼，通過輸入不同級(jí)別的密碼獲取使用權(quán)限。操作人員在輸入操作指令時(shí)需先輸入正確的用戶名與密碼才可以使輸入的參數(shù)與按鈕起效。一體化測控閘門的控制模式包括：

（1）流量控制。以流量恒定不變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)，根據(jù)渠道供水要求進(jìn)行閘門開度的自動(dòng)控制。

（2）上游或下游水位控制。以水為恒定不變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)，根據(jù)渠道供水要求進(jìn)行閘門開度的自動(dòng)控制。

（3）閘位控制。以閘門保持預(yù)定位置為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行閘門的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

（4）緊急控制。在遭遇緊急意外時(shí)自動(dòng)采取急停處理。

3 疏勒河流域簡介

疏勒河流域的地理位置為甘肅省河西市，處于河西走廊西側(cè)，河域總面積為4.13 萬平方公里，是一個(gè)百萬畝以上的大型自流灌區(qū)。該流域內(nèi)可實(shí)現(xiàn)47 ～63mm 的年平均降水量，多年來保持2897 ～3040mm 的年蒸發(fā)量，氣候類型為典型的內(nèi)陸干旱性氣候，全年平均溫度為6.9～8.8℃。疏勒河流域一直是甘肅省水利建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域，其流域內(nèi)所建設(shè)的水利工程規(guī)模較大，伴隨著疏勒河綜合開發(fā)項(xiàng)目的建設(shè)與完工，該流域的骨干工程體系已初見雛形，該體系實(shí)現(xiàn)蓄、調(diào)、排的整合調(diào)動(dòng)。2012 年以來，灌區(qū)在續(xù)建配套及節(jié)水改造實(shí)施過程中，分批引進(jìn)一體化測控槽閘共75 孔，安裝在南干渠系各支斗農(nóng)口，覆蓋灌溉面積7.38 萬畝、骨干工程52.92 公里，真正實(shí)現(xiàn)了從干渠渠首到田間地頭的全覆蓋。

4 泥沙介質(zhì)對水位傳感器的影響

傳感器正常工作是一體化測控槽閘正常可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)和重要保障，加強(qiáng)對傳感器的清洗維護(hù)工作是確保自動(dòng)化一體化測控槽閘長期穩(wěn)定運(yùn)行的前提。自2012 年一體化測控槽閘引進(jìn)安裝運(yùn)行至今，流量不顯示、流量不準(zhǔn)確等由傳感器出現(xiàn)問題引起的一系列故障一直困擾和影響著設(shè)備的安全運(yùn)行，因此，一直把傳感器故障問題作為閘門日常維護(hù)的重中之重。

根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，泥沙大、水質(zhì)差，是造成傳感器故障的主要因素。閘門傳感器的清洗維護(hù)也成為日常運(yùn)行管護(hù)的主要工作，而對于傳感器的清洗維護(hù)也是停留在斷電抽拔人工維護(hù)階段，并未探索研究自動(dòng)清洗或快速高效清洗功能，而且其他灌區(qū)閘門保護(hù)外殼更加厚重不方便，傳感器的清洗維護(hù)任務(wù)變得異常繁重。

在測控的過程中出現(xiàn)測量不精準(zhǔn)問題的主要原因之一是水位傳感器故障，它是測控配件中較為重要的組成部分，當(dāng)其產(chǎn)生故障后容易導(dǎo)致測量結(jié)果偏大或偏小。而在訊期階段，流入渠道的水量增大，其中的泥沙含量也會(huì)增大，傳感器出現(xiàn)故障的可能性更高，常常會(huì)出現(xiàn)水位測量不準(zhǔn)確或測量水位結(jié)果不變化等問題。因此，傳感器清洗問題就成了管理運(yùn)行的主要問題，需要頻繁的對傳感器進(jìn)行清洗，嚴(yán)重增加了管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。其次，傳感器會(huì)出現(xiàn)無癥狀失靈，造成閘門全開，嚴(yán)重影響到渠道安全運(yùn)行。疏勒河水源為河水，泥沙較多，閘前閘后泥沙淤積影響閘門運(yùn)行，甚至導(dǎo)致閘門無法運(yùn)行。

5 針對泥沙影響，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清洗的努力方向

在國內(nèi)外鮮有關(guān)于一體化測控槽閘傳感器清洗維護(hù)技術(shù)研究報(bào)道的背景下，需要對一體化傳感器故障問題進(jìn)行深入系統(tǒng)研究，針對傳感器故障問題，全面分析其原因，開展對傳感器清洗維護(hù)技術(shù)研究。通過初期的對現(xiàn)有保護(hù)外殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)改造，進(jìn)一步探索外置的高壓水沖洗設(shè)備和高效的自動(dòng)反沖洗裝置，最終解決傳感器不顯示、不準(zhǔn)確的故障問題。具體主要研究內(nèi)容有：

（1）通過研究傳感器所在的卡槽，研究傳感器測量水位的原理，分析造成傳感器不顯示流量和計(jì)量不準(zhǔn)確的原因，根據(jù)問題的本質(zhì)，初步提出傳感器清洗的不同方案和設(shè)計(jì)規(guī)劃。

（2）通過對現(xiàn)有保護(hù)外殼進(jìn)行評估分析，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，提出更加合理的改進(jìn)方案，最終改造出方便快捷的保護(hù)外殼。

（3）針對傳感器清洗維護(hù)存在的問題，探索研究一種可行的、快速的、高效的高壓外帶水沖洗裝置，通過不斷的壓力水的沖洗，實(shí)現(xiàn)對卡槽和傳感器的清洗維護(hù)。

（4）結(jié)合前期的改造措施和方案，聯(lián)合潞碧墾公司技術(shù)人員，針對老化的傳感器卡槽開展更新工作，實(shí)現(xiàn)全范圍的升級(jí)與改造，在閘門裝置處增添自動(dòng)清洗設(shè)備，用其自帶的電源設(shè)備供應(yīng)動(dòng)力，使閘門能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)反沖洗。

6 結(jié)語

綜合測控設(shè)備的設(shè)計(jì)與使用是為了有效地提高當(dāng)?shù)氐墓喔裙芾砟芰?，促進(jìn)當(dāng)?shù)厮F(xiàn)代化發(fā)展，直接或間接帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)進(jìn)步，應(yīng)用綜合測控設(shè)備的地區(qū)應(yīng)結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，積極打造現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)，提高設(shè)計(jì)的合理性與科學(xué)性，選擇適宜的設(shè)備類型與型號(hào)，在提高設(shè)備安裝與運(yùn)行安全性的同時(shí)降低維護(hù)管理難度，從整體角度出發(fā)對綜合測控設(shè)備樓進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì)，在建設(shè)生態(tài)灌區(qū)時(shí)應(yīng)秉承“灌溉條件充分、灌溉工程完整、運(yùn)行良好、集中管理、集中銜接”的原則，通過現(xiàn)代化的計(jì)量技術(shù)和控制手段，提高了灌區(qū)的計(jì)量和控制水平。