楊 楠

（江西省水利科學(xué)院，江西南昌，330029；江西省鄱陽湖流域生態(tài)水利技術(shù)創(chuàng)新中心，江西南昌，330029）

0 引 言

我國南方灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉主要采用明渠輸水灌溉，干渠和支渠的量水方式主要利用渠道上的水工建筑物量水，而水工建筑物多是平板閘門控制流量，根據(jù)灌溉水量需要采用人工啟閉，調(diào)節(jié)閘門開度，達(dá)到調(diào)水、量水目的，是較為簡便的量水方式。由于支渠閘門數(shù)量眾多，無法根據(jù)天氣、作物需求進(jìn)行遠(yuǎn)程操作調(diào)整配水，且人工觀測精度不高，導(dǎo)致灌水方式粗放，農(nóng)業(yè)灌溉水資源浪費較為突出[1]。為了準(zhǔn)確、直觀的掌握渠道水量狀況，實現(xiàn)灌區(qū)信息化、精細(xì)化管理，需要采用先進(jìn)的量測水技術(shù)設(shè)備，改變粗放漫灌的現(xiàn)狀，提升水資源利用效果[2]。

遠(yuǎn)程測控智能閘門及系統(tǒng)是一種新型精密量測水技術(shù)，針對灌區(qū)現(xiàn)有渠道節(jié)制閘、分水閘、斗農(nóng)口閘的工程結(jié)構(gòu)閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，利用新材料、新的傳動技術(shù)、量測水技術(shù)、模塊化設(shè)計、現(xiàn)代物聯(lián)和自動控制技術(shù)，綜合考慮結(jié)構(gòu)、機(jī)械、測流、控制及遠(yuǎn)程通訊等方面的問題而研究開發(fā)。適用于灌區(qū)量水的測控一體化閘門終端，實現(xiàn)灌區(qū)水閘流量準(zhǔn)確計量、遠(yuǎn)程實時監(jiān)控等功效。

1 技術(shù)原理

遠(yuǎn)程測控智能閘門測流原理基于明渠測流原理與方法，將矩形平板閘門安裝在渠道進(jìn)水口或者分水口，通過閘控軟件控制閘門的開度，調(diào)節(jié)和控制渠道的水位及流量。遠(yuǎn)程測控智能閘門及系統(tǒng)（見圖1）由遠(yuǎn)程智能閘門終端裝置、灌區(qū)調(diào)水遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及手機(jī)APP小程序等部分組成。其中閘門終端包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等。其工作原理是：根據(jù)灌溉用水需求，調(diào)度中心或者手機(jī)端發(fā)出指令，終端主控器接收到命令后，進(jìn)行相應(yīng)的執(zhí)行響應(yīng)，控制閘門啟閉，采集閘門前后水位進(jìn)行流態(tài)判別并計算流量，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳，達(dá)到遠(yuǎn)程流量調(diào)控的目的。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

1.1 閘門結(jié)構(gòu)

智能一體化閘門結(jié)構(gòu)主要包括安裝框總成、門框總成、門板、密封件、罩殼類零件和其他連接傳動零部件等，門板采用輕量化設(shè)計，減小閘門提升力，降低動力能耗。閘門安裝框、門框總成、門板等構(gòu)件材質(zhì)選用6063-T5 航空鋁合金輕型材料，滿足門板在水壓力作用下的強度和剛度要求，門板側(cè)面滑道接觸部位采用特殊工藝處理粘貼聚四氟乙烯條[3]，止水密封性好、滲漏小、啟閉摩擦系數(shù)小。

1.2 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)采用“大速比蝸輪蝸桿減速機(jī)+小功率電機(jī)”的設(shè)計，降低能耗。通過步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動減速機(jī)輸入軸傳遞到輸出軸帶動雙鋼絲繩卷輪轉(zhuǎn)動，鋼絲繩牽拉提升桿使門板開啟或關(guān)閉，利用蝸輪蝸桿的反向自鎖性能，使門板保持開啟位置不變，省去了制動器環(huán)節(jié)。蝸桿為雙軸結(jié)構(gòu)，兩側(cè)各連接一個卷輪，電機(jī)正轉(zhuǎn)時，卷輪帶動鋼絲繩正向纏繞，向上提升門板，開啟閘門；電機(jī)反轉(zhuǎn)時，卷輪帶動鋼絲繩反向纏繞，向下壓升降桿，產(chǎn)生閉門力，關(guān)閉閘門。啟閉速度0.12～0.3m/min 可調(diào)，配備手動啟閉裝置，手動操作與自動控制一體化[4]，特殊情況下通過手搖柄進(jìn)行閘門啟閉操作，完成灌區(qū)灌溉作業(yè)。

1.3 驅(qū)動系統(tǒng)

遠(yuǎn)程測控智能閘門采用太陽能加電池驅(qū)動，供電電壓為直流電壓，采用二相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，可以直接用太陽能電池供電，通過主控器對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動脈沖的主動控制，實現(xiàn)閘門開度的實時精確調(diào)整與控制。

1.4 動力系統(tǒng)

由于灌區(qū)渠系自動控制閘門的應(yīng)用環(huán)境為野外水渠，大多數(shù)情況下無法直接使用工農(nóng)業(yè)電網(wǎng)的電能，專門架設(shè)線路的成本太高，而且對于灌區(qū)水渠分流閘門，由于閘門規(guī)格較小，開啟和關(guān)閉所需能量較小，采用太陽能供電系統(tǒng)就可以滿足整個系統(tǒng)的能量供給。同時配置了手動操作裝置以保證極端環(huán)境或檢修情況下的閘門使用。

1.5 控制系統(tǒng)

現(xiàn)場終端控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。采用高性價比的ARM 處理器STM32F103ZET6 作為主控芯片，包括電機(jī)控制模塊、ADC 監(jiān)測模塊、GSM 無線通信模塊、TFT 顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等?？刂浦鳈C(jī)進(jìn)行閘門電機(jī)的運動控制和傳感器數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測上、下游水位及閘門開度，并計算實時流量；通過RS232 接口連接GSM無線通訊模塊，從而實現(xiàn)了閘門控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和手機(jī)的無線通訊，用戶通過手機(jī)或網(wǎng)絡(luò)來遠(yuǎn)程監(jiān)控閘門狀態(tài)，并進(jìn)行分水和測流控制。

圖2 閘門控制終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.6 軟件系統(tǒng)

閘門終端軟件系統(tǒng)，包括閘門自動控制、分水計量、遠(yuǎn)程通信、數(shù)據(jù)存儲、人機(jī)交互等功能。操作人員可以通過閘門終端控制軟件查看當(dāng)前水位信息、累計流量、閘門狀態(tài)以及控制閘門開度，選擇分水模式等[5]。實時流量由控制系統(tǒng)計算并發(fā)回遠(yuǎn)程控制中心。限于篇幅，遠(yuǎn)程上位機(jī)系統(tǒng)及手機(jī)應(yīng)用程序不再介紹。

2 應(yīng)用試驗

2.1 試驗渠道概況

潦河灌區(qū)應(yīng)用試驗示范點選擇西潦北干渠五支渠，干渠左岸設(shè)有支渠閘，支渠長3.31km，分水閘門進(jìn)口點位于西潦北干渠樁號8+316，灌溉靖安縣仁首鎮(zhèn)兩利村，灌溉面積133hm2（1995 畝）。灌溉設(shè)計流量2 m3/s；常年平均流量為0.2m3/s。在支渠進(jìn)水閘下游100m 安裝有無喉道量水槽測流。五支渠原先分水啟閉設(shè)施為一人工鑄鐵閘門，采用手動螺桿控制，經(jīng)過多年運行，該閘門螺桿已彎曲損壞，無法正常使用。將原先的支渠渠道進(jìn)水口老閘門拆除，安裝遠(yuǎn)程測控智能閘門并開展渠道流量觀測。

2.2 系統(tǒng)安裝

結(jié)合支渠原先閘門尺寸及過流流量要求，進(jìn)行閘門尺寸設(shè)計及動力選擇，確定閘門系統(tǒng)參數(shù)并進(jìn)行加工生產(chǎn)，閘門的寬度為0.6m，門體高度為1m，采用二相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，供電電壓DC24V。五支渠進(jìn)水閘門金屬結(jié)構(gòu)布置見圖3。

圖3 五支渠進(jìn)水閘門金屬結(jié)構(gòu)安裝布置圖

2.3 試驗方法

按照規(guī)范要求，水工建筑物量水要通過基于轉(zhuǎn)子流速儀的流速—面積法獲取的過流量進(jìn)行率定和校準(zhǔn)，以保證水工建筑物量水誤差不超過10%。采用旋槳流速儀對遠(yuǎn)程測控智能閘門進(jìn)行流量系數(shù)率定并驗證測量精度[6]。

由于遠(yuǎn)程測控智能閘門是長期使用的量水裝置，為驗證遠(yuǎn)程測控智能閘的量水性能及準(zhǔn)確性，對遠(yuǎn)程測控智能閘門進(jìn)行流量系數(shù)率定，無喉道量水槽的測量精度校核確定后，用遠(yuǎn)程測控智能閘門和無喉道量水槽同時進(jìn)行五支渠渠道流量觀測，驗證遠(yuǎn)程測控智能閘門的長期觀測精度。根據(jù)五支渠無喉道量水槽流量觀測點歷年流量觀測資料發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用點渠道流量每天變化幅度不大，比測采用提取兩種量水設(shè)施每日14時的流量數(shù)據(jù)，觀測精度為0.001m3/s。

2.4 流量系數(shù)率定

遠(yuǎn)程測控智能閘門設(shè)計的理論基礎(chǔ)是將流量測量與上下游水位和閘門的控制結(jié)合成一個整體概念。在遠(yuǎn)程測控智能閘門控制系統(tǒng)中，閘門為平板閘門，無底坎，其過流流量的理論流量與實際流量往往不一致，甚至?xí)休^大誤差[7]。為提高遠(yuǎn)程測控智能閘門測流時的精確度，需要在投入使用前先進(jìn)行常用流量范圍內(nèi)流量系數(shù)的率定試驗。

根據(jù)五支渠灌溉用水流量資料，灌區(qū)灌溉實際應(yīng)用調(diào)節(jié)流量范圍多在0.1～0.4m3/s，因此選取一個低流量和一個高流量進(jìn)行率定。使用流速儀在下游用流速面積法測量實際過閘流量Q實，同時將閘門開至不同高度，測出閘門開度e 和閘前水頭H。計算相對開度e/H、實測流量系數(shù)μ實，并用數(shù)理統(tǒng)計軟件進(jìn)行曲線擬合，閘門自由出流工況下流量系數(shù)擬合關(guān)系式相關(guān)系數(shù)最高為二次函數(shù)擬合曲線如圖4 所示。淹沒出流工況流量系數(shù)擬合關(guān)系式相關(guān)系數(shù)最高的為線性函數(shù)，擬合關(guān)系如圖5 所示。

圖4 自由出流流量系數(shù)擬合曲線圖

圖5 淹沒出流流量系數(shù)擬合曲線圖

通過流量系數(shù)率定試驗，確定了遠(yuǎn)程測控智能閘門流量系數(shù)計算公式，將率定試驗確定的流量系數(shù)計算公式置入遠(yuǎn)程測控智能閘門控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫表。

3 效果分析

3.1 準(zhǔn)確性校核情況

準(zhǔn)確性校核主要是用流速儀進(jìn)行渠道測流，用渠道不同水位與遠(yuǎn)程測控智能閘門及無喉道量水槽所測的流量進(jìn)行比較，驗證其量測精度。在五支渠下游選擇一渠道斷面，利用流速儀對其測流值進(jìn)行校核，結(jié)果如表1 所示。

表1 流速儀校核結(jié)果

由表1 可知，五支渠測流結(jié)果較好，遠(yuǎn)程測控智能閘門與無喉道量水槽相對誤差較小，以流速儀測流結(jié)果為真值，遠(yuǎn)程測控智能閘門相對誤差最大值為3.6%，無喉道量水槽相對誤差最大值為1.4%。相對于流速儀校核流量，遠(yuǎn)程智能閘測流值稍微偏大，最大偏差小于5%。

3.2 比測情況

潦河灌區(qū)西潦北干五支渠遠(yuǎn)程測控智能閘門2021年12 月安裝調(diào)試完畢，3 月調(diào)試完正式投入使用，無喉道量水槽與遠(yuǎn)程測控智能閘門觀測數(shù)據(jù)對比分析采用2022 年4 月1 日～2022 年10 月31 日每日14：00 的數(shù)據(jù)，共214 個觀測日，提取214 組流量觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，相對誤差大于5%的數(shù)據(jù)有20 組，占總數(shù)的9.3%，小于等于5%的數(shù)據(jù)有194 組，占總數(shù)的90.7%。根據(jù)比測數(shù)據(jù)，得出瞬時流量逐日過程線對比圖（圖6、圖7 摘錄部分）和線性相關(guān)關(guān)系對比圖8。

圖6 西潦北干五支渠2022 年6 月觀測瞬時流量過程線對比

圖7 西潦北干五支渠2022 年8 月觀測瞬時流量過程線對比

圖8 西潦北干五支渠觀測瞬時流量線性相關(guān)系圖

從圖8 分析，觀測與人工測定的水位相關(guān)關(guān)系為：Y無喉道量水槽=0.993 4X遠(yuǎn)程智能閘+0.546 2，相關(guān)系數(shù)為0.999 4，其相關(guān)線基本呈45°直線，表明遠(yuǎn)程測控智能閘門測定的瞬時流量值與無后喉道量水槽測定的瞬時流量數(shù)值線性關(guān)系良好。

3.3 比測準(zhǔn)確性分析

對比測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸系數(shù)b、決定系數(shù)R2和均方根誤差RMSE 擬合度檢驗計算[8]，潦河灌區(qū)西潦北干五支渠瞬時流量比測結(jié)果見表2。

表2 瞬時流量觀測準(zhǔn)確性分析表

由表2 可知，西潦北干五支渠測流平均相對誤差較小，回歸系數(shù)0.998 9 小于1 接近于1.0，遠(yuǎn)程智能閘測流值小于無喉道量水槽測流值，二者的測流結(jié)果接近；決定系數(shù)0.995 8 接近于1.0，表明遠(yuǎn)程智能閘與無喉道量水槽二者測流結(jié)果的有效性較高；均方根誤差RMSE 為0.001 2，表明兩種方法的測流結(jié)果準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

應(yīng)用實踐表明，遠(yuǎn)程測控智能閘門的觀測數(shù)值和無喉道量水槽觀測數(shù)據(jù)逐時過程線趨勢基本一致，分析觀測過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差符合規(guī)范認(rèn)可的誤差范圍。觀測數(shù)值均符合觀測規(guī)范要求，測量精度準(zhǔn)確性符合要求。適宜在灌區(qū)推廣使用。有助于提高灌區(qū)管理水平和管理效率，實現(xiàn)了科學(xué)高效用水，可提高大型灌區(qū)信息化水平。