全渠道一体化测控闸门在昌马南干渠灌区的应用

宋增芳，孙栋元，胡想全，程玉菲，徐宝山，张云亮

(1.甘肃省水利科学研究院，兰州 730000；2.甘肃省疏勒河流域水资源管理局，甘肃 玉门 735211)

为了精确控制渠道内输水效率，促进农业生产力的提高。疏勒河管理局(以下简称疏管局)借助中澳合作内陆河流域综合管理子项目“应对水资源可持续发展面临的威胁”的研究，于2012年4月从澳大利亚潞碧垦公司引进9套全渠道测控一体化闸门[1]。2013年初，疏管局昌马南干渠灌区被清华大学确定为国家“十二五”科技支撑项目“水联网多水源实时调度与过程控制技术”的应用示范区[2]，在9套闸门成功运行的基础上，疏管局又安装51孔一体自动化测控闸门，于2015年6月全面完成60孔闸门的安装调试。在上述基础上，于2016年又安装3孔闸门。目前，昌马南干渠灌区总共安装全渠道测控一体化系统63套，系统安装后可优化水资源的供给，保持农户用水流量的均衡，同时杜绝渠道末端出现多余水量流失。

1 概 况

1.1 灌区概况

昌马灌区位于河西走廊西端的疏勒河中游，东起四墩门，西至瓜州牧场，南依祁连山北麓的昌马水库，北临桥湾、饮马北山，东西长105 km，南北宽15～25 km，现状灌溉面积4.59 万hm2，灌区总人口13.95万人。灌区内现有引水枢纽2处，一处是核工业集团404 厂工业取水口，设计引水流量为3.2 m3/s；一处是昌马渠首，是以农业灌溉为主的水利枢纽，设计引水流量为65 m3/s。灌区内现有干渠7条，渠道总长187.37 km，支干渠10条，总长114.89 km，支渠56条，渠道总长261.62 km，分支渠19条，渠道总长65.67 km；各类渠系建筑物1855座[3,4]。灌区在节水改造过程中，于2012年开始在昌马南干渠灌区安装全渠道一体化测控闸门，目前陆续安装设备63套。

1.2 全渠道控制系统(TCC)

澳大利亚潞碧垦(Rubicon )公司研制开发的全渠道控制系统(TCC)是全球最先进的灌溉控制技术之一，也是典型的下游控制系统[4-6]。其核心设备为测控一体化闸门，该闸门集水量监测和控制于一体，系统由模块化的硬件和软件组合而成，在澳大利亚、美国等国广泛应用，近几年在我国一些灌区也开始推广应用，通过计算机和通信网络对每扇闸门自动调节，提高了农田配水效率，为用水户提供了灵活、可靠、公平的供水服务[7]。

1.3 一体化测控闸门

(1)构成。一体化测控闸门作为全渠道控制系统核心设备，主要由闸门、水位传感器、开度传感器、控制器、太阳能板、电动机及驱动装置、门框、止水材料等部件组成，具有质量高、精度高，设计先进、安装维护方便、模块化和多功能等优点。

(2)工作原理。一体化测控闸门是由水力学原理设计而成，是集测、控于一体的顶面溢流式闸门，闸门可通过自身测得的上下游水位和闸门开度计算出流量，以太阳能为动力，通过集成在内部的无线通信系统和SCADA网络与控制中心及用水户连接，控制中心和用水户通过配套软件系统进行实时动态联系，为用水户提供及时而稳定的供水服务[7,8]。一体化测控闸门为堰流式出流，流量计算公式[9]：

(1)

m按照雷伯克(T Rehbock)流量系数公式[9]计算：

(2)

(3)

式中：Q为过堰流量；b为堰宽；H为堰上水头；m为堰流流量系数；P为上游堰高。

(3)功能。一体化测控闸门可为用户提供定制的解决方案，比如渠系管理和控制，需求管理，或者用户订水管理和收费；也可与全渠道控制系统的其他设备相结合为灌区所面临的挑战提供解决方案，比如配水效率、运行控制、精确计量和提高为农民服务的水平[10]。

(4)特点。一体化测控闸门集精确的超声波水位测量、高精度的流量计量与闸门控制、高强度的运作负载周期、顶流堰式设计和全太阳能驱动于一体，实现就地/远程与全渠道TCC控制模式，获得精准化的实时数据[11,12]。

2 应用实例

2.1 一体化测控闸门分布

昌马南干渠灌区63套一体化测控闸门，包括进水闸43孔，其中，南干渠4孔，南干一分干渠14孔，南干二分干渠9孔，南干一分干一支渠8孔，南干一分干二支渠1孔，南干二分干一支渠5孔，南干二分干二支渠2孔。节制闸20孔，其中，南干一分干渠4孔，南干二分干渠5孔，南干一分干一支渠6孔，南干一分干二支渠1孔，南干二分干一支渠2孔，南干二分干二支渠2孔。目前，一体化测控闸门在南干渠控制灌溉面积总共4 917.2 hm2，其中，南干一分干渠控制灌溉面积3 188 hm2，南干二分干渠控制灌溉面积1 493.53 hm2，南干一斗分水闸控制灌溉面积235.67 hm2。其中一体化测控闸门分布示意图见图1，一体化测控闸门分布表和灌溉控制面积表见表1和表2。

图1 昌马灌区南干渠渠系分布示意图Fig.1 Distribution diagram of canal system on South trunk canal of Changma irrigation

渠系进水闸孔数节制闸孔数南干渠40南干一分干144南干二分干95南干一分干一支渠86南干一分干二支渠11南干二分干一支渠52南干二分干二支渠22闸门总计4320

表2 一体化测控闸门灌溉控制面积表 hm2

2.2 一体化测控闸门控制方式

全渠道测控一体化闸门的控制方式分就地/远程控制方式和全渠道TCC控制方式[13,14]。

就地/远程控制方式其设定过程分为2种：就地人工控制和远程人工控制；设定模式有4种：流量模式、定位模式(闸门开度模式)、上游水位模式、下游水位模式。在这种控制方式下，全灌溉渠系以及各个闸门之间的信息传递和相互协调均由管理人员通过前馈与反馈联合控制进行[15]。

全渠道TCC控制方式，当用户预订用水时，软件会自动检查用户预订的水量是否合适，输水系统是否有容量及调水限制，确定后才把信息发送到用户预订的槽闸口，在用户要求的时间内自动开启一体化槽闸，通过不断调整，达到用户预订的流量。上游槽闸预计下游槽闸需求，然后采用前馈控制上游槽闸，随着实时水位与流量信息的不断调整来维持下游渠道水位。当下游用户用水时，下游渠道水位下降，通过调整每个闸门的高精度水位传感器与闸门调整开度补充水量，直至水位达到设定的目标值。依次往上类推，使整个网络中的所有闸门在短时间内自动调节到最佳工作状态，实现整个渠系网络输配水的自动化、数字化、智能化。全渠道TCC控制方式，可分为基于需求和基于供给的两种控制模式。基于需求得运行方式是通过改变闸门流量(开度)以匹配下游渠系时间需求，并保持渠段下游水位在设定值；基于供给的运行方式通过改变闸门流量(开度)以匹配上游渠系时间需求，并保持渠段上游水位在设定值[16]。就地/远程控制方式闸门均为独立运行，不考虑上下游闸门的情况；TCC控制方式闸门为系统控制，每一个闸门的调节会根据整个渠系的状态进行调整。测控一体化闸门控制模式以及控制效果见图2和表3。

刚才我给学生布置作文，把题目写黑板上了：我的翅膀。李老黑说，你这几个字有问题。人又不是鸟，咋会长翅膀，你叫娃娃们咋写？你这人脑子是不是有毛病，这样教法不会把娃娃也教傻了？

图2 一体化测控闸门控制模式图Fig.2 Control mode of Integrated measurement gate

2.3 一体化测控闸门运行效果

昌马南干渠灌区测控一体化闸门目前在实际运行过程中以就地/远程控制方式为主，节制闸为定位控制模式，进水闸为流量控制模式，泄洪闸为上游水位模式。闸门被控对象主要为闸门流量、闸门上、下游水位。研究选择南干渠进水闸(型号FGB-1675-1804)，运行年份为2014年4月-2017年6月，主要对闸门平均流量、平均上游水位、平均下游水位以及累计水量等的运行数据进行分析。由南干进水闸运行图显示，一体化测控闸门的流量、水量变化趋势幅度较大，变化规律因春灌、夏灌、秋灌、冬灌作物需水量的不同，一般在灌溉初逐渐增加灌水量，当达到灌水定额的设定值后又开始逐渐减少灌水量，一般年末会停止灌溉，闸门也相应停止运行，流量、水量达到最小值(见图3)。闸门在2016年八九月份时，出现进水闸闸门上游水位低于闸门下游水位，闸门有过流流量的现象。这一现象说明在汛期闸门运行时，大量泥沙入渠，致使水位传感器不能准确测量水位、流量。总体来看，闸门在运行期间比较稳定，达到预期测量的效果。

表3 一体化测控闸门控制模式及控制效果表Tab.3 Control mode and effect table of integratedmeasurement and control gate

图3 南干渠进水闸运行图Fig.3 Operation data change diagram of South Dry Sluice

3 存在的问题

一体化测控闸门自安装并开始运行以来，运行管理经历了不断的改进和提高，运行参数进行了多次的试验率定。由目前的运行情况和运行台账记录显示，一体化测控闸门虽已实现就地/远程的监测和控制方式，但离实现全渠道TCC控制还有一定的差距，主要是存在两个方面的问题：一是通讯问题。主要是距离较远的控制闸门，有时出现通讯信号不好的现象，造成操作指令不能及时有效的下达；其次是控制中心主通讯模块频繁易坏，在短时间内不能更换，导致的通讯失败问题。二是水位传感器问题。水位传感器作为测控的主要配件，经常因传感器出现故障，造成测量的不准确，出现偏大或偏小的问题，尤其在汛期运行，大量泥沙入渠，致使传感器出现不能准确测量水位、流量等问题。目前，昌马南干渠工作人员已联系到相关技术专家，针对存在的问题进行改进中。

4 结 语

通过对昌马灌区南干渠进水闸2014年4月-2017年6月闸门平均流量、平均上游水位、平均下游水位以及累计水量等的运行数据分析，结果表明：闸门的流量、水量变化趋势较大。变化规律因春、夏、秋、冬灌作物需水量的不同，呈现先增后减，在灌溉初灌水量逐渐增加，当达到灌水定额的设定值后又开始逐渐减少，年末流量、水量达到最小值，闸门停止运行。闸门的上游水位、下游水位，在2016年八九月份，出现进水闸闸门上游水位低于闸门下游水位，闸门有过流流量的现象。这一现象说明闸门在汛期运行时，大量泥沙入渠，对水位传感器造成影响，导致水位测量不准确。另外，针对闸门通讯不好以及传感器测量不准确等问题，目前已找到相应解决措施，正在改进中。总体来看，闸门运行比较稳定，可达到预期的测量效果，并实现灌区作物精量灌溉。

□

参考文献：

[1] 曾国雄. 一体化测控闸门自动化系统在疏勒河昌马灌区的应用[J]. 水利规划与设计,2014,(5):41-45.

[2] 徐宝山,任晓文,闫晓婷. 基于TCC控制模式节水自动化灌溉体系应用[J]. 节水灌溉,2017,(2):115-117.

[3] 曹林顺.全渠道控制系统在昌马灌区节水改造工程中的应用[J]. 甘肃水利水电技术,2014,50(6):35-37,41.

[4] 朱海洋. 斗口水量实时监测与闸门测控一体化系统在疏勒河灌区的应用研究[J]. 甘肃水利水电技术,2017,53(6):51-54.

[5] 李小龙,邱 勇,苗正伟,等.闸堰测控一体化系统在扬水灌区的应用研究[J].人民黄河,2016,38(12):144-148.

[6] 李 涛.全自动一体化槽闸在淠史杭灌区的应用[J].安徽水利水电职业技术学院学报,2011,11(3):79-80,93.

[7] 李 科. 全渠道控制系统在甘城子扬水灌区中的应用[J]. 农业与技术,2016,36(20):47-48.

[8] 肖 坚. 一体化闸门技术的应用前景[J]. 中国水利,2003,(18):43.

[9] 清华大学水力学教研组编.水力学(上、下) [D].北京:人民教育出版社,1980.

[10] 马德海,马乐平. 甘肃疏勒河灌区信息化管理系统研究及应用[J]. 水利水电技术，2010,41(10):101-107.

[11] 杨鲲鹏. 测控一体化闸门在汾河灌区的应用[J]. 山西水利,2011,27(9):40-41.

[12] 马通宙. 测控一体化闸门在汾河灌区二坝东一支的应用[J]. 山西科技,2011,26(6):95-96.

[13] 姚 雄,王长德,李长菁. 基于控制蓄量的渠系运行控制方式[J]. 水利学报,2008,(6):733-738.

[14] 姚 雄,王长德,丁志良,等.渠系流量主动补偿运行控制研究[J]. 四川大学学报(工程科学版),2008,(5):38-44.

[15] 吴辉明,雷晓辉,秦 韬,等. 南水北调中线渠系蓄量补偿运行控制方式[J]. 南水北调与水利科技,2015,13(4):788-792,802.

[16] 徐征和,赵 钰. 多灌溉水源联网调度与自动灌溉管理技术研究[J]. 中国农村水利水电,2008,(9):62-64,69.