测控一体化闸门系统在宁夏南山台扬水灌区中的应用

(宁夏中卫市水务局，宁夏 中卫 755000)

宁夏南山台扬水灌区始建于1978年，30多年来由于不断安置生态移民，灌溉面积持续增长。目前，灌区已开发农田23.9万亩，农业灌溉用水量连年递增，灌溉用水供需矛盾十分突出。为了提高南山台扬水灌区管理水平，优化水资源配置管理，提高水资源利用效率，解决来自南部山区生态移民的用水短缺问题，保障移民的基本生活条件，全面提高农业用水效率，缓解水资源的供需矛盾，将渠道闸门自动控制技术、计算机通信技术和自动化技术等先进的科学技术应用到农田灌溉管理中，已是必然的发展趋势。

宁夏中卫市南山台中型灌区节水灌溉项目借助国家发展高效节水灌溉的政策支持，依托先进信息化平台，发展高效节水农业，实施最严格水资源管理制度，通过砌护干渠、安装测控一体化闸门、配套信息通信系统、安装水量调配管理软件，实现闸门远程监控、定量供水、自动化测水、优化配置水资源的目标。

1 南山台扬水灌区概况

宁夏南山台扬水灌区设计灌溉总面积23.9万亩，现实际能保证灌溉的面积为19.58万亩。灌区内现有行政村20个，个体种植大户76个。输水干渠总长26.5km，渠道设计流量为6.65m3/s，加大流量为7.5m3/s。干渠上现有支渠口73座，小扬水站41座，灌区近3年平均灌溉用水量为7190.3万m3。

目前南山台扬水干渠的运行管理由沙坡头区南山台电灌站承担，干渠上设4个管护段分段管理，主要负责干渠工程安全巡护和水利设施、设备的维护保养，水闸的运行操作、支渠口的开关、配水计量和水情形势、节水灌溉技术宣传和灌水技术指导。供水全部采用无喉道量水槽人工观测计量，干渠供水商品率多年平均值为86%。

2 测控一体化系统建设情况

2.1 工程概况

宁夏南山台扬水灌区节水配套改造项目于2016年春季建设实施，其中完成干渠砌护9.07km，配套各类建筑物59座，新建节制闸3座，改造节制闸3座，新建退水闸2座，改造支渠口50座；配套支渠测控一体化闸门50套，配套干渠测控一体化闸门9套；配套渠道状况视频监视点6处，建设信号传输中转塔1座；安装灌溉管理硬件和基础软件1套。

2.2 系统架构

本系统由四部分内容组成：干渠节制闸改造、支渠口建设及改造、通信网络、调度中心建设。系统的总体架构如图1所示。

图1 系统架构

2.3 干渠节制闸

干渠上节制闸采用从澳大利亚引进的测控一体化槽闸技术设备，该设备主要是根据水力学原理设计而成的，集测控于一体的顶面溢流式闸门。该设备与技术以太阳能为动力，通过集成在内部的无线通信系统，与调度中心连接，使调度中心可通过配套管理软件系统，对节制闸进行实时监控。测控一体化槽闸结构如图2所示。

图2 测控一体化槽闸结构

2.4 支渠口建设

本项目支渠口安装测量精度高达95%以上的测控一体化板闸，在使干渠成为一个封闭的自动化控制系统的同时，精确计量干渠上的每个分水口的水量，为灌区实现按方收取水费创造条件。

测控一体化板闸采用底部过流的方式，闸门的启动可以通过太阳能驱动，具有节能节电的优点。测控一体化板闸由闸门门框、水位传感器、开度传感器、闸门、驱动装置、控制器、太阳能板和通信模块组成。通过集成在内部的无线通信系统，与调度中心连接，使调度中心可通过配套管理软件系统对支渠口测控一体化板闸进行实时监控。测控一体化板闸结构如图3所示。

图3 测控一体化板闸结构

2.5 通信系统

系统采用无线通信与光纤通信相结合的组网方式，在闸门与二泵站之间，采用无线通信方式，在二泵站建设一座通信基站，闸门采用自带的无线通信网络模块与通信基站建立无线通信链路，二泵站与调度中心(电灌站)之间的通信采用现有的光纤通信系统，参见图1。

2.6 调度中心

调度中心设置在电灌站及二泵站，调度中心的服务器放置在二泵站，管理终端放置在电灌站。

灌溉管理软件部署在服务器上，同时，闸门的各种运行数据均保存在服务器上。灌溉管理软件基于GIS系统平台进行开发，其先进性在于闸门自动控制基于“全渠道控制”的理念进行开发。将每段渠道视为一个“蓄水池”。当下游用户取水时，引起渠道水位的下降，闸门自动调节开度补充水量，直到水位达到设定值为止。依次往上类推，使渠道上的每个闸门自动调节，通过计算机和通信网络实现整个灌区或部分灌溉区域的输配水自动化，实现整个渠系网络的全局控制、智能化水量自动调度和控制。全渠道控制模型如图4所示。

图4 全渠道控制模型示意图

灌区管理调度软件主要用于辅助完成灌区的各项日常业务，实现自动调度控制和信息监测。信息处理流程自下而上包括信息采集、信息传输、信息存储和业务应用。管理人员通过管理终端访问灌溉管理软件，完成灌区的各项日常业务。

3 系统运行情况

系统建成投入使用后，定量给支渠供水的稳定性大大提高，既减轻了渠道工作人员调节闸门的劳动强度，也消除了由于支渠供水不稳定造成的灌溉矛盾问题，受到灌区广大农民群众及水管人员的欢迎，促使灌区灌溉管理水平迈上了新的台阶。

60扇测控一体闸(包括9扇干渠测控一体槽闸与51扇支渠测控一体板闸)在使用过程中，基本能够实现定流量、定水位、定开度自动控制，以及流量自动测量、远程传输、远方监控、闸门止水严密、高精度测量水、图像传输清晰。

4 结论与讨论

4.1 成功的经验和优点

a.采用测控一体化闸门控水、计量后，实现了渠道供水的精确控制、精确计量、远程监控，减轻了渠道管理人员的劳动强度，提高了工作效率，提升了供水管理单位的管理水平，为农业水价综合改革和水权转换奠定了基础。

b.工程实施后，减少了干渠输水过程中的水量损失，改善灌溉面积23.3万亩，常年灌溉面积11.1万亩，永大线枣瓜间作高效节水灌溉面积12.2万亩，农田灌溉保证率50%。灌区节水配套改造后，比改造前每年可节水486.22万m3。

c.节水配套改造完成后，项目区的灌溉管理方式将更加科学、规范，对灌区内上下游用水的紧张局面起到缓解作用，农业用水纠纷将明显减少，可减少社会不稳定因素。灌区水利基础设施改造后，将提高渠道的运行安全水平，确保周边农田和居民生产生活安全。

4.2 缺点和教训

4.2.1 现有灌溉工程管理体制限制了测控一体化理念的实现

测控一体化的理念是从水源到田间土壤墒情，利用信息化和数字化等高科技手段，全面引入先进的节水设备和系统，优化渠道输配水模式，精确计量，建立现代化信息管理系统，实现从水源到田间的自动化供水。支渠及以下工程设施不完善，没有全部配套测控一体化闸门(现有支渠口70座，配套了50座)，加之灌区作物种植结构不统一、规模小、经营方式单一，不能根据作物需水要求合理配置水量，限制了全渠道控制理念的实现。

4.2.2 系统和设备的适应性和可靠性有待进一步完善

在系统的实际运行管理过程中，暴露出在高含沙水灌区，系统的测流精度和自动化控制、信号传输稳定性还不够，部分构件损坏后维修养护难等技术问题，特别是在系统软件方面，应尽快实现完全汉化，并对系统进行本地化改进，以适应引黄灌区水情和业务的实际需求，解决灌区基层水管人员在实际操作和管理中所遇到的许多困难和不便。

4.2.3 提高系统的性价比

目前，从澳大利亚进口测控一体化闸门设备，总体的性价比不高，虽然在系统控制精准性、材料耐久性和可靠性上具有较大优势，但相对于国内类似产品，价格仍然偏高。因该套设备和系统价格高昂，只能在渠道关键控制点或局部设置，目前扬水干渠还有20个支渠口没有安装测控一体化闸门，不能实现全干渠统一计量水，从而影响了测控一体化闸门计量工作的开展。

5 建 议

a.成立南山台扬水灌区水利信息化技术服务中心，负责本灌区信息化设施维护、使用指导和技术培训，以保证测控一体化闸门与灌溉软件的正常使用。现灌区测控一体闸门的操作界面与灌溉管理软件均为英文界面，为了使南山台灌区水管单位工作人员能够对测控一体化闸门设备进行正常维护和使用，建议成立灌区水利信息化技术服务中心，负责灌区信息化设施维护、使用指导和技术培训，以利于尽快提高水利队伍的信息化管理水平。

b.地方各级水管部门加强协作，形成合力，先期打造一个全渠道控制示范灌区。

宁夏南山台扬水灌区有关各级水管部门应在项目设计、示范区选择、资金投入、资源整合等方面，进一步加强协作和沟通，共同形成合力，打造一个从灌区水源到各级渠道输水，再到田间土壤墒情的全过程全渠道控制的示范灌区，建立完整的灌区现代化信息管理系统，并根据土壤墒情，实现从水源到田间的自动化供水和精确计量，以利于促进全渠道信息化自动化控制技术在本灌区的真正实现。

c.转变用水户对自动化闸门的使用管理观念，保证灌溉管理新技术和新设备的正常运行。在使用测控一体化闸门与灌溉软件技术的过程中，测量水精度高，按测控一体化设施计量，灌区内一些支渠用水量会明显高于传统量水槽计量的结果，部分用水户一时间难以接受，可能会出现拒不接受测控一体闸门的计量数据、破坏水利设施等现象。为转变灌区广大农民群众的传统观念，上级水行政主管部门应请第三方单位进行测试，根据测试结果，政府出台对测控一体闸门测量水准确性的批复文件，进而解决农民群众拒不认可供水管理单位使用测控一体闸门计量供水数据的有关问题。

d.进一步提高测控一体化闸门与信息化系统和设备的适应性和可靠性。针对本灌区安全使用管理测控一体化闸门与信息化系统和设备中存在的一些问题与不足，应进一步加大与地方水利科研院所、灌区水管单位，特别是已实施过类似项目的灌区水管单位或有关部门的沟通交流与技术合作，并紧密结合本灌区实际，在测控一体化闸门与信息化系统和设备的适用性、可靠性和稳定性等方面，进一步进行完善和提高，以利于促进灌区灌溉管理综合效益的充分发挥。