灌溉中干渠直开口单控闸门远程测控系统的改造

贺 财

宁夏福宁工程设计咨询有限公司，宁夏银川 750002

1 项目背景

以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，全面贯彻党的十九大和十九届二中、三中、四中、五中全会精神和习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上的重要讲话精神，牢固树立创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念，围绕保障粮食安全和水安全，以健全农业水价形成机制为核心，落实节水优先方针，促进水资源节约和可持续利用，深化农业产业结构优化调整，实施乡村振兴战略，提高农业用水效率，加快推进农业高质量发展，为经济社会发展提供有力的支撑。

按照宁夏回族自治区的安排部署，通过未来几年的努力建设，到2025年全面建立健全合理反映供水成本、有利于节水的农田水利工程管理体制机制，与投融资体制相适应的农业水价形成机制。农业用水价格总体达到运行维护成本，经营性水利工程水价达到完全成本水平，分类水价普遍实行。农田水利设施配套完善，农业水权制度健全，农业用水总量和定额管理普遍实行；完成小型水利工程产权制度改革，建立农田水利工程良性运行机制，农民用水组织健全、运行高效。为实现这一总体目标，全区各大干渠和水利管理单位对灌区内的水利设施、现状水价、信息自动化建设等进行了深度调研分析，并积极规划改造建设。

2 项目基本情况

自 2018 年以来，宁夏回族自治区已将利通区、贺兰县等作为引黄灌区现代化建设的试点先行先试。对境内东干渠、秦渠、汉渠、唐徕渠、惠农渠等大干渠直开口进行测控设备改造，按照控制灌溉面积规模大小方式对灌区田间支渠斗口进行测控、单控、区间计量等多种形式的改造，为实现全区域现代化农业打下硬件基础。

七星渠自中卫市黄河申家滩南岸取水，属无坝引水，建于公元前 100年，目前干渠最大引水能力58 m3/s，年引水量8.88亿 m3，干渠全长87.6 km，担负着七星渠灌区以及固海扬水、红寺堡扬水、固海扩灌三大扬水灌区农田灌溉的供水任务，并且灌区内有同心、红寺堡、海原等贫困县区，七星渠在灌区经济发展中起着举足轻重的作用。

七星渠为傍山渠道，建有处、所、段、点、农场 30 处。截至2018 年底，七星渠已建干渠直开口589座、进水闸7座、退水闸18座、节制闸11座，渡槽15座、涵洞17座、险工段26处、山洪沟道23条（其中 5 条山洪沟道直接入渠），完备的灌区工程设施为灌溉供水和防汛两大任务奠定了良好工程措施基础。历年续建配套工程对部分渠道进行了砌护和扩整改造，对改善渠道运行状况，提高水资源的有效利用，起到了显著作用。

近年来，管理处深入调研，统筹谋划，在信息化建设上面下足功夫，实现“处、所、段”三位一体的互联网全覆盖，借助宁夏水利信息化公共应用平台，大力推广公文处理系统，提升办文效率，实现无纸化办公。七星渠2014年已建成水位遥测站77处，2018年完成19座水闸、5座直开口自动化改造，2019年完成6座水闸、41座直开口、3座小扬水站、2处测水断面自动化改造。对七星渠管理处管控中心及恩和管理所设备进行升级改造，在七星渠已建的业务应用系统的基础上，借鉴和融合其他管理处已有的信息资源和软件平台，完善、整合、优化七星渠灌区标准化管理应用平台，为管理处推进“现代化灌区”打下了基础。但灌区自动化覆盖率仍不足15%，信息化管理平台还需要进一步完善。由于传统的管理模式和现代化灌区建设需求不相适应，已实施现代化设施和现状的管理平台不匹配，因此不能发挥高效作用，急需改进。管理处对灌区现代化建设愿望十分强烈，需求十分迫切。

3 工程任务

2021年农业水价综合改革，七星渠量测水设施建设项目主要针对灌区直开口计量配套水平低、管理手段落后、自动化程度低等问题进行改造，提高农业用水计量水平，节约用水，建立现代化信息管理系统。为落实七星渠灌区的引水总量控制目标，以保障水资源科学调度、防汛供水安全、管理现代化及信息智能化为出发点，以遥测技术、通信技术、计算机网络技术、自动控制、地理信息系统等技术手段为依托，建设七星渠灌区干渠水闸自动化和直开口自动测控系统，为灌区调度配水决策提供数据支撑，实现灌区信息化、自动化、智能化管理的目标，全面提升灌区水资源调度管理自动化及信息化水平。

在此次改造项目中，七星渠应用了一种新型的直开口闸门远程测控改造方案，在无需拆除现有八字口和闸板的情况下，实现旧闸门的远程控制改造。此方案大幅缩减了旧闸改造的成本，经过一年的运行，目前各方面状况良好。

4 直开口闸门远程测控改造方案

4.1 测控系统的工作原理及构造布局

图1为测控系统工作原理图。

图1 测控系统工作原理图

图2为测控系统外观和内部元件布局图。

图2 干渠直开口远程测控系统布局图

闸门控制柜为防止未授权人员误动，设计为封闭门结构。外门上有安装有防撬锁具，内有折叠式触摸屏操作面板，供操作人员正常操作使用。

闸门控制柜内部为控制元件、驱动机构以及数据通信设备，部分元件带交流电或保护整定功能，非专业人员禁止进行线路改动和参数设定。

4.2 供电单元

系统供电单元采用光伏发电、锂电池蓄电的方案。太阳能电池板为2块100 W串联方式，由太阳能控制器将电能转换、输送至锂电池进行存储。锂电池采用2块24 V/20 Ah并联方式，为柜内控制器、网关、电机驱动器供电。

4.3 控制单元

控制单元由触摸屏、PLC、伺服驱动器、伺服电机等组成（图3）。

图3 触摸屏画面示例

触摸屏用以实现人机交互，可实时展现系统各单元的运行工况，且便于用户进行参数设置、报警确认等操作。

PLC为系统关键部件，用以接收触屏或远程网络平台发送的控制指令，并将指令进行处理后发送给伺服驱动器控制伺服电机实现预期的控制目标。

4.4 通讯单元

通讯单元由4G网关、微波天线及4G通讯卡等组成。

网关插卡后可主动连接至七星渠管理处物联网平台，并将PLC采集到的各项数据上报至平台，同时可接收平台端发送的控制指令给PLC，从而实现闸门的远程测控。

4.5 采集单元

采集单元由PLC、触摸屏、雷达流量计等组成。

PLC通过自带的RS-485通讯端口与雷达流量计建立通讯，实时读取流量计的测量和计量值发送给平台端。触摸屏可对流量计进行本地可视化操作。

5 技术经济效果评价

5.1 施工成本

从经济方面考虑，在直开斗口上新建一套“单控”一体化闸门，劳力、材料、设备及小型机具等投入较多，且施工周期长、施工成本较高；如采用此改造方案，可利用原有斗口旧闸板、八字口等保存较好的设施，在此基础上改造建设远程测控系统，此方案的实施减少了劳力、节省了材料、设备等的投入，又大大缩短了施工工期，减少了与之相对应的措施费，如后期混凝土养护、模板安装及拆除等，成本较拆除原有斗口进行新建一体化闸门大幅度降低。以七星渠直开口单控闸门改造项目为例，新建一座（A=600，单控，板闸）一体化斗口闸门投资为7.76万元，采用本技术方案改造投资为3.14万元，节省成本资金4.62万元（表1）。

表1 新建测控一体化闸门与改造闸门经济比较

5.2 施工机械及劳力

新建一体化斗口闸门施工需要的工种有钢筋工、架子工、木工及普工，施工现场的机械、设备需配置混凝土搅拌机、钢筋切割机、钢筋弯曲机、木工多用机床、电锯、电焊机、插入式振动捣固器等。改造斗口闸门因保留了八字口及旧闸板，施工现场支护模板、加工钢筋较少，只需配备少量的司机、抹灰工及普工。无须配备大量的机械设备。大幅度降低了临时用地和缩减了施工人员，节省了施工现场管理费。

5.3 水土及环境保护

改造斗口闸门减少了建筑工程的施工，无须将大量施工材料运至现场，不需要较大的临时场地，减少了对施工现场的环境破坏；拌和混凝土的需求量较少，相应减少了施工产生的废水，降低了施工噪声对周边居民的影响；改造斗口闸门施工现场使用的施工机械和施工人员较少，产生的机修费油、生活污水量也相对较少。

6 总结

此研究的技术方案在七星渠直开口改造项目上的成功应用及建设，使该灌域灌溉条件得到改善。采用高新技术，优化灌区配水调度，建立现代化信息管理系统，合理利用现有水资源，科学配置和完善灌溉设施，使灌溉渠系配水系统的智能化、农业用水计量的精准化，信息化覆盖达到一定的提升。提高农业用水计量水平，节约用水，建立现代化信息管理系统，以点带面、推广实施，可将本技术方案推广到其他支、干渠直开口的改造实施。