測(cè)控一體化閘門在汾河灌區(qū)的應(yīng)用

楊鯤鵬

（山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006）

1 概述

測(cè)控一體化閘門屬灌溉渠道系統(tǒng)控制技術(shù)范疇，是灌溉渠道系統(tǒng)控制的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)閘門制造行業(yè)尚屬高新技術(shù)，是由澳大利亞RVBLON公司研制開發(fā)完成的全渠道自動(dòng)控制系統(tǒng)。我國灌區(qū)應(yīng)用該技術(shù)還處于起步階段，也只在少數(shù)灌區(qū)有所應(yīng)用。

測(cè)控一體化閘門是集閘門門體、數(shù)據(jù)測(cè)量、閘門控制、數(shù)據(jù)通訊、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)為一體的頂面溢流自動(dòng)控制閘門。其工作原理是依靠太陽能能量支持，實(shí)現(xiàn)水情監(jiān)測(cè)和閘門自動(dòng)控制。其工作程序是將太陽能通過太陽能板轉(zhuǎn)化為電能，存儲(chǔ)在蓄電池內(nèi)作為能量支持，上下游水位感應(yīng)器和閘門開度感應(yīng)器將水位、閘門開啟高度、過閘流量等水情數(shù)據(jù)通過超短頻通訊系統(tǒng)，傳到中央控制系統(tǒng)，中控室根據(jù)灌溉需求和實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)出閘門操作指令。其特點(diǎn)是通過閘門高度集成，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程控制兩種模式，獲得精準(zhǔn)化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

汾河灌區(qū)是山西省最大的自流灌區(qū)，主要水源為汾河水庫和汾河河道區(qū)間水，受益面積15萬hm2。灌區(qū)內(nèi)現(xiàn)有引水樞紐3處，固定灌溉渠道3 005條，總長(zhǎng)3 607 km，建筑物10 535座。灌區(qū)在續(xù)建配套與節(jié)水改造工程實(shí)施過程中，于2010年在汾河二壩東干一支渠四號(hào)閘引進(jìn)灌溉量水閘門測(cè)控一體化整套設(shè)備。

汾河二壩東干一支渠全長(zhǎng)12.5 km，設(shè)計(jì)流量6 m3/s，四號(hào)閘位于東一支渠6+529 km處。區(qū)域多年平均氣溫8℃，最高氣溫38℃，最低氣溫零下20℃，最大凍土深度0.8 m，年降雨量451 mm，年蒸發(fā)量1 052 mm。四號(hào)閘水源為汾河二壩樞紐引水到東干經(jīng)東一支渠到四號(hào)閘節(jié)制可向下游配水，也可引入農(nóng)渠直接用于灌溉。灌溉時(shí)間一般為春澆每年3月至4月，伏澆每年六七月，秋冬澆每年10月至次年2月。

2 應(yīng)用過程

2.1 施工過程

測(cè)控一體化閘門制作高度集成，實(shí)現(xiàn)了閘門制作工業(yè)化，只要在預(yù)先預(yù)制的閘體安裝即可。其施工過程為：灌區(qū)根據(jù)渠道和灌溉現(xiàn)狀，發(fā)出采購閘門的需求，工廠根據(jù)需求選擇適用的閘門，并根據(jù)閘門對(duì)閘體的要求發(fā)出閘體預(yù)留要求，設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)，施工單位根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙施工建筑閘體，工廠技工到現(xiàn)場(chǎng)安裝并調(diào)試閘門。需要注意的是，一體化閘門為堰流，經(jīng)常會(huì)淤積，在建閘體時(shí)要預(yù)留沖淤洞或其他排污設(shè)施。

2.2 閘門構(gòu)成

汾河灌區(qū)二壩東干一支渠四號(hào)閘采用測(cè)控一體化閘門，包括支渠2扇（孔）節(jié)制閘和左右2扇（孔）配水閘，設(shè)中央控制系統(tǒng)一處控制每扇閘門，每扇閘門形成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)由8個(gè)部分組成。

閘門門框是預(yù)制鋁合金U形結(jié)構(gòu)，安裝固定在混凝土閘體墻壁上，用膨脹鏍絲固定，膠結(jié)材料（玻璃膠等）密封，可為其他部件安裝提供基礎(chǔ)。

閘門門體是預(yù)制鋁合金結(jié)構(gòu)，由三塊鋁合金板組成，兩側(cè)鋁合金板發(fā)揮了渠道邊墻的作用，中間板呈弧形，與兩側(cè)板組成扇形結(jié)構(gòu)，安裝在門框中。

太陽能板提供整個(gè)系統(tǒng)的能源支持，閘門依靠太陽能實(shí)現(xiàn)水情監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化控制。每扇閘門標(biāo)配有12V60W的太陽能電池板和24 Ah的蓄電池。太陽能板用鋁合金管舉起，向陽布置。

水位監(jiān)測(cè)設(shè)施采用超聲波原理監(jiān)測(cè)水位高度，配有超聲波水位監(jiān)測(cè)儀。

開度監(jiān)測(cè)設(shè)備依靠弧形閘門上的傳感器參考點(diǎn)監(jiān)測(cè)閘門的開啟狀況，配有數(shù)碼編碼開度儀。

驅(qū)動(dòng)裝置包含直流電機(jī)和減速裝置，配有驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和變速裝置。

控制裝置負(fù)責(zé)接收和分析水情監(jiān)測(cè)信息，上傳下達(dá)調(diào)試指令，處理有關(guān)指令。配套有中央控制系統(tǒng)。

通訊裝置負(fù)責(zé)水情數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的傳輸數(shù)據(jù)。采用超短波傳輸設(shè)備。

2.3 運(yùn)行管理

四號(hào)閘采用測(cè)控一體化閘門是節(jié)水改造工程，管理機(jī)構(gòu)現(xiàn)有規(guī)模不變，配一人進(jìn)行管理。由于是新項(xiàng)目、高科技，屬試行階段，所以要對(duì)現(xiàn)有工作人員進(jìn)行培訓(xùn)，合格后方可上崗。四號(hào)閘屬東一支管理，采集受益區(qū)內(nèi)灌溉基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后報(bào)東一支管理所，并按照管理所指令進(jìn)行工作。

3 應(yīng)用效果

3.1 具備了“兩大特點(diǎn)”

一是“無人化管理”。測(cè)控一體化閘門集能源支持、監(jiān)測(cè)、控制、通訊為一體，具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)水情、自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)、自動(dòng)匯算記錄及根據(jù)水情穩(wěn)定流量的作用。同時(shí)具備現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程雙重控制功能，可節(jié)省人力，實(shí)現(xiàn)“無人化管理”。

二是精準(zhǔn)化測(cè)水。水位的測(cè)量根據(jù)門體結(jié)構(gòu)中專門設(shè)置的水位傳感器來實(shí)現(xiàn)，避免了水位波動(dòng)和視覺引起的誤差；閘門開度依靠弧形閘門上的傳感器參考點(diǎn)來監(jiān)測(cè)，避免了手工測(cè)量的誤差，使用這兩項(xiàng)技術(shù)后可使過閘流量的測(cè)量更為精準(zhǔn)，測(cè)量精度保持在±5%左右。

3.2 實(shí)現(xiàn)了“三點(diǎn)改進(jìn)”

一是過閘水流由孔流改進(jìn)為堰流。由一般的有閘潛流和有閘自由流改進(jìn)為溢流，使上游水位更加穩(wěn)定，避免了閘前旋流和水位的波動(dòng)，有利于測(cè)量精度的提高。

二是傳統(tǒng)閘門控制水流單一的功能改進(jìn)為測(cè)控一體化多元功能。傳統(tǒng)的閘門只控制流量，水情監(jiān)測(cè)、閘門控制、水量記錄等由人工來完成。一體化閘門集監(jiān)測(cè)水情、自動(dòng)化控制閘門、近遠(yuǎn)程通訊、數(shù)據(jù)記錄匯總計(jì)算于一體，實(shí)現(xiàn)了多元化功能，使用更為簡(jiǎn)便。

三是由人力驅(qū)動(dòng)或電力驅(qū)動(dòng)改進(jìn)為太陽能能源支持。灌區(qū)閘門的位置一般比較偏僻，電力驅(qū)動(dòng)運(yùn)用不方便又不經(jīng)濟(jì)，將支持能源改為太陽能，不受地理位置限制，使用更為方便，為偏遠(yuǎn)地區(qū)創(chuàng)造了條件，為全渠道控制奠定了基礎(chǔ)。

3.3 發(fā)揮了“四大作用”

一是實(shí)現(xiàn)了水情全局總控制。一體化閘站采用超短波數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，以及超聲波水位監(jiān)測(cè)儀、數(shù)碼編碼開度儀進(jìn)行水情監(jiān)測(cè)，水情數(shù)據(jù)通過傳輸和授權(quán)實(shí)現(xiàn)全局控制。

二是防止了跑水和漏水。一體化閘門實(shí)行軌道運(yùn)行，止水效果較好，不會(huì)發(fā)生漏水現(xiàn)象。其水情數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿懿块T，如有異?？杉皶r(shí)發(fā)現(xiàn)，搶險(xiǎn)可實(shí)現(xiàn)全局調(diào)配，有利于減少水量損失。

三是杜絕了偷水、搶水和人情水。一體化閘門的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了水情透明、過程監(jiān)測(cè)、自動(dòng)記錄，杜絕了偷水、搶水和人情水。

四是提高了整體管水效果。該閘門采用堰流方式使上游水位更穩(wěn)，多元化功能可實(shí)現(xiàn)閘門自動(dòng)調(diào)節(jié)，在1 h之內(nèi)達(dá)到最佳工作狀態(tài)，提高了灌溉效率和服務(wù)水平。

4 問題及思考

汾河灌區(qū)應(yīng)用一體化閘門后，可大大提高工作效率，但也存在以下問題：一是防盜任務(wù)重。一體化閘門閘體為鋁合金結(jié)構(gòu)，有太陽能板和蓄電池等外放設(shè)備。而四號(hào)閘屬季節(jié)性灌溉灌區(qū)，在不灌溉時(shí)需要由專人照看，增加了管理工作量。二是防凍要求高。在非灌溉季節(jié)渠道中經(jīng)常有水，當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁亓阆?5℃，閘門被凍是常事，傳統(tǒng)的砸、燒等解凍方法不適宜在一體化閘門中使用。三是價(jià)格昂貴。一體化閘門在我國尚屬起步階段，還未推廣使用，目前造價(jià)昂貴，期待在工業(yè)過程中降低成本。