閥式自動控制閘在灌區(qū)現(xiàn)代化改造的優(yōu)勢探討

王亞立，張正林

（江西省宜春市錦北灌區(qū)工程管理局，江西 高安 330800）

0 引言

錦北灌區(qū)地處江西省西北部的宜春市，橫跨錦河南北兩岸，覆蓋面積1 624.35km2，主要灌溉高安、上高、宜豐、奉新一市三縣境內(nèi)21個鄉(xiāng)鎮(zhèn)與農(nóng)場耕地共計3.62萬hm2（54.37萬畝）。錦北灌區(qū)屬于多庫多壩蓄、引水大型灌區(qū)，由錦河攔河抬水壩1座、大（2）型水庫1座、中型水庫3座、小型水庫103座、山塘壩338座、引水陂閘4座和錦惠干渠渠首進水閘組成，明渠系統(tǒng)含16條引水干渠、55條支渠和535條斗農(nóng)渠，現(xiàn)有0.1m3/s流量以下取水口13 932座。

錦北灌區(qū)管理局編制人員和管理經(jīng)費受到多種限制，目前難以做到對灌區(qū)水利工程全部監(jiān)管到位，在技術(shù)上主要負責干渠工程管理，而干渠以下的支、斗、農(nóng)渠及田間工程管理均交由歸地方政府管轄。由于各支、斗、農(nóng)渠的取水口缺乏高效的監(jiān)控設(shè)施，用水管理較為粗放，用水矛盾突出，水資源浪費嚴重。

隨著農(nóng)業(yè)水價綜合改革的不斷深入，灌區(qū)的水資源管理越來越需要精細化、信息化，亟需改變渠系末端取水口及田間工程缺乏計量裝置的現(xiàn)狀，在不增加人員規(guī)模的情況下解決好取水口用水過程自動計量、自動控制問題，實現(xiàn)灌區(qū)高效管理。為此，本文即根據(jù)此項專利提出采用閥式自動控制閘進行取水口監(jiān)控設(shè)施改造的方案。

1 現(xiàn)狀與問題

錦北灌區(qū)現(xiàn)狀取水口均為傳統(tǒng)的人工螺桿式啟閉平板閘門或手提式平板閘門，在實際運行管理過程中存在較多弊端，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）平板閘門設(shè)施容易損壞。傳統(tǒng)的人工螺桿式啟閉平板閘門或手提式平板閘門均為上升式開啟，導致螺桿或提桿長期外露，又因缺少保護裝置，容易被人為破壞變形使閘門無法正常啟閉。已經(jīng)提升的螺桿在關(guān)閉下行時，受行程極限影響，也容易發(fā)生螺桿頂撞彎曲變形，使閘門閉合不嚴。

（2）閘門啟閉難以管控。傳統(tǒng)閘門采用人力方式啟閉，沒有啟閉機保護設(shè)施，用水戶可隨意自由控制閘門的啟閉，往往管用不管建、管開不管關(guān)，渠水長期出流造成浪費。由于專業(yè)管理人員數(shù)量十分有限，難以對大量取水口實施長期值守監(jiān)管，水資源漏失率居高不下。

（3）維修保養(yǎng)難度大。螺桿式啟閉閘的材料主要是鑄鐵與鋼板，常年裸露在外或淹沒在水下，極易銹蝕，需經(jīng)常上油保養(yǎng)，閘門也需要定期涂抹油漆防腐。閘門結(jié)構(gòu)部件多為螺絲等鎖固件，維修時更換配件過程繁瑣。為防止盜失，手提式閘的閘板封閉在閘槽內(nèi)。因此，一旦閘門損壞，必須將閘室拆除后才能取出閘板進行維修或更換，然后又要重建新的閘室，費時費力。

（4）升級改造成本高。原有的螺桿式啟閉機均為手搖式啟閉機，未進行電動配套。如需升級改造成遠程控制設(shè)施，需增設(shè)電動機、遠程控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等裝置[1]。此外，原取水口均無計量裝置，在升級改造時，還需增設(shè)管道或量水槽以及水位或流量自動采集系統(tǒng)，要配備電源。因此，將現(xiàn)有取水口的控制閘升級改造成自動計量及遠程控制閘將耗費較高的成本。以現(xiàn)行市場價計算，一座取水口閘的改造成本接近3.5萬元，見表1。

表1 自動計量及遠程控制閘升級改造費用組成表

2 升級改造方案比選

為了改變灌區(qū)用水管理粗放、水閘調(diào)控計量設(shè)備簡陋的局面，同時解決現(xiàn)有取水口閘升級改造成本高的問題，錦北灌區(qū)管理部門積極調(diào)研升級改造方案。根據(jù)當前國內(nèi)外的技術(shù)發(fā)展水平和灌區(qū)的實際情況，有幾種方案可選，各有利弊。

第一種方案是引進國外先進設(shè)備。發(fā)達國家渠道取水口自動測控起步早、設(shè)備先進，已經(jīng)廣泛應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，總體上實現(xiàn)了數(shù)字化、精細化管理[2]。其中，可供引進的代表性產(chǎn)品有澳大利亞潞碧墾（Rubicon）公司的一體化測控槽閘，該設(shè)備集精確的流量計量、高精度的閘門控制、全太陽能驅(qū)動和無線通訊功能于一體，在自由出流或淹沒出流條件下，監(jiān)控系統(tǒng)均可以通過自身測得的上下游水位和閘門開度計算出流量[3]。

第二種方案是采購國內(nèi)成熟的測控閘門產(chǎn)品。近10年來，國內(nèi)的現(xiàn)代化水閘技術(shù)也快速發(fā)展，出現(xiàn)了一批較為成熟的產(chǎn)品。目前推廣最多的現(xiàn)代化水閘，以新型一體化測控閘為主導。這種測控閘是在傳統(tǒng)的螺桿式啟閉閘上進行改良得到的，具有集精準流量計算、高精度閘門控制、全太陽能驅(qū)動和無線通訊功能于一體的特點[4]。

第三種方案是從灌區(qū)的實際情況出發(fā)自行研制組裝水閘監(jiān)控系統(tǒng)，即借鑒國內(nèi)外現(xiàn)有的技術(shù)進行自主研發(fā)，形成在灌區(qū)適用性更強的裝備，并實現(xiàn)量產(chǎn)推廣。

在方案的選擇上，成本控制是一個關(guān)鍵因素。不管是進口國外的一體化測控閘，還是使用國內(nèi)廠家生產(chǎn)的新型一體化測控閘，都存在價格偏高、性價比偏低的問題。這些裝備結(jié)構(gòu)精巧、材料昂貴，但安裝之后要長期裸露在野外，安全風險高，后期維護需要追加大量經(jīng)費。如果對設(shè)施進行嚴格保護，則需要修建封閉式管理房，增加基建成本。國外設(shè)備供貨周期長、后期配套服務繁瑣，很難從根本上解決灌區(qū)的實際問題[3]。

灌區(qū)管理局通過反復調(diào)研，對市場現(xiàn)行各種信息化設(shè)備進行分析、研究，總體上認為需要采用第三種方案，才能既實施灌區(qū)大面積范圍的閘口測控設(shè)施改造，又達到成本可控。當然，自主研發(fā)對灌區(qū)管理部門的技術(shù)把控能力也是較大的挑戰(zhàn)。近年來，灌區(qū)管理局組織相關(guān)技術(shù)力量，聯(lián)合國內(nèi)的軟、硬件制造企業(yè)，進行了閥式遠程自動控制閘的研發(fā)探索，取得了初步的經(jīng)驗，并在2020年將自主研發(fā)的閥式自動控制閘取得了國家專利。

本次自主研發(fā)的小型水閘測控系統(tǒng)，主要期望達到以下目標：

（1）具有自動化功能。通過集成自動量水、自動啟閉、自動數(shù)據(jù)采集與傳輸、視頻監(jiān)控等功能，使該閘型具備遠程控制及測報數(shù)據(jù)顯示功能，可實現(xiàn)自動化操作與管理，解決用水量不清楚、無記錄、難計量問題。

（2）易于量產(chǎn)和維護運行。通過水閘各配件的模塊化、標準化，為實現(xiàn)量產(chǎn)提供便利，設(shè)備結(jié)構(gòu)更實用、操作更簡單、維修更方便，從而降低維護成本。通過配套信息化技術(shù)，增加手機客戶端遠程控制及數(shù)據(jù)顯示功能，實現(xiàn)多級自動化操作與監(jiān)控，提高管理效率。

（3）非接觸式管理、減少用水糾紛。用水戶通過手機客戶端遠程配置閘門作息制度，自由選擇供水時間、調(diào)配用水量節(jié)約用水費用。管理單位則通過系統(tǒng)終端，遠程監(jiān)控水閘及用水量，進行總體控制、精細調(diào)配。這種管理運行方式能夠?qū)崿F(xiàn)制度公開、數(shù)據(jù)共享，減少了用水戶與管理者的田間現(xiàn)場接觸，避免了主觀情緒導致的糾紛。

（4）關(guān)鍵設(shè)備隱蔽封裝、具有較高安全性。作為關(guān)鍵設(shè)備的水閘啟閉機，采用全封閉模式，設(shè)備不外露，一般人員只能通過授權(quán)的無線信號啟閉閘門。因設(shè)備隱蔽且有封閉保護裝置，不易遭受破壞，保障了閘門的長期安全運行。

（5）建設(shè)成本低。將現(xiàn)有水利工程小型渠道取水口常用的平板閘門改為為閥式閘門，集成數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，通過工藝完善、材料精選和量產(chǎn)降低設(shè)備成本。單套設(shè)備的總體預期成本小于市場同類設(shè)備，價格降低2萬元左右。

3 閥式遠程自動控制閘的技術(shù)特點

3.1 閘門

閥式遠程自動控制閘采用旋轉(zhuǎn)式閘門組件，放棄現(xiàn)有的平板鋼閘門結(jié)構(gòu)。其閘門組件由四通式外殼、筒式閘門、連接桿等三個部件組成（圖1），材質(zhì)可采用鑄鐵、不銹鋼、塑膠等。其主要技術(shù)特點是：水平旋轉(zhuǎn)，連接桿非上下移動，不外露；閘門可自由從外殼內(nèi)取出，便于維護。

圖1 閥式遠程自動控制閘的結(jié)構(gòu)外形

3.2 閘室

閥式遠程自動控制閘為可拆分、拼裝式一體閘，其閘室主要由底板、閘門基座、胸墻、啟閉臺、翼墻、蓋板組成（圖2）。其主要技術(shù)特點是：模板、混凝土工程量少，易施工；既可將原閘拆除重建，也可在原閘基礎(chǔ)上改造，建設(shè)成本低。

圖2 閥式遠程自動控制閘的閘室安裝剖面圖

3.3 控制終端

閥式遠程自動控制閘控制終端主要由控制箱、電機、齒輪、水位計、行程開關(guān)、繼電控制開關(guān)、RTU等組成。其主要技術(shù)特點是：

（1）水位計為自主研發(fā)數(shù)字式水位計，該水位計為觸壓式水位計，由壓力傳桿進行觸水式傳導，其余部件與水分離，保證了水位計各電子部件的使用壽命；

（2）RTU為自主研發(fā)采集終端，該RTU組合了繼電控制開關(guān)、水位計、監(jiān)控等設(shè)備模塊的數(shù)據(jù)采集與傳輸，可按用戶要求進行相關(guān)功能設(shè)備的自由組合；

（3）控制終端為手、自兩用控制，當控制終端無電源供應或局部設(shè)備損壞造成閘門不能自動啟閉時，無需拆除自動控制裝置即可手動控制閘門啟閉。

3.4 監(jiān)控

閥式遠程自動控制閘外置監(jiān)控設(shè)備，其主要技術(shù)特點是：立桿式外置監(jiān)控攝像頭，采用區(qū)域內(nèi)紅外線移動觸感拍攝、RTU數(shù)據(jù)出錯報警拍攝技術(shù)，使監(jiān)控攝像頭條件式工作，以減少其用電功耗。

3.5 遠程控制系統(tǒng)

閥式遠程自動控制閘可與管理單位的終端控制軟件和手機客戶端軟件通訊，以進行數(shù)據(jù)與視頻資料的采集，實現(xiàn)遠程控制和自動化管理。其主要技術(shù)特點是：

（1）多級權(quán)限管理，其中最高級管理權(quán)限可對所有閥式遠程自動控制閘進行控制及數(shù)據(jù)查詢，普通管理權(quán)限可對設(shè)定區(qū)域內(nèi)的所有閥式遠程自動控制閘進行控制及數(shù)據(jù)查詢，用戶端管理權(quán)限僅對其個體使用的閥式遠程自動控制閘進行預用水量上報、繳費、控制及數(shù)據(jù)查詢；

（2）可視化閘門開度、即時用水量、總用水量、預設(shè)用水量控制、報警監(jiān)控。

4 閥式遠程自動控制閘的優(yōu)勢分析

根據(jù)推廣趨勢及應用成熟度來判斷，新型一體化測控閘是目前國內(nèi)外較為流行的技術(shù)。從功能上看，閥式自動控制閘也屬于一種新型一體化測控閘。為了明確閥式自動控制閘在本灌區(qū)的適用性，先將其與市面上典型的新型一體化測控閘（箱式平板閘、弧型槽式翻板閘，外觀見圖3進行對比分析。

圖3 不同控制閘的外觀對比圖

詳細對比的參數(shù)見表2，結(jié)果顯示閥式自動控制閘在功能上不輸于其它新型一體化測控閘，而且具有更多優(yōu)勢，更適合于灌區(qū)取水口的大面積改造升級，具體可總結(jié)為以下幾點：

表2 不同類型控制閘性能參數(shù)對比表

（1）結(jié)構(gòu)簡單。閥式自動控制閘部件模塊化明顯，且均為拼裝式，除控制箱需鎖固于啟閉臺上，其它部件均無需各種鎖固件，結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝。另外，其運行與傳動方式簡單，無需太多傳動結(jié)構(gòu)，僅有一根連接桿和兩個變速齒輪，無需油料養(yǎng)護，維護十分便捷。

（2）單體重量輕。閥式自動控制閘可采用三種材質(zhì)制作，其中塑膠材質(zhì)的最為輕便，整體重量不超過20kg，不銹鋼材質(zhì)的也只有50kg左右，鑄鐵材質(zhì)的相對要重一些，但相比新型一體化測控閘的最輕100kg也相差不大，而且由于是拼裝式，各相關(guān)部件單體重量不會超過50kg，十分便于安裝。

（3）成本低廉。新型一體化測控閘的兩種型式由于其型號較多，價格有所不同，價格為綜合平均價，閥式自動控制閘價格有兩種，其中14 000元的是不銹鋼材質(zhì)價格（塑膠材質(zhì)的價格相差不大），24 000元的是鑄鐵材質(zhì)價格。從對比中可以發(fā)現(xiàn)，閥式自動控制閘相比價格低廉，更符合灌區(qū)取水口升級改造需求。

（4）施工簡便。新型一體化測控閘的兩種型式均為閘孔自由出流設(shè)計理念，故對上、下游連接渠道均有一定的要求，要求閘體上、下游渠道水流平順并盡量減少下游水躍形成，在施工過程中需對上、下游連接渠道進行硬化襯護處理。閥式自動控制閘的設(shè)計理念為有壓管道出流，無需對上、下游連接渠道進行硬化襯護也能準確測出取水口流量，故對上、下游連接渠道沒有要求，施工所需條件簡單。

5 應用前景

閥式自動控制閘是為改變管理力量不足、灌區(qū)0.1m3/s流量以下取水口無自動計量和無遠程控制等問題而研發(fā)的一種新型一體化測控閘。它的主要應用方向就是小型取水口閘，而小型取水口閘又是灌區(qū)內(nèi)數(shù)量最為龐大的閘群，如錦北灌區(qū)就有近14 000座。

近幾年農(nóng)業(yè)水價綜合改革快速推進，要求計量用水到戶，各灌區(qū)均面臨將這些小型取水口閘進行升級改造的問題。目前，通用自動化設(shè)備在市場缺少針對小型取水口閘的產(chǎn)品，現(xiàn)有設(shè)備價格較高而性價比較低，不適用于大面積灌區(qū)的閘群改造。閥式自動控制閘著眼于小型取水口閘的特點，其成本低廉但功能完善、易于量產(chǎn)，可以大大提高自動控制閘的性價比。

考慮小型取水口閘的集群特性，在實施改造過程中還可采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、LORA局域網(wǎng)技術(shù)和集中供電方式，將各取水口閘打包成閘群管理，以節(jié)省網(wǎng)絡通訊、獨立供電、搭建運管平臺等各方面的費用開支，使灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水像城市供水一樣達到自動計量、自動繳費、智能管理，真正實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水價綜合改革目標。因此，閥式遠程自動控制閘是灌區(qū)現(xiàn)代化改造中值得推廣的一種技術(shù)。