淺談智能一體化閘門在大型灌區(qū)中的應(yīng)用

姚 磊

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730000）

0 引言

一體化智能測控灌溉智能閘門管理系統(tǒng)，是一臺集遠(yuǎn)程精確在線計(jì)量、精準(zhǔn)信息智能管理、遠(yuǎn)程精確信息監(jiān)測控制等服務(wù)于為一體綜合性的大型智能化測控計(jì)量管理灌溉專用設(shè)備。為切實(shí)增強(qiáng)排灌渠道自動化與閘口門的智能化控制與管理的綜合能力，進(jìn)一步提升灌區(qū)企業(yè)信息化與綜合管理自動化水平，在灌區(qū)的二處閘站和分水洞試點(diǎn)灌區(qū)均安裝并使用了一體化的智能測控灌溉與智能閘門，經(jīng)過各項(xiàng)功能的綜合測試，閘門的性能狀態(tài)良好、可靠。

1 智能一體化閘門的應(yīng)用背景

1.1 現(xiàn)實(shí)條件與發(fā)展建設(shè)需要

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)離不開水利工程的建設(shè)，面對復(fù)雜的、不可預(yù)料的自然天氣環(huán)境，水利工程對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有至關(guān)重要的作用。以我國的都江堰水利工程為例，都江堰人民渠第一管理處灌區(qū)的667 hm2以上農(nóng)田灌溉面積屬于小0.5自流性灌區(qū)，在水源渠道上主要采用的形式為區(qū)間徑流的補(bǔ)充利用和直接從蒲陽河水庫引水灌溉，因此水量的直接供應(yīng)比較有限，供應(yīng)也比較緊張。然而，農(nóng)田水利自身的節(jié)水抗旱能力、引水和抗旱調(diào)節(jié)設(shè)施的蓄水灌溉能力都普遍不足。全年農(nóng)田降雨點(diǎn)時(shí)空分布變化也很是復(fù)雜不均，1月中旬到翌年4月上旬農(nóng)田的累計(jì)平均降雨量點(diǎn)約占全年降雨量點(diǎn)總面積的9%，蒸發(fā)量總數(shù)也只占全年蒸發(fā)量總數(shù)的24%而已。水稻移栽集中于育秧、栽秧期的關(guān)鍵兩個(gè)時(shí)段，春季從3月到翌年6月平均降雨量約占同期全年總量降雨的30%，蒸發(fā)量也只占同期全年降雨量的44%左右。其降雨量高峰時(shí)間主要是集中在夏季從5月末到翌年9月，降雨量高峰已達(dá)同期全年雨量的83%。

1.2 需漬水污染極為嚴(yán)重

全年我國累計(jì)實(shí)現(xiàn)從長江上游向蒲陽河工程計(jì)劃引入的需水量超過30億m3，其中直接用于農(nóng)業(yè)灌溉水量達(dá)到20億m3/年，占總量的66.7%。通過綜合計(jì)算，農(nóng)業(yè)總用水凈循環(huán)需要引水量為14.1億m3/年，表明當(dāng)年農(nóng)田灌溉用水中實(shí)際已經(jīng)重復(fù)利用，超過5.9億m3/年約占我國全年工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總需引水量份額中的20%。由此分析，科學(xué)有效平衡與調(diào)配渠引水量，改變了以往灌區(qū)農(nóng)田大水漫灌用水及供水的習(xí)慣。

1.3 精細(xì)化施工管理

人民渠第一管理處水利工程系統(tǒng)運(yùn)行管理工作量大，控制渠道線路長，工程管理人員作業(yè)管理范圍面廣量大，專業(yè)化需求也更強(qiáng)，在傳統(tǒng)的人工管理巡檢模式情況下，其主要作業(yè)方法是通過人工的現(xiàn)場管理巡檢。全處下設(shè)社會基層服務(wù)站、綜合辦公管理點(diǎn)和業(yè)務(wù)段共有28個(gè)，人員編制120人，實(shí)際在崗職工110余人，平均年齡達(dá)48.7歲，未來的5年內(nèi)，預(yù)計(jì)將有42人退休，人員缺口大，難以滿足行政管理與服務(wù)要求。

這意味著企業(yè)必須進(jìn)一步加快推進(jìn)現(xiàn)代企業(yè)信息化、智能化、遠(yuǎn)程化管理平臺項(xiàng)目建設(shè)，以提高綜合行政管理效率，促進(jìn)企業(yè)管理處、管理站、養(yǎng)護(hù)段等三級按照“三級變一級”的目標(biāo)管理機(jī)制盡快實(shí)現(xiàn)[1]。

1.4 灌區(qū)供水信息化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃的具體需要

人民渠第一管理處水利信息化網(wǎng)建設(shè)的總體規(guī)劃重點(diǎn)是確保實(shí)現(xiàn)全省水資源動態(tài)調(diào)配計(jì)劃“可視、可量、可傳、可控”的指標(biāo)。一是要盡快建設(shè)全國灌溉管理處、管理站、養(yǎng)護(hù)段的三位一體通信與基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)體系，并完成三級水利管理網(wǎng)之間的基礎(chǔ)信息平臺互聯(lián)或互通工作。二是加快建立全省灌區(qū)內(nèi)所有水量的精確計(jì)量管理節(jié)點(diǎn)和數(shù)字化節(jié)點(diǎn)，完成所有灌區(qū)水量全程精準(zhǔn)調(diào)度與計(jì)量服務(wù)。三是盡快完成灌區(qū)全覆蓋及干渠、分灌干渠、支渠、分出水洞全部口門的自動化控制建設(shè)，提升現(xiàn)有灌區(qū)供水自動化運(yùn)行水平，實(shí)現(xiàn)灌水量雙向自動統(tǒng)一調(diào)配，逐步做到“無人值班，少人值守”。

2 一體化測控系列智能閘門使用說明

一體化測控智能閘門，是一項(xiàng)經(jīng)過國家知識產(chǎn)權(quán)局、水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心技術(shù)檢測，并進(jìn)入水利部2017年國家農(nóng)業(yè)新產(chǎn)品技術(shù)推廣目錄的一項(xiàng)農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)品。該智能閥門系統(tǒng)主要集成了智能小尺寸閥門、太陽能直接供電、水位動態(tài)檢測、流速自動檢測、無線視頻通訊、遠(yuǎn)程水位管理、精準(zhǔn)流量實(shí)時(shí)控制等核心功能，是實(shí)施閘門遠(yuǎn)程聯(lián)動智能化控制功能和農(nóng)村灌區(qū)供水信息化應(yīng)用的關(guān)鍵性技術(shù)支撐。

一體化測控智能閘門支持太陽能光伏供電或接入的方式，閘門電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)功率峰值衰減甚小，能耗系數(shù)很低，可同時(shí)靈活選擇使用太陽能光伏供電、市電系統(tǒng)供電。智能一體化閘門主體由全鑄鋁合金工藝材料制造，具有防腐蝕、耐老化、使用壽命長等特點(diǎn)。一體化測控智能閘門由開啟閉合裝置、控制系統(tǒng)、水位計(jì)、限位計(jì)等核心部件組成，裝配、調(diào)試、維修方便，維護(hù)管理也十分簡單[2]。

3 通過試點(diǎn)項(xiàng)目示范工程應(yīng)用推廣項(xiàng)目

3.1 試點(diǎn)完成情況

在灌區(qū)2017—2018年，結(jié)合灌區(qū)特點(diǎn)，分別對灌區(qū)新繁堰站、青白江閘站等各段的各1個(gè)處閘門工程進(jìn)行先期工程建設(shè)試點(diǎn)，研究和配套建設(shè)實(shí)施方案及技術(shù)分析測試。建成試運(yùn)行后，先后3次組織人員對機(jī)電自控一體化智能測控設(shè)備及智能閘門系統(tǒng)進(jìn)行測試，對工程項(xiàng)目的供電裝置性能、監(jiān)控報(bào)警單元功能、流量動態(tài)在線測量、遠(yuǎn)程自動控制、通信和調(diào)度系統(tǒng)智能化運(yùn)行功能等6個(gè)方面指標(biāo)，逐項(xiàng)進(jìn)行跟蹤測評，測評結(jié)果為工程項(xiàng)目總體質(zhì)量良好，性能與系統(tǒng)安全可靠。這是人民渠第一管理處在灌區(qū)首次進(jìn)行智能一體化閘門系統(tǒng)的應(yīng)用試點(diǎn)，為全國灌區(qū)供水信息化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和推進(jìn)我國水價(jià)機(jī)制綜合管理改革實(shí)踐提供出了一項(xiàng)良好的先行示范[3]。

3.2 供電性能

試點(diǎn)電池工程采用太陽能供電方式，在大約4～5 h/天的連續(xù)日照條件下，試點(diǎn)電池系統(tǒng)經(jīng)受住了長時(shí)間高強(qiáng)度和高電壓負(fù)荷的反復(fù)測試，供電效果穩(wěn)定可靠。

3.3 監(jiān)控報(bào)警功能

采用了間隔約為10 min以內(nèi)的定時(shí)連續(xù)自動拍照、實(shí)時(shí)視頻圖像連續(xù)自動采集傳輸、隨機(jī)事件自動視頻抓拍報(bào)警等3種自動報(bào)警的方式，都順利地完成了報(bào)警操作。監(jiān)控報(bào)警鏡頭還可完全支持遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻錄像控制，充分實(shí)現(xiàn)了對遠(yuǎn)程閘門水位、周邊地形等動態(tài)情況及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)控夜視功能高清鏡頭，圖像畫面更為清晰，晝夜可連續(xù)進(jìn)行可視連續(xù)拍攝操作；數(shù)據(jù)云端存儲功能可隨時(shí)提供實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)[4]。

3.4 流量測量

閘門設(shè)計(jì)采用“計(jì)算機(jī)三維數(shù)值模擬測量法”標(biāo)準(zhǔn)，控水閘功能與水工建筑物按照“一體化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”設(shè)計(jì)，通過微機(jī)精準(zhǔn)計(jì)算控制閘門開度，有效地提高了閘門量水、控水閘門質(zhì)量等級和計(jì)算精準(zhǔn)度。

3.5 遠(yuǎn)程在線控制

本地系統(tǒng)采用智能觸摸屏方式和智能按鍵式操作模式控制，可以通過智能手機(jī)APP端或遠(yuǎn)程WEB終端方式實(shí)施遠(yuǎn)程控制，通過遠(yuǎn)程終端軟件系統(tǒng)可自動對閘門的啟或閉、閘門的開度、瞬時(shí)流量、閘底前后的水深、開閘前累計(jì)的流量、設(shè)備信息狀態(tài)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行動態(tài)查詢、管理，并支持手動控制閘門啟與閉，開度與精度已達(dá)到了相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.6 通信系統(tǒng)

選用國際標(biāo)準(zhǔn)GPRS/標(biāo)準(zhǔn)、CDMA/國際標(biāo)準(zhǔn)、GSM移動通信技術(shù)方式，使用標(biāo)準(zhǔn)移動視頻通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信號，信號波形穩(wěn)定，通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量更有保證，信號傳輸完全能夠滿足遠(yuǎn)程視頻語音傳輸、數(shù)據(jù)同步上傳、遠(yuǎn)程語音控制功能的相關(guān)要求[5]。

3.7 建設(shè)方式

閘門結(jié)構(gòu)可以根據(jù)建筑物的條件來進(jìn)行合理設(shè)計(jì)并安裝，閘門穩(wěn)定性比較好、維護(hù)管理方便。同心堰、團(tuán)結(jié)堰工程試點(diǎn)示范應(yīng)用工程效果監(jiān)測表明，一體化測控智能閘門可以適應(yīng)不同斷面規(guī)格渠系、泥沙淤積區(qū)域等水利工程各種復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境。在灌區(qū)各種特殊氣候條件環(huán)境下，供電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和各種傳感器性能穩(wěn)定、可靠，為地處偏遠(yuǎn)山區(qū)、自然條件惡劣的老灌區(qū)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化計(jì)量與自動化控制，提供了一個(gè)更加快捷、經(jīng)濟(jì)、安全可行的整體方案，在加快推進(jìn)老灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)上，邁出了堅(jiān)實(shí)的第一步。

4 結(jié)語

人民渠第一管理處在灌區(qū)的干溝、支航道系統(tǒng)上共設(shè)置112處閘站、250孔總閘及407個(gè)分水孔（407孔閘門），50%以上都無市電，70%全部靠人工手搖機(jī)械啟開或開閉，基本上都不具備自動化儀表及自動計(jì)量設(shè)備。要順利實(shí)現(xiàn)“節(jié)水優(yōu)先、系統(tǒng)治理”目標(biāo)，首先要考慮并解決所屬管段區(qū)域內(nèi)的農(nóng)業(yè)灌溉問題以及水利基礎(chǔ)設(shè)施信息化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)問題，為農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供支撐[6]。