一體化測控閘門自動化系統在疏勒河昌馬灌區的應用

曾國雄

一體化測控閘門自動化系統在疏勒河昌馬灌區的應用

曾國雄

（甘肅省疏勒河流域水資源管理局 甘肅玉門 735211）

一直以來，農業水資源利用由于監測手段和設備落后，對水資源利用效率研究的深度、精度還不夠。因此疏勒河灌區引進澳大利亞“渠系一體化端至端明渠灌溉基礎設施自動化系統”，實現了渠道的全自動化控制和各項數據及信息采集。該系統在中國西北地區首家引進，目前還未有研究成果。本文詳細介紹了一體化測控閘門系統的設計和主要功能，對一體化測控閘門與傳統閘門進行了性價比分析，并進行了運行觀測試驗，對采集的灌溉流量數據與傳統的人工測流數據進行了對比分析。

一體化測控閘門系統 設計 功能 性價比分析 流量數據分析

1 前言

農業水資源利用效率是水利人當前急需研究和探討的重要課題。一直以來，農業水資源利用由于監測手段和設備落后，對水資源利用效率研究的深度、精度還不夠。因此，疏勒河管理局借助中澳合作內陸河流域綜合管理子項目“應對水資源可持續發展面臨的威脅”研究之際，引進澳大利亞的“渠系一體化端至端明渠灌溉基礎設施自動化系統”，作為疏勒河灌區農業水資源利用效率原位觀測系統試驗工程。農業水資源利用效率原位觀測實驗研究工作包括澳大利亞生產的閘門9套、研發的水情自動監測和閘門遠程監控及信息傳輸系統軟件1套。系統安裝于昌馬灌區南干渠系，涵蓋了南干渠、南干二分干渠上的7處引水閘口。實現渠道全自動化控制和全面信息化以及閘前、閘后水位、流量及各孔閘門開度的自動化控制和信息采集，為灌區提供實時數據采集、監測及報告，極大的改善了管理方式。目前此系統已開始運行且運行良好，今年春灌數據已全部采集。今年年初，由于此系統的良好運行，清華大學確定昌馬南干渠灌區為國家“十二五”科技支撐項目“水聯網多水源實時調度與過程控制技術”科研項目中的技術推廣應用示范區。借此科研課題的開展，以及“敦煌水資源合理利用與生態保護綜合規劃”項目的實施，南干渠技術示范區將可能進一步引進一體化閘門系統，實現南干渠上游至下游全渠道自動化控制運行。

2 概況

昌馬灌區是疏勒河流域農業灌溉工程三大灌區中規模最大的灌區，位于疏勒河中游，光照充分，熱量豐富，地勢平坦，灌溉條件良好，灌區歷史悠久，地廣人稀。灌區現狀灌溉面積68.9萬畝，灌區現有調蓄水庫一座，壩型為壤土心墻砂礫石壩，最大壩高為54m，水庫總庫容1.94億m3，其中興利庫容1.0億m3，死庫容8000萬m3，防洪庫容1400萬m3。灌區現有兩座引水樞紐，其中一座是核工業集團404廠工業取水口，設計引水流量為3.2m3/s，設計年引水量為8275萬m3；一座是昌馬渠首，是以農業灌溉為主的水利樞紐，設計引水流量為65m3/s。

該灌區現有干渠7條，渠道總長187.37km,襯砌完好率61.67%；支干渠10條，渠道總長114.89km,襯砌完好率84.94%；支渠56條，渠道總長261.62km,襯砌完好率85.72%；分支渠19條，渠道總長65.67km,襯砌完好率80.78%；各類渠系建筑物1855座。

3 總體設計13

昌馬灌區現代化工程由升級改造后的南干進水閘、南干一斗分水閘、南干一分干渠進水閘、南干二分干進水閘，二分干一支渠進水閘、二分干一支節制閘、二分干二支分水閘、二分干四斗進水閘組成。

用于信息化和自動化管理的主機系統安裝在疏勒河流域管理局昌馬南干渠灌溉管理所自動化控制室，監控渠道中各控制點的水位和流量。同時系統也將監測記錄渠道設備的各項運行數據。此系統可通過互聯網接受訪問和操控，其應用系統具有完善的數據圖形處理軟件模塊、可在線自定義的多級警報系統及完善的用戶管理授權安全系統。系統內的一體化測控閘門可與上下游的閘門聯系并完全自主按照預設運作，主機系統可根據系統的需求全自動控制系統內的所有設備或在需要時實施人工遠程控制。

具體系統結構如圖：

4 系統分項設計

4.1渠道監控設備

一體化測控閘門設備（包括一體化槽閘和一體化流量計等）既是流量控制閘門又是流量測量儀器，其野外流量測量精確度誤差小于±5%，水位和閘位精確度誤差小于±0.5mm。該系統由太陽能驅動，它通過獨特的流量計算程式，高精度超聲波水位感應器測得上游、下游水位，和數碼式閘位值來計算流量。它通過無線電遙測系統監控所有閘門相關信息，與上下游閘門互動，并通過互聯網遠程監控實時和歷史數據。

4.2主機系統

主機系統由無線電接收站、摩托羅拉網關和服務器組成。主機系統用于監控記錄渠道中各控制點的水位和流量，同時也監測記錄渠道設備的各項運行數據。此系統可通過互聯網接受訪問和操控。其應用系統具有完善的數據圖形處理軟件模塊、可在線自定義的多級警報系統及完善的用戶管理授權安全系統。

4.3SCADA 聯通系統

SCADA 聯通系統是用于整體渠道網絡自動控制的系統，它將低效率的人工操作明渠系統轉換成全自動一體化遙控系統。通過渠道高效率的全自動化運作可達到 90%的新輸送效率基準。

5 系統主要功能

SCADA 聯通系統可精確控制上下游水位并能智能模擬渠道工作和運行。智能控制軟件將渠系內所有的監控點（節制閘，配水閘，泵站等）聯接在同一個網絡中，并且通過持續的自我調節使整個灌溉系統始終處于最佳工作狀態。該系統將傳統的灌溉用水損失較大的明渠系統的人工控制策劃改造成反應迅速、高效靈活的全渠道自動化計算機控制系統。

5.1現場信息和閘門信息監控功能

自動采集閘門開啟高度、閘門上下游水位和閘門運行狀態，通過遠程數據通信網發送到控制中心，在控制中心的計算機屏幕上利用動態圖形進行實時監視。以圖形、表格、文字形式實時顯示各閘門的運行狀態、數據及故障情況。主要顯示的內容為：閘門開度和預設值；閘門上下水位和預設值；閘門運行狀態（升、降、停）；太陽能驅動系統狀態；電池狀態；閘門啟閉機狀態；當前流量；累計流量；各種故障。

5.2渠水流失檢測功能

每兩個相鄰節制閘點和其之間的渠道構成一個水池。上游閘門流量為水池流入水量，下游閘門流量為水池流出水量，其間的分水閘流量也是水池流出水量。這樣根據水平衡模型就可以計算出該渠道段的流失水量，從而可以有針對性的實施渠道修補工作。

5.3一體化測控閘門操作功能

一體化測控閘門工作方式通過切換可實現自動控制操作、手動操作、鎖定操作三種方式。遠程操作主要通過 SCADA 聯通應用軟件來實現；本地操作則使用閘門控制臺的液晶顯示屏和按鍵。遠程操作主和本地操作都有授權使用和記錄功能，可按不同級別設定密碼和權限以提高系統運行的可靠性和安全性。只有輸入的用戶名和密碼正確時，參數輸入和按鈕才能起作用，否則操作無效。一體化測控閘門主要有以下幾種控制模式：流量控制：根據渠道供水要求，可自動調節并控制閘門開度，保持所設置的流量恒定不變；上游或下游水位控制：根據渠道供水要求，可自動調節并控制閘門開度，保持所設置的水位恒定不變；閘位控制：閘門能夠自動調節并保持預定的位置；緊急控制：遇到緊急意外情況，能夠實施急停處理。

5.4數據查詢功能

SCADA 聯通系統擁有完善的歷史和實施數據查詢功能，并提供功能強大的數據趨勢圖處理軟件。其主要查詢功能包括：根據時間、閘門號、操作員等查詢歷史操作；根據時間、故障內容等查詢故障情況；根據時間、閘門號查詢該門的流量、實時流量、累積流量；根據時間、閘門號查詢該門歷史開度。

5.5報警和緊急處理功能

報警和緊急處理功能是渠道自動化監控系統必需的功能。在閘門運行過程中通過現場控制單元實時監測設備運行狀態，一旦系統發生故障，系統會立即根據警報級別和通報程序通過一系列方式（短信，電子郵件等）報警并能夠及時處理，包括自動或手動終止當前運行。其主要報警內容如下：現場設備名稱；數據點描述；數據點的值；數據點的記錄時間；報警狀態；報警發生時間；報警確認狀態；報警確認時間；報警總次數；報警優先級別。

6 一體化測控閘門性價比分析

一體化測控閘門與普通閘門的投資對比，從工程管理方面可省出至少1個人的人工工資，該系統的壽命是30年，兩種閘門系統單座的年平均投資見表1。

根據表1，SCADA 聯通系統一體化閘門單座年平均投資費用為9568元，普通閘門單座投資為7046元，差額為2522元，雖價格偏高，但SCADA聯通系統一體化閘門的測流精確度要遠高于人工測流。

為此本文對南干一分干渠進水閘由一體化閘門系統測得的流量和人工測水流量進行了數據對比，一體化閘門系統自動化測流每十分鐘測一次流量，人工測流每一小時測量一次，連續測三天。數據成果見表2、表3。

表1 兩種閘門系統年平均投資對比表

表2 南干一分干渠進水閘人工測水流量表

表3 南干一分干渠進水閘一體化閘門系統測水流量表 單位：m3/s

對表2、表3數據進行列圖表分析：

經對以上數據分析可得，一體化閘門系統自動化測量共測了201組流量數據，平均值為1.103m3/s，該系統測流的容許誤差值為5%即0.055，自動化測流中只有4.6%的測流成果在容許誤差之外，人工測流共測了36組數據，其中有52.8%的測流成果超過了容許誤差值， 得出的結論是一體化閘門自動化測流時間間隔短，實時監控性強，測流的精確度要遠高于人工測流。

7 系統效益總結

昌馬灌區擬實施一體化測控閘門自動化系統項目使供水與用水的管理和服務達到智能化和一體化。該系統給渠道管理、用水戶和環境帶來以下眾多的顯著效益：

（1）提供整個系統的遠程和本地監控，實現了渠道系統全面信息化。為灌區提供實時數據采集、檢測及報告以改善管理方式，既保障了安全供水，又可以防洪防汛。

（2）通過渠道系統的智能化全自動調節，取代了人工計劃、調度和閘門控制，快速有效的穩定渠道水位異常波動，使渠道始終保持最佳運行狀態，水資源浪費最小化，并消除傳統系統中不可避免的渠道剩水及退水。

（3）閘門和流量計無需外接電源由太陽能驅動，減少污染，節能環保，改善生態環境。

（4）一體化測控閘門的高集成性大大簡化了工程施工和安裝的要求，大部分情況下，在原有建筑物結構上稍作改造即可安裝。

（5）覆蓋整個系統的高精度流量計量，流量計量精度超過95%，這為水權分配和水費的合理征收提供保障，為用水戶提供公平、公正的供水服務。

（6）通過精確計量和水平衡模型，準確找出泄漏、滲漏和偷盜。發現渠道流失，可有針對性的實施修補工作。

（7）合理、精確的分配水資源，對灌溉用水、工業供水、生態用水提供接近按需的配水。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.05.013

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13作者簡介：曾國雄（1963年—），男，高級工程師。