全渠道一體化測控閘門在昌馬南干渠灌區的應用

宋增芳，孫棟元，胡想全，程玉菲，徐寶山，張云亮

(1.甘肅省水利科學研究院，蘭州 730000；2.甘肅省疏勒河流域水資源管理局，甘肅 玉門 735211)

為了精確控制渠道內輸水效率，促進農業生產力的提高。疏勒河管理局(以下簡稱疏管局)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”的研究，于2012年4月從澳大利亞潞碧墾公司引進9套全渠道測控一體化閘門[1]。2013年初，疏管局昌馬南干渠灌區被清華大學確定為國家“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”的應用示范區[2]，在9套閘門成功運行的基礎上，疏管局又安裝51孔一體自動化測控閘門，于2015年6月全面完成60孔閘門的安裝調試。在上述基礎上，于2016年又安裝3孔閘門。目前，昌馬南干渠灌區總共安裝全渠道測控一體化系統63套，系統安裝后可優化水資源的供給，保持農戶用水流量的均衡，同時杜絕渠道末端出現多余水量流失。

1 概 況

1.1 灌區概況

昌馬灌區位于河西走廊西端的疏勒河中游，東起四墩門，西至瓜州牧場，南依祁連山北麓的昌馬水庫，北臨橋灣、飲馬北山，東西長105 km，南北寬15～25 km，現狀灌溉面積4.59 萬hm2，灌區總人口13.95萬人。灌區內現有引水樞紐2處，一處是核工業集團404 廠工業取水口，設計引水流量為3.2 m3/s；一處是昌馬渠首，是以農業灌溉為主的水利樞紐，設計引水流量為65 m3/s。灌區內現有干渠7條，渠道總長187.37 km，支干渠10條，總長114.89 km，支渠56條，渠道總長261.62 km，分支渠19條，渠道總長65.67 km；各類渠系建筑物1855座[3,4]。灌區在節水改造過程中，于2012年開始在昌馬南干渠灌區安裝全渠道一體化測控閘門，目前陸續安裝設備63套。

1.2 全渠道控制系統(TCC)

澳大利亞潞碧墾(Rubicon )公司研制開發的全渠道控制系統(TCC)是全球最先進的灌溉控制技術之一，也是典型的下游控制系統[4-6]。其核心設備為測控一體化閘門，該閘門集水量監測和控制于一體，系統由模塊化的硬件和軟件組合而成，在澳大利亞、美國等國廣泛應用，近幾年在我國一些灌區也開始推廣應用，通過計算機和通信網絡對每扇閘門自動調節，提高了農田配水效率，為用水戶提供了靈活、可靠、公平的供水服務[7]。

1.3 一體化測控閘門

(1)構成。一體化測控閘門作為全渠道控制系統核心設備，主要由閘門、水位傳感器、開度傳感器、控制器、太陽能板、電動機及驅動裝置、門框、止水材料等部件組成，具有質量高、精度高，設計先進、安裝維護方便、模塊化和多功能等優點。

(2)工作原理。一體化測控閘門是由水力學原理設計而成，是集測、控于一體的頂面溢流式閘門，閘門可通過自身測得的上下游水位和閘門開度計算出流量，以太陽能為動力，通過集成在內部的無線通信系統和SCADA網絡與控制中心及用水戶連接，控制中心和用水戶通過配套軟件系統進行實時動態聯系，為用水戶提供及時而穩定的供水服務[7,8]。一體化測控閘門為堰流式出流，流量計算公式[9]：

(1)

m按照雷伯克(T Rehbock)流量系數公式[9]計算：

(2)

(3)

式中：Q為過堰流量；b為堰寬；H為堰上水頭；m為堰流流量系數；P為上游堰高。

(3)功能。一體化測控閘門可為用戶提供定制的解決方案，比如渠系管理和控制，需求管理，或者用戶訂水管理和收費；也可與全渠道控制系統的其他設備相結合為灌區所面臨的挑戰提供解決方案，比如配水效率、運行控制、精確計量和提高為農民服務的水平[10]。

(4)特點。一體化測控閘門集精確的超聲波水位測量、高精度的流量計量與閘門控制、高強度的運作負載周期、頂流堰式設計和全太陽能驅動于一體，實現就地/遠程與全渠道TCC控制模式，獲得精準化的實時數據[11,12]。

2 應用實例

2.1 一體化測控閘門分布

昌馬南干渠灌區63套一體化測控閘門，包括進水閘43孔，其中，南干渠4孔，南干一分干渠14孔，南干二分干渠9孔，南干一分干一支渠8孔，南干一分干二支渠1孔，南干二分干一支渠5孔，南干二分干二支渠2孔。節制閘20孔，其中，南干一分干渠4孔，南干二分干渠5孔，南干一分干一支渠6孔，南干一分干二支渠1孔，南干二分干一支渠2孔，南干二分干二支渠2孔。目前，一體化測控閘門在南干渠控制灌溉面積總共4 917.2 hm2，其中，南干一分干渠控制灌溉面積3 188 hm2，南干二分干渠控制灌溉面積1 493.53 hm2，南干一斗分水閘控制灌溉面積235.67 hm2。其中一體化測控閘門分布示意圖見圖1，一體化測控閘門分布表和灌溉控制面積表見表1和表2。

圖1 昌馬灌區南干渠渠系分布示意圖Fig.1 Distribution diagram of canal system on South trunk canal of Changma irrigation

渠系進水閘孔數節制閘孔數南干渠40南干一分干144南干二分干95南干一分干一支渠86南干一分干二支渠11南干二分干一支渠52南干二分干二支渠22閘門總計4320

表2 一體化測控閘門灌溉控制面積表 hm2

2.2 一體化測控閘門控制方式

全渠道測控一體化閘門的控制方式分就地/遠程控制方式和全渠道TCC控制方式[13,14]。

就地/遠程控制方式其設定過程分為2種：就地人工控制和遠程人工控制；設定模式有4種：流量模式、定位模式(閘門開度模式)、上游水位模式、下游水位模式。在這種控制方式下，全灌溉渠系以及各個閘門之間的信息傳遞和相互協調均由管理人員通過前饋與反饋聯合控制進行[15]。

全渠道TCC控制方式，當用戶預訂用水時，軟件會自動檢查用戶預訂的水量是否合適，輸水系統是否有容量及調水限制，確定后才把信息發送到用戶預訂的槽閘口，在用戶要求的時間內自動開啟一體化槽閘，通過不斷調整，達到用戶預訂的流量。上游槽閘預計下游槽閘需求，然后采用前饋控制上游槽閘，隨著實時水位與流量信息的不斷調整來維持下游渠道水位。當下游用戶用水時，下游渠道水位下降，通過調整每個閘門的高精度水位傳感器與閘門調整開度補充水量，直至水位達到設定的目標值。依次往上類推，使整個網絡中的所有閘門在短時間內自動調節到最佳工作狀態，實現整個渠系網絡輸配水的自動化、數字化、智能化。全渠道TCC控制方式，可分為基于需求和基于供給的兩種控制模式?；谛枨蟮眠\行方式是通過改變閘門流量(開度)以匹配下游渠系時間需求，并保持渠段下游水位在設定值；基于供給的運行方式通過改變閘門流量(開度)以匹配上游渠系時間需求，并保持渠段上游水位在設定值[16]。就地/遠程控制方式閘門均為獨立運行，不考慮上下游閘門的情況；TCC控制方式閘門為系統控制，每一個閘門的調節會根據整個渠系的狀態進行調整。測控一體化閘門控制模式以及控制效果見圖2和表3。

剛才我給學生布置作文，把題目寫黑板上了：我的翅膀。李老黑說，你這幾個字有問題。人又不是鳥，咋會長翅膀，你叫娃娃們咋寫？你這人腦子是不是有毛病，這樣教法不會把娃娃也教傻了？

圖2 一體化測控閘門控制模式圖Fig.2 Control mode of Integrated measurement gate

2.3 一體化測控閘門運行效果

昌馬南干渠灌區測控一體化閘門目前在實際運行過程中以就地/遠程控制方式為主，節制閘為定位控制模式，進水閘為流量控制模式，泄洪閘為上游水位模式。閘門被控對象主要為閘門流量、閘門上、下游水位。研究選擇南干渠進水閘(型號FGB-1675-1804)，運行年份為2014年4月-2017年6月，主要對閘門平均流量、平均上游水位、平均下游水位以及累計水量等的運行數據進行分析。由南干進水閘運行圖顯示，一體化測控閘門的流量、水量變化趨勢幅度較大，變化規律因春灌、夏灌、秋灌、冬灌作物需水量的不同，一般在灌溉初逐漸增加灌水量，當達到灌水定額的設定值后又開始逐漸減少灌水量，一般年末會停止灌溉，閘門也相應停止運行，流量、水量達到最小值(見圖3)。閘門在2016年八九月份時，出現進水閘閘門上游水位低于閘門下游水位，閘門有過流流量的現象。這一現象說明在汛期閘門運行時，大量泥沙入渠，致使水位傳感器不能準確測量水位、流量。總體來看，閘門在運行期間比較穩定，達到預期測量的效果。

表3 一體化測控閘門控制模式及控制效果表Tab.3 Control mode and effect table of integratedmeasurement and control gate

圖3 南干渠進水閘運行圖Fig.3 Operation data change diagram of South Dry Sluice

3 存在的問題

一體化測控閘門自安裝并開始運行以來，運行管理經歷了不斷的改進和提高，運行參數進行了多次的試驗率定。由目前的運行情況和運行臺賬記錄顯示，一體化測控閘門雖已實現就地/遠程的監測和控制方式，但離實現全渠道TCC控制還有一定的差距，主要是存在兩個方面的問題：一是通訊問題。主要是距離較遠的控制閘門，有時出現通訊信號不好的現象，造成操作指令不能及時有效的下達；其次是控制中心主通訊模塊頻繁易壞，在短時間內不能更換，導致的通訊失敗問題。二是水位傳感器問題。水位傳感器作為測控的主要配件，經常因傳感器出現故障，造成測量的不準確，出現偏大或偏小的問題，尤其在汛期運行，大量泥沙入渠，致使傳感器出現不能準確測量水位、流量等問題。目前，昌馬南干渠工作人員已聯系到相關技術專家，針對存在的問題進行改進中。

4 結 語

通過對昌馬灌區南干渠進水閘2014年4月-2017年6月閘門平均流量、平均上游水位、平均下游水位以及累計水量等的運行數據分析，結果表明：閘門的流量、水量變化趨勢較大。變化規律因春、夏、秋、冬灌作物需水量的不同，呈現先增后減，在灌溉初灌水量逐漸增加，當達到灌水定額的設定值后又開始逐漸減少，年末流量、水量達到最小值，閘門停止運行。閘門的上游水位、下游水位，在2016年八九月份，出現進水閘閘門上游水位低于閘門下游水位，閘門有過流流量的現象。這一現象說明閘門在汛期運行時，大量泥沙入渠，對水位傳感器造成影響，導致水位測量不準確。另外，針對閘門通訊不好以及傳感器測量不準確等問題，目前已找到相應解決措施，正在改進中?？傮w來看，閘門運行比較穩定，可達到預期的測量效果，并實現灌區作物精量灌溉。

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參考文獻：

[1] 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[J]. 水利規劃與設計,2014,(5):41-45.

[2] 徐寶山,任曉文,閆曉婷. 基于TCC控制模式節水自動化灌溉體系應用[J]. 節水灌溉,2017,(2):115-117.

[3] 曹林順.全渠道控制系統在昌馬灌區節水改造工程中的應用[J]. 甘肅水利水電技術,2014,50(6):35-37,41.

[4] 朱海洋. 斗口水量實時監測與閘門測控一體化系統在疏勒河灌區的應用研究[J]. 甘肅水利水電技術,2017,53(6):51-54.

[5] 李小龍,邱 勇,苗正偉,等.閘堰測控一體化系統在揚水灌區的應用研究[J].人民黃河,2016,38(12):144-148.

[6] 李 濤.全自動一體化槽閘在淠史杭灌區的應用[J].安徽水利水電職業技術學院學報,2011,11(3):79-80,93.

[7] 李 科. 全渠道控制系統在甘城子揚水灌區中的應用[J]. 農業與技術,2016,36(20):47-48.

[8] 肖 堅. 一體化閘門技術的應用前景[J]. 中國水利,2003,(18):43.

[9] 清華大學水力學教研組編.水力學(上、下) [D].北京:人民教育出版社,1980.

[10] 馬德海,馬樂平. 甘肅疏勒河灌區信息化管理系統研究及應用[J]. 水利水電技術，2010,41(10):101-107.

[11] 楊鯤鵬. 測控一體化閘門在汾河灌區的應用[J]. 山西水利,2011,27(9):40-41.

[12] 馬通宙. 測控一體化閘門在汾河灌區二壩東一支的應用[J]. 山西科技,2011,26(6):95-96.

[13] 姚 雄,王長德,李長菁. 基于控制蓄量的渠系運行控制方式[J]. 水利學報,2008,(6):733-738.

[14] 姚 雄,王長德,丁志良,等.渠系流量主動補償運行控制研究[J]. 四川大學學報(工程科學版),2008,(5):38-44.

[15] 吳輝明,雷曉輝,秦 韜,等. 南水北調中線渠系蓄量補償運行控制方式[J]. 南水北調與水利科技,2015,13(4):788-792,802.

[16] 徐征和,趙 鈺. 多灌溉水源聯網調度與自動灌溉管理技術研究[J]. 中國農村水利水電,2008,(9):62-64,69.