測控一體化閘門在寧夏回族自治區七星渠灌區的應用

馬 萍

（寧夏水利廳七星渠管理處，寧夏 中寧 755100）

量水測流是農業灌溉區管理工作的核心，是提高灌溉用水管理工作質量的基礎［1］。水資源的日益短缺和農業現代化的發展對灌區測流提出了更高的要求。一方面，水資源日益緊缺，農業水價改革，水權交易改革不斷深入，對測量的精度要求越來越高；另一方面，隨著農業灌溉現代化的發展，灌區信息化建設進程不斷加快，對時效性要求越來越高，迫切需要實現測流自動化和數字化［2］。

閘門是最常用的水量控制及調節設備。現有的閘門不能根據需求自動調節流量，也不能實現定時間、定流量、定水量的調節和控制，無法按需精確調節各級渠道流量，造成水資源浪費嚴重。隨著技術的不斷進步，測水一體化閘門集流量自動調節、精確測流、信息傳輸于一體的測水一體化閘門，能實現渠系內按需供水，達到節水灌溉的目的［3］。2018—2020 年，寧夏回族自治區七星渠管理處陸續引進測控一體化閘門，安裝使用后獲得了明顯的效果。

1 寧夏回族自治區七星渠灌區概況

寧夏回族自治區七星渠灌區自中衛市黃河申家灘南岸取水，屬無壩引水。目前，干渠最大引水能力58 m3/s，年引水量8.88 億m3，干渠全長87.6 km，擔負著七星渠灌區及固海揚水、紅寺堡揚水、固海擴灌三大揚水灌區農田灌溉的供水任務，是衛寧灌區經濟社會發展的重點水源工程。七星渠為傍山渠道，建有處、所、段、點、農場30處。截至2018年底，七星渠已建干渠直開口589座（計量直開口322座、明口203座、揚水站64座）、進水閘7座、退水閘18座、節制閘11座、渡槽15座、涵洞17座、險工段26處及山洪溝道23條（其中5條山洪溝道直接入渠）。完備的灌區工程設施為七星渠完成灌溉供水和防汛兩大任務奠定了良好的基礎。

2 測控一體化閘門在寧夏回族自治區七星渠灌區的應用

2.1 測控一體化閘門工作流程

測控一體化閘門在工作中通過太陽能板將太陽能轉化為電能存儲在蓄電池中。閘門的動力來源是蓄電池中的電能。渠系內來水時，閘板上下游的水位傳感器和開度感應器進行工作，實時測控渠道內的水位、閘門開啟高度、過閘流量等，通過數據傳輸部分傳到控制室內的計算機中，計算機根據灌溉需求設定目標數值并與實時測得的數據進行比對發出閘門操作指令［4-5］。系統反復循環執行操作指令，直到測得值達到設定值。

2.2 七星渠管理處測控一體化建設情況

近年來，七星渠管理處深入調研、統籌謀劃，先后爭取資金1 500 余萬元，逐步加強網絡和信息化建設、自動化裝備應用。2017 年，七星渠管理處自籌項目資金試點建設4座大閘自動化遠程控制系統和灌區標準化管理應用平臺軟件；2018 年，七星渠管理處利用歲修資金，建設14 座大閘自動化遠程控制系統，安裝測控一體化閘門5臺；2019年，七星渠管理處實施農業水價綜合改革七星渠干渠量測水設施建設項目，安裝測控一體化閘門41 臺、流量計2 臺，建設5 處自動化測水斷面，更換8 臺（套）大閘啟閉機，改造4座水閘遠程監控系統，并建設管控中心及完成軟件系統集成應用。截至目前，七星渠累計建設22座大閘自動化遠程控制系統和監測系統，安裝測控一體化閘門46臺，安裝電磁流量計2套，建設自動化測水斷面5座。

2.3 測控一體化閘門測流精度

2019—2020 年，七星渠管理處共安裝測控一體化閘門46臺，為準確評定七星渠管理處已安裝測控一體化閘門測流精度，采用比測抽檢方式進行試驗，抽檢比例43%，共計20臺。

2.3.1 國家相關規范對量測水精度的要求

《灌溉渠道系統量水規范》（GB/T 21303—2017）的量水方法中提到，流速儀量水宜作為其他量水方法的率定。《河流流量測驗規范》（GB 50179—2015）第四章流速儀法測流的一般規定第4.1.1條中提到，流速儀法的測量成果可作為率定或校核其他測流方法的標準。《灌溉渠道系統量水規范》（GB/T 21303—2017）附錄H.5 中提到，測控一體化閘水量計（堰頂高度可調的頂面溢流堰）在滿足上下游水位差大于4 cm 的條件下，流量測流允許誤差在±5%以內，但規范中沒有明確“誤差”比對的方法。《測控一體化閘門技術規程》（T/CIDA 0006—2020）第五章技術參數對計量精度要求提到，測控一體化閘門（堰槽式測控一體化閘門應滿足上下游水位差大于4 cm），流量測量最大允許誤差為±5%。《取水計量技術導則》（GB/T27714—2012）中5.2.6實測流量計算中關于誤差來源與控制提到，根據測流誤差來源，按《河流流量測驗規范》及本標準有關規定進行操作，減少人為因素造成的誤差。《水資源水量監測技術導則》（SL 365—2015）流量測驗中關于測驗誤差控制提到，國家基本水文站的流量測驗誤差控制應按《河流流量測驗規范》的要求執行。《河流流量測驗規范》（GB 50179—2015）第四章流速儀法測流中指出，流速儀法單次流量測驗總隨機不確定度，按不同精度等級水文站根據水深、水面寬和水深的比值在5%～12%，并在備注中提到總隨機不確定度的置信水平為95%。

2.3.2 比測方法

2.3.2.1 比測方法的選定。由于現狀國家及地方標準中沒有涉及測控一體化閘門量水精度認定方法的規定，參照國家標準《灌溉渠道系統量水規范》（GB/T 21303—2017）中5.1.2 規定，流速儀量水宜用于要求水頭損失小，易受下游水位影響的大型渠道量水及其他量水方法的率定；國家標準《河流流量測驗規范》（GB 50179—2015）中4.1.1 規定，流速儀法的測量成果可作為率定或校核其他測流方法的標準，選定流速儀法作為七星渠灌區已安裝的測控一體化閘門測流精度的比測方法［6］。

2.3.2.2 流速儀法測流誤差的控制。按照國家標準《灌溉渠道系統量水規范》（GB/T 21303—2017）中明渠測流的具體要求，流速儀測流誤差以不確定度表示。《灌溉渠道系統量水規范》中明確，不確定度主要以實測資料進行，如無實測數據，可采用理論計算確定。根據流速儀法測流原理，流速儀法測流是否精確，關鍵要確保測流斷面過水面積與流速測定數據的準確性，因此，流速儀測水自身誤差影響因素主要如下：①過水面積的測量誤差，主要是水深測量引起的過水面積誤差；②點流速的測量誤差，包括人工操作誤差和點流速測定數量引起流量誤差；③岸邊流速系數取值的影響。試驗選取七星渠中4條支渠進行測定，結果表明，當出現水位測定、岸坡系數取值判定、測桿傾斜等累計極端不利影響因素時，人工流速儀測流的極端誤差在±1.88%～±10.63%，對應流量越小，誤差越大，流量越大，誤差越小。流速儀測水誤差產生的主要原因如表1所示。

表1 測定誤差原因及分析

2.3.3 流速儀法與無喉道量水的測流精度對比分析

無喉道量水目前是寧夏揚水灌區普遍采用的量水方法，其量水精度得到了供用水雙方的認可［7］。利用2019—2020 年的數據進行比測，擬合無喉道量水堰測流數據與流速儀測流數據的關系，如圖1所示，流速儀法和無喉道量水堰量水數據擬合優度達到了0.989 8。這與灌區管理處進行比測的數據一致，說明流速儀法可作為今后灌區測控一體化閘門測流精度比測認定的工作方法。

圖1 寧夏七星渠流速儀法和無喉道量水堰量水數據擬合圖

2.3.4 比測數據的整體情況

整理與分析20臺測控一體化閘門60測次的數據，參照《灌溉渠道系統量水規范》對測流精度的要求，同一閘門在3 種不同工況條件下，根據測控一體化閘門流量數據與流速儀標準斷面法流量數據偏差與絕對差值的范圍將閘門分為4個類型：測流數據偏差在±5%內或流量絕對差值在0.02 m3/s（揚水0.01 m3/s）之內的測控一體化閘門為一類設備，數據偏差在±5%～±10%且均不超過±10%的測控一體化閘門為二類設備，數據偏差在±10%～±20%且均不超過±20%的測控一體化閘門為三類設備，數據偏差超出±20%的測控一體化閘門為四類設備。不同廠家測控閘門分類情況見表2。

表2 七星渠測控閘門分類統計表

采用超聲波時差法結合標準測箱可以完成自動測流工作，大部分測控一體化閘門測流數據與人工實測流量相吻合，有顯著相關性。隨著技術的不斷完善，自動測流技術可以用于水量計量［8］。

2.4 測控一體化閘門應用成效

七星渠灌區通過遠程操控開啟閘門配水，全面改變了過去灌水不能離人的現狀，解決了配水人員人工手搖啟閉機配水的問題，有效杜絕了安全隱患，保障了職工人身安全。管理人員隨時都能查看水閘監控視頻，在灌溉調度工作中起到了“千里眼”的作用；發生故障時，設備會顯示故障警告信號，維修人員及時進行故障處理，提高了工程安全運行管理水平。通過遠程操作調整配水量，減少了調度層級，減輕了勞動強度，極大地提高了工作效率，有效解決了管理處人員減少的現狀問題；實現了部分渠段引水、供水、用水動態監管，提高了灌溉管理水平，做到干渠調水、供水一體化、自動化。測控一體化閘門配水計費，提高了用水戶節水意識，其中安裝測控一體化閘門的管理所夏秋灌用水量比安裝前減少180 萬m3，水費比安裝前減少8.7 萬元，有效減輕了農民的負擔，實現了水資源高效利用。

測控一體化閘門改造，補齊了現代化基礎設施“短板”，顛覆了手搖扳手開啟斗口的千年傳統，終結了手工啟閉斗口這個基層單位最大的工作量，對安全調度和灌區節水打下了堅實的基礎，為優化管理層級進而創新管理模式、推進全渠道控制和水利改革創造了必要條件。測控一體化閘門改造應用推動了傳統工作向信息化、智能化、現代化方式的轉變，初步獲得了“測得準、控得住、管得好、用得順”的效果。

3 問題及建議

目前，測控一體化閘門在使用過程中還存在一些問題，針對這些問題提出幾點建議：①對專業技術人員的要求比較高，使用此系統時必須加強相關人員的課程培訓及現場操作訓練；②遠程操作時，網絡延遲、設備自身系統和軟件設計等因素，會造成閘門控制延遲和現地運行情況不明確，出現配水流量過大、系統不顯示流量的現象，需要改進設備；③存在設備不定期掉線問題，這可能與閘門的設計有關，應從需求出發，建立市場準入機制，淘汰不合格、不規范產品，確保設備合格、操作可靠、應用順暢；④閘門的安裝應與實際相結合，根據直開口工況、灌溉情況確定閘門類型。水流進水條件好、灌溉面積大于13.33 hm2的干渠安裝測控一體化閘門，灌溉面積小于13.33 hm2的干渠直開口配置前控后測閘門，出口淤積嚴重的干渠直開口配置只控不測閘門，確保建一片、發揮效益一片。

4 結語

在抓好“云、網、端、臺”基礎建設的基礎上，七星渠灌區管理處深化業務軟件建設，升級完善七星渠灌區標準化管理應用平臺，完成各業務軟件集成，實現“控制系統本地控制，業務系統上云”，建立信息傳輸系統，打通信息孤島，及時將采集數據推送到水利云，業務系統接入水慧通應用平臺，切實提高了灌區灌溉保證率，提升了灌區水資源調控管理水平，加快了水利數據開放共享，加強了水利安全體系建設，推進了七星渠灌區由傳統水利向現代水利的升級發展。