灌溉中干渠直開口單控閘門遠程測控系統的改造

賀 財

寧夏福寧工程設計咨詢有限公司，寧夏銀川 750002

1 項目背景

以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，全面貫徹黨的十九大和十九屆二中、三中、四中、五中全會精神和習近平總書記在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上的重要講話精神，牢固樹立創新、協調、綠色、開放、共享的新發展理念，圍繞保障糧食安全和水安全，以健全農業水價形成機制為核心，落實節水優先方針，促進水資源節約和可持續利用，深化農業產業結構優化調整，實施鄉村振興戰略，提高農業用水效率，加快推進農業高質量發展，為經濟社會發展提供有力的支撐。

按照寧夏回族自治區的安排部署，通過未來幾年的努力建設，到2025年全面建立健全合理反映供水成本、有利于節水的農田水利工程管理體制機制，與投融資體制相適應的農業水價形成機制。農業用水價格總體達到運行維護成本，經營性水利工程水價達到完全成本水平，分類水價普遍實行。農田水利設施配套完善，農業水權制度健全，農業用水總量和定額管理普遍實行；完成小型水利工程產權制度改革，建立農田水利工程良性運行機制，農民用水組織健全、運行高效。為實現這一總體目標，全區各大干渠和水利管理單位對灌區內的水利設施、現狀水價、信息自動化建設等進行了深度調研分析，并積極規劃改造建設。

2 項目基本情況

自 2018 年以來，寧夏回族自治區已將利通區、賀蘭縣等作為引黃灌區現代化建設的試點先行先試。對境內東干渠、秦渠、漢渠、唐徠渠、惠農渠等大干渠直開口進行測控設備改造，按照控制灌溉面積規模大小方式對灌區田間支渠斗口進行測控、單控、區間計量等多種形式的改造，為實現全區域現代化農業打下硬件基礎。

七星渠自中衛市黃河申家灘南岸取水，屬無壩引水，建于公元前 100年，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，擔負著七星渠灌區以及固海揚水、紅寺堡揚水、固海擴灌三大揚水灌區農田灌溉的供水任務，并且灌區內有同心、紅寺堡、海原等貧困縣區，七星渠在灌區經濟發展中起著舉足輕重的作用。

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、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、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灌溉供水和防汛兩大任務奠定了良好工程措施基礎。歷年續建配套工程對部分渠道進行了砌護和擴整改造，對改善渠道運行狀況，提高水資源的有效利用，起到了顯著作用。

近年來，管理處深入調研，統籌謀劃，在信息化建設上面下足功夫，實現“處、所、段”三位一體的互聯網全覆蓋，借助寧夏水利信息化公共應用平臺，大力推廣公文處理系統，提升辦文效率，實現無紙化辦公。七星渠2014年已建成水位遙測站77處，2018年完成19座水閘、5座直開口自動化改造，2019年完成6座水閘、41座直開口、3座小揚水站、2處測水斷面自動化改造。對七星渠管理處管控中心及恩和管理所設備進行升級改造，在七星渠已建的業務應用系統的基礎上，借鑒和融合其他管理處已有的信息資源和軟件平臺，完善、整合、優化七星渠灌區標準化管理應用平臺，為管理處推進“現代化灌區”打下了基礎。但灌區自動化覆蓋率仍不足15%，信息化管理平臺還需要進一步完善。由于傳統的管理模式和現代化灌區建設需求不相適應，已實施現代化設施和現狀的管理平臺不匹配，因此不能發揮高效作用，急需改進。管理處對灌區現代化建設愿望十分強烈，需求十分迫切。

3 工程任務

2021年農業水價綜合改革，七星渠量測水設施建設項目主要針對灌區直開口計量配套水平低、管理手段落后、自動化程度低等問題進行改造，提高農業用水計量水平，節約用水，建立現代化信息管理系統。為落實七星渠灌區的引水總量控制目標，以保障水資源科學調度、防汛供水安全、管理現代化及信息智能化為出發點，以遙測技術、通信技術、計算機網絡技術、自動控制、地理信息系統等技術手段為依托，建設七星渠灌區干渠水閘自動化和直開口自動測控系統，為灌區調度配水決策提供數據支撐，實現灌區信息化、自動化、智能化管理的目標，全面提升灌區水資源調度管理自動化及信息化水平。

在此次改造項目中，七星渠應用了一種新型的直開口閘門遠程測控改造方案，在無需拆除現有八字口和閘板的情況下，實現舊閘門的遠程控制改造。此方案大幅縮減了舊閘改造的成本，經過一年的運行，目前各方面狀況良好。

4 直開口閘門遠程測控改造方案

4.1 測控系統的工作原理及構造布局

圖1為測控系統工作原理圖。

圖1 測控系統工作原理圖

圖2為測控系統外觀和內部元件布局圖。

圖2 干渠直開口遠程測控系統布局圖

閘門控制柜為防止未授權人員誤動，設計為封閉門結構。外門上有安裝有防撬鎖具，內有折疊式觸摸屏操作面板，供操作人員正常操作使用。

閘門控制柜內部為控制元件、驅動機構以及數據通信設備，部分元件帶交流電或保護整定功能，非專業人員禁止進行線路改動和參數設定。

4.2 供電單元

系統供電單元采用光伏發電、鋰電池蓄電的方案。太陽能電池板為2塊100 W串聯方式，由太陽能控制器將電能轉換、輸送至鋰電池進行存儲。鋰電池采用2塊24 V/20 Ah并聯方式，為柜內控制器、網關、電機驅動器供電。

4.3 控制單元

控制單元由觸摸屏、PLC、伺服驅動器、伺服電機等組成（圖3）。

圖3 觸摸屏畫面示例

觸摸屏用以實現人機交互，可實時展現系統各單元的運行工況，且便于用戶進行參數設置、報警確認等操作。

PLC為系統關鍵部件，用以接收觸屏或遠程網絡平臺發送的控制指令，并將指令進行處理后發送給伺服驅動器控制伺服電機實現預期的控制目標。

4.4 通訊單元

通訊單元由4G網關、微波天線及4G通訊卡等組成。

網關插卡后可主動連接至七星渠管理處物聯網平臺，并將PLC采集到的各項數據上報至平臺，同時可接收平臺端發送的控制指令給PLC，從而實現閘門的遠程測控。

4.5 采集單元

采集單元由PLC、觸摸屏、雷達流量計等組成。

PLC通過自帶的RS-485通訊端口與雷達流量計建立通訊，實時讀取流量計的測量和計量值發送給平臺端。觸摸屏可對流量計進行本地可視化操作。

5 技術經濟效果評價

5.1 施工成本

從經濟方面考慮，在直開斗口上新建一套“單控”一體化閘門，勞力、材料、設備及小型機具等投入較多，且施工周期長、施工成本較高；如采用此改造方案，可利用原有斗口舊閘板、八字口等保存較好的設施，在此基礎上改造建設遠程測控系統，此方案的實施減少了勞力、節省了材料、設備等的投入，又大大縮短了施工工期，減少了與之相對應的措施費，如后期混凝土養護、模板安裝及拆除等，成本較拆除原有斗口進行新建一體化閘門大幅度降低。以七星渠直開口單控閘門改造項目為例，新建一座（A=600，單控，板閘）一體化斗口閘門投資為7.76萬元，采用本技術方案改造投資為3.14萬元，節省成本資金4.62萬元（表1）。

表1 新建測控一體化閘門與改造閘門經濟比較

5.2 施工機械及勞力

新建一體化斗口閘門施工需要的工種有鋼筋工、架子工、木工及普工，施工現場的機械、設備需配置混凝土攪拌機、鋼筋切割機、鋼筋彎曲機、木工多用機床、電鋸、電焊機、插入式振動搗固器等。改造斗口閘門因保留了八字口及舊閘板，施工現場支護模板、加工鋼筋較少，只需配備少量的司機、抹灰工及普工。無須配備大量的機械設備。大幅度降低了臨時用地和縮減了施工人員，節省了施工現場管理費。

5.3 水土及環境保護

改造斗口閘門減少了建筑工程的施工，無須將大量施工材料運至現場，不需要較大的臨時場地，減少了對施工現場的環境破壞；拌和混凝土的需求量較少，相應減少了施工產生的廢水，降低了施工噪聲對周邊居民的影響；改造斗口閘門施工現場使用的施工機械和施工人員較少，產生的機修費油、生活污水量也相對較少。

6 總結

此研究的技術方案在七星渠直開口改造項目上的成功應用及建設，使該灌域灌溉條件得到改善。采用高新技術，優化灌區配水調度，建立現代化信息管理系統，合理利用現有水資源，科學配置和完善灌溉設施，使灌溉渠系配水系統的智能化、農業用水計量的精準化，信息化覆蓋達到一定的提升。提高農業用水計量水平，節約用水，建立現代化信息管理系統，以點帶面、推廣實施，可將本技術方案推廣到其他支、干渠直開口的改造實施。