測控一體化閘門在汾河灌區的應用

楊鯤鵬

（山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006）

1 概述

測控一體化閘門屬灌溉渠道系統控制技術范疇，是灌溉渠道系統控制的關鍵設備，對閘門制造行業尚屬高新技術，是由澳大利亞RVBLON公司研制開發完成的全渠道自動控制系統。我國灌區應用該技術還處于起步階段，也只在少數灌區有所應用。

測控一體化閘門是集閘門門體、數據測量、閘門控制、數據通訊、動力驅動為一體的頂面溢流自動控制閘門。其工作原理是依靠太陽能能量支持，實現水情監測和閘門自動控制。其工作程序是將太陽能通過太陽能板轉化為電能，存儲在蓄電池內作為能量支持，上下游水位感應器和閘門開度感應器將水位、閘門開啟高度、過閘流量等水情數據通過超短頻通訊系統，傳到中央控制系統，中控室根據灌溉需求和實時檢測數據發出閘門操作指令。其特點是通過閘門高度集成，實現現場和遠程控制兩種模式，獲得精準化的實時數據。

汾河灌區是山西省最大的自流灌區，主要水源為汾河水庫和汾河河道區間水，受益面積15萬hm2。灌區內現有引水樞紐3處，固定灌溉渠道3 005條，總長3 607 km，建筑物10 535座。灌區在續建配套與節水改造工程實施過程中，于2010年在汾河二壩東干一支渠四號閘引進灌溉量水閘門測控一體化整套設備。

汾河二壩東干一支渠全長12.5 km，設計流量6 m3/s，四號閘位于東一支渠6+529 km處。區域多年平均氣溫8℃，最高氣溫38℃，最低氣溫零下20℃，最大凍土深度0.8 m，年降雨量451 mm，年蒸發量1 052 mm。四號閘水源為汾河二壩樞紐引水到東干經東一支渠到四號閘節制可向下游配水，也可引入農渠直接用于灌溉。灌溉時間一般為春澆每年3月至4月，伏澆每年六七月，秋冬澆每年10月至次年2月。

2 應用過程

2.1 施工過程

測控一體化閘門制作高度集成，實現了閘門制作工業化，只要在預先預制的閘體安裝即可。其施工過程為：灌區根據渠道和灌溉現狀，發出采購閘門的需求，工廠根據需求選擇適用的閘門，并根據閘門對閘體的要求發出閘體預留要求，設計單位設計，施工單位根據設計圖紙施工建筑閘體，工廠技工到現場安裝并調試閘門。需要注意的是，一體化閘門為堰流，經常會淤積，在建閘體時要預留沖淤洞或其他排污設施。

2.2 閘門構成

汾河灌區二壩東干一支渠四號閘采用測控一體化閘門，包括支渠2扇（孔）節制閘和左右2扇（孔）配水閘，設中央控制系統一處控制每扇閘門，每扇閘門形成一個獨立的系統，每個系統由8個部分組成。

閘門門框是預制鋁合金U形結構，安裝固定在混凝土閘體墻壁上，用膨脹鏍絲固定，膠結材料（玻璃膠等）密封，可為其他部件安裝提供基礎。

閘門門體是預制鋁合金結構，由三塊鋁合金板組成，兩側鋁合金板發揮了渠道邊墻的作用，中間板呈弧形，與兩側板組成扇形結構，安裝在門框中。

太陽能板提供整個系統的能源支持，閘門依靠太陽能實現水情監測和自動化控制。每扇閘門標配有12V60W的太陽能電池板和24 Ah的蓄電池。太陽能板用鋁合金管舉起，向陽布置。

水位監測設施采用超聲波原理監測水位高度，配有超聲波水位監測儀。

開度監測設備依靠弧形閘門上的傳感器參考點監測閘門的開啟狀況，配有數碼編碼開度儀。

驅動裝置包含直流電機和減速裝置，配有驅動馬達和變速裝置。

控制裝置負責接收和分析水情監測信息，上傳下達調試指令，處理有關指令。配套有中央控制系統。

通訊裝置負責水情數據傳輸，實時準確的傳輸數據。采用超短波傳輸設備。

2.3 運行管理

四號閘采用測控一體化閘門是節水改造工程，管理機構現有規模不變，配一人進行管理。由于是新項目、高科技，屬試行階段，所以要對現有工作人員進行培訓，合格后方可上崗。四號閘屬東一支管理，采集受益區內灌溉基礎數據后報東一支管理所，并按照管理所指令進行工作。

3 應用效果

3.1 具備了“兩大特點”

一是“無人化管理”。測控一體化閘門集能源支持、監測、控制、通訊為一體，具有自動監測水情、自動記錄數據、自動匯算記錄及根據水情穩定流量的作用。同時具備現場和遠程雙重控制功能，可節省人力，實現“無人化管理”。

二是精準化測水。水位的測量根據門體結構中專門設置的水位傳感器來實現，避免了水位波動和視覺引起的誤差；閘門開度依靠弧形閘門上的傳感器參考點來監測，避免了手工測量的誤差，使用這兩項技術后可使過閘流量的測量更為精準，測量精度保持在±5%左右。

3.2 實現了“三點改進”

一是過閘水流由孔流改進為堰流。由一般的有閘潛流和有閘自由流改進為溢流，使上游水位更加穩定，避免了閘前旋流和水位的波動，有利于測量精度的提高。

二是傳統閘門控制水流單一的功能改進為測控一體化多元功能。傳統的閘門只控制流量，水情監測、閘門控制、水量記錄等由人工來完成。一體化閘門集監測水情、自動化控制閘門、近遠程通訊、數據記錄匯總計算于一體，實現了多元化功能，使用更為簡便。

三是由人力驅動或電力驅動改進為太陽能能源支持。灌區閘門的位置一般比較偏僻，電力驅動運用不方便又不經濟，將支持能源改為太陽能，不受地理位置限制，使用更為方便，為偏遠地區創造了條件，為全渠道控制奠定了基礎。

3.3 發揮了“四大作用”

一是實現了水情全局總控制。一體化閘站采用超短波數據傳輸設備傳輸數據，以及超聲波水位監測儀、數碼編碼開度儀進行水情監測，水情數據通過傳輸和授權實現全局控制。

二是防止了跑水和漏水。一體化閘門實行軌道運行，止水效果較好，不會發生漏水現象。其水情數據可以實時傳輸到水管部門，如有異常可及時發現，搶險可實現全局調配，有利于減少水量損失。

三是杜絕了偷水、搶水和人情水。一體化閘門的應用，實現了水情透明、過程監測、自動記錄，杜絕了偷水、搶水和人情水。

四是提高了整體管水效果。該閘門采用堰流方式使上游水位更穩，多元化功能可實現閘門自動調節，在1 h之內達到最佳工作狀態，提高了灌溉效率和服務水平。

4 問題及思考

汾河灌區應用一體化閘門后，可大大提高工作效率，但也存在以下問題：一是防盜任務重。一體化閘門閘體為鋁合金結構，有太陽能板和蓄電池等外放設備。而四號閘屬季節性灌溉灌區，在不灌溉時需要由專人照看，增加了管理工作量。二是防凍要求高。在非灌溉季節渠道中經常有水，當地最低氣溫零下25℃，閘門被凍是常事，傳統的砸、燒等解凍方法不適宜在一體化閘門中使用。三是價格昂貴。一體化閘門在我國尚屬起步階段，還未推廣使用，目前造價昂貴，期待在工業過程中降低成本。