測控一體化閘門系統應用分析

張 燃

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙 410000）

0 引言

隨著我國水利信息化建設工作的不斷推進，測控一體化閘門系統逐漸替代了傳統閘門。測控一體化閘門系統可實現流量數據的自動監測、收集與計算，計量精度高，可存儲、查詢數據，實現遠程自動控制，提高水利工程管理水平。閘門一體化測控系統包括現地測控一體化設備、通信系統、監控中心等，各組成部分設備如表1 所示。

表1 閘門一體化測控系統組成設備

測控一體化閘門在水利工程中的運用優勢：①系統集成性高，可簡化改造施工程序，快速完成測控一體化閘門安裝工作；②智能化調節閘門，快速穩定數位異常波動，實現水利系統穩定運行；③可遠程監控閘門運行狀態，提高信息化管理水平；④系統流量計量精度高，在水權分配、水費計收方面優勢明顯；⑤系統通過精確計算可及時發現泄漏、滲漏等問題，制定針對性處理方案；⑥系統可利用太陽能為動力，具有環保節能的優點。

1 測控一體化閘門類型與測水原理

1.1 測控一體化閘門類型

測控一體化閘門集測、控功能于一體，可通過自身測得上下游水位、閘門開度測得流量，借助無線通信系統、配套軟件可實現控制中心與用水戶間實時動態聯系，提供穩定的供水服務。

根據結構不同，可將測控一體化閘門分為板閘和槽閘兩類（圖1）。目前，我國測控一體化閘門主要包括國外廠商和國內廠商兩大來源，其中，國外的全渠道控制系統（TCC）是最先進的灌溉控制技術之一，主要設備包括測控一體化槽閘、板閘流量計、配套軟件等；國內主要設備包括測控一體化板閘、槽閘、電磁流量計、管道流量計等。

圖1 測控一體化閘門

當前測控一體化閘門系統主要的控制方式有兩種：①就地/遠程控制方式：基于此種控制方式下，管理人員通過前饋與反饋聯合控制，實現全灌溉渠系與各個閘門間信息傳遞與協調控制；②全渠道TCC 控制方式：當用戶預定用水，軟件將對預定水量進行分析，判斷輸水系統是否存在容量、調水限制；確定用水需求后，系統將信息發送至用戶預訂槽閘口，基于規定時間開啟一體化槽閘，滿足用戶流量需求。此種控制方式分為兩種應用模式，分別是基于需求和基于供給對閘門啟閉進行控制。上述兩種控制方式中，就地/遠程控制方式下，閘門處于獨立運行狀態，在自動化控制時無需考慮上、下游閘門情況；全渠道TCC 控制方式下，閘門的控制具有系統性特征，即每個閘門開度的調節均要考慮整個渠系的狀態。兩種控制方式的具體應用情況見表2。

表2 一體化測控閘門不同控制方式

1.2 測控一體化閘門量測水原理

1.2.1 板閘量測水原理

板閘結構可分為不帶測箱和帶測箱兩大類，前者可使用閘前閘后水位計機械年水位計量。搭載超聲波測箱的測控一體化板閘測流原理：測箱兩側設多個對向發射的超聲波探頭，采用超聲波時差法對測箱內流體流速、流量進行分層計算，得到三維流速場，并計算求得整體過閘流量（圖2）。

圖2 測控一體化板閘測水原理

1.2.2 槽閘量測水原理

槽閘屬于量水堰槽，利用閘門傳感器獲取上游水位H、下游水位ht、閘門開度等信息，并采用堰流公式計算過堰流量，測水原理如圖3 所示。流量計算公式：

圖3 測控一體化槽閘測水原理

按照雷伯克流量系數公式計算：

式中：Q 是過堰流量；b 是堰寬；H 是堰上水頭；m 是堰流流量系數；P是上游堰高。

1.3 測控一體化閘門的選用

在水利工程建設中，不同型式測控一體化閘門適用場景有所差異，需根據渠道型式、閘門位置以及場景美觀性要求等進行閘門選型，此外還需考慮周邊交通、建筑物狀況等。

（1）干渠中小型節制閘：閘門寬度、高度不超過2 m，宜選用測控一體化槽閘或板閘。其中，無水量測量要求的水閘，可選用板閘不帶測箱的型式；不允許修建胸墻的河道干渠，或因美觀要求不得將閘門抬升太高的情況下，可選用測控一體化槽閘。若是閘門尺寸超過2 m，可根據閘孔情況選用不銹鋼、鑄鐵閘門等。

（2）涵洞式支、斗渠口或干渠直開口：宜選用測控一體化板閘，要求測箱前伸距離不得對上一級渠道水流流態產生影響。

（3）開敞式支、斗渠口或干渠直開口：宜選用測控一體化板閘或槽閘，板閘可不帶測量。

2 測控一體化閘門系統的應用

2.1 項目背景

該項目為中型灌區，設計灌溉總面積23.9 萬畝，目前實際可保證灌溉面積共計19.58 萬畝。灌區內輸水干渠長26.5 km，干渠上支渠73 座、小揚水站41 座，近3 年平均灌溉用水量7190.3萬立方米。目前干渠采取分段管理方法，設有4 個管護段，開展相關安全巡護、運行操作、維護保養以及節水灌溉宣傳等工作。灌區供水主要采用無喉道量水槽進行人工觀測計量，干渠供水商品率多年均值86%。為實現高效節水灌溉，對灌區進行節水配套改造，建設內容如下：干渠砌護9.07 km，配套建筑物59 座，項目采用測控一體化閘門，其中配套支渠閘門50 套、干渠閘門9 套，同時配套渠道狀況視頻監視點6 處，并建設1 座信號傳輸中轉塔。

2.2 測控一體化閘門系統架構

采用測控一體化閘門，改造施工內容涉及干渠節制閘改造、支渠口建設及改造、通信網絡、調度中心建設。測控一體化閘門系統架構如圖4 所示。

圖4 測控一體化閘門系統架構

2.3 測控一體化閘門系統選擇與建設

2.3.1 干渠節制閘

干渠節制閘選用澳大利亞測控一體化槽閘系統，依據水力學原理設計的頂面溢流式閘門，共計9 扇閘門，組成部分包括通信系統、太陽能板、控制器、電機及驅動裝置、開度傳感器、水位傳感器、門框、止水材料以及閘門。系統采用太陽能作為動力，通過無線通信系統實現與調度中心的數據傳輸，可實現節制閘的遠程、實時控制。

2.3.2 支渠口閘門

支渠口安裝測控一體化板閘，測量精度≥95%，共計51 扇閘門，干渠形成封閉自動化控制系統，干渠各分水口的水量可實現精確計量，按方收取實際水費。測控一體化板閘底部過流，以太陽能驅動，主要組成部分包括閘門門框、水位傳感器、開度傳感器、閘門、驅動裝置、控制器、太陽能板以及通信模塊等，閘門運行可遠程、實時監控，同時也具有節能環保的特點。

2.3.3 通信系統

通信系統采用無線通信+光纖通信的組網方式。為保證閘門穩定可靠運行，項目于二泵站建設1 座通信基站，閘門內部無線通信模塊的與通信基站建立無線通信鏈路；調度中心與二泵站光纖通信。

2.3.4 調度中心

灌區測控一體化閘門系統調度中心設置在電灌站及二泵站，灌溉管理軟件基于GIS 系統平臺與全渠道控制理念開發，采用的是基于需求的控制模式，即：將每個渠道視作蓄水池，一旦下游的取水渠道出現水位降低的情況，閘門將自動調節開度，實現水量補充，將下游取水渠道的水位維持在設定值。以此類推，灌區渠道中設置的每個閘門自動調節開度、維持渠道水位，基于計算機與通信網絡實現整個灌區內輸配水的自動化。灌區管理中，管理人員通過終端訪問灌溉管理軟件，完成日常業務，實現自動調度控制、信息監測。

3 系統運行情況及改造效益

該項目完成測控一體化閘門系統建設投入運行后，大幅提高支渠供水穩定性，減輕渠道工作人員勞動強度，提高了灌區管理水平。60 扇測控一體閘門基本實現定流量、定水位、定開度自動控制，提供遠程監控、流量自動測量等功能。閘門實際運行情況顯示止水嚴密、流量測量精度高、監控圖像清晰，為遠程管理提供可靠依據。

運行效益：①促進了灌區信息化建設，提高了灌區運行管理水平，為農業水價改革、水權轉換奠定基礎；②測控一體化閘門系統運行后，有效減小了干渠輸水中水量損失，改善灌溉面積23.3 萬畝，常年灌溉面積11.1 萬畝，與改造前相比，年節水486.22 萬立方米；③項目區節水改造后，有效緩解上下游用水緊張局面，減少農業用水糾紛，為區域穩定發展奠定基礎。