曾國雄

一體化測控閘門自動(dòng)化系統(tǒng)在疏勒河昌馬灌區(qū)的應(yīng)用

曾國雄

（甘肅省疏勒河流域水資源管理局 甘肅玉門 735211）

一直以來，農(nóng)業(yè)水資源利用由于監(jiān)測手段和設(shè)備落后，對水資源利用效率研究的深度、精度還不夠。因此疏勒河灌區(qū)引進(jìn)澳大利亞“渠系一體化端至端明渠灌溉基礎(chǔ)設(shè)施自動(dòng)化系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了渠道的全自動(dòng)化控制和各項(xiàng)數(shù)據(jù)及信息采集。該系統(tǒng)在中國西北地區(qū)首家引進(jìn)，目前還未有研究成果。本文詳細(xì)介紹了一體化測控閘門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和主要功能，對一體化測控閘門與傳統(tǒng)閘門進(jìn)行了性價(jià)比分析，并進(jìn)行了運(yùn)行觀測試驗(yàn)，對采集的灌溉流量數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的人工測流數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。

一體化測控閘門系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 功能 性價(jià)比分析 流量數(shù)據(jù)分析

1 前言

農(nóng)業(yè)水資源利用效率是水利人當(dāng)前急需研究和探討的重要課題。一直以來，農(nóng)業(yè)水資源利用由于監(jiān)測手段和設(shè)備落后，對水資源利用效率研究的深度、精度還不夠。因此，疏勒河管理局借助中澳合作內(nèi)陸河流域綜合管理子項(xiàng)目“應(yīng)對水資源可持續(xù)發(fā)展面臨的威脅”研究之際，引進(jìn)澳大利亞的“渠系一體化端至端明渠灌溉基礎(chǔ)設(shè)施自動(dòng)化系統(tǒng)”，作為疏勒河灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用效率原位觀測系統(tǒng)試驗(yàn)工程。農(nóng)業(yè)水資源利用效率原位觀測實(shí)驗(yàn)研究工作包括澳大利亞生產(chǎn)的閘門9套、研發(fā)的水情自動(dòng)監(jiān)測和閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控及信息傳輸系統(tǒng)軟件1套。系統(tǒng)安裝于昌馬灌區(qū)南干渠系，涵蓋了南干渠、南干二分干渠上的7處引水閘口。實(shí)現(xiàn)渠道全自動(dòng)化控制和全面信息化以及閘前、閘后水位、流量及各孔閘門開度的自動(dòng)化控制和信息采集，為灌區(qū)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測及報(bào)告，極大的改善了管理方式。目前此系統(tǒng)已開始運(yùn)行且運(yùn)行良好，今年春灌數(shù)據(jù)已全部采集。今年年初，由于此系統(tǒng)的良好運(yùn)行，清華大學(xué)確定昌馬南干渠灌區(qū)為國家“十二五”科技支撐項(xiàng)目“水聯(lián)網(wǎng)多水源實(shí)時(shí)調(diào)度與過程控制技術(shù)”科研項(xiàng)目中的技術(shù)推廣應(yīng)用示范區(qū)。借此科研課題的開展，以及“敦煌水資源合理利用與生態(tài)保護(hù)綜合規(guī)劃”項(xiàng)目的實(shí)施，南干渠技術(shù)示范區(qū)將可能進(jìn)一步引進(jìn)一體化閘門系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)南干渠上游至下游全渠道自動(dòng)化控制運(yùn)行。

2 概況

昌馬灌區(qū)是疏勒河流域農(nóng)業(yè)灌溉工程三大灌區(qū)中規(guī)模最大的灌區(qū)，位于疏勒河中游，光照充分，熱量豐富，地勢平坦，灌溉條件良好，灌區(qū)歷史悠久，地廣人稀。灌區(qū)現(xiàn)狀灌溉面積68.9萬畝，灌區(qū)現(xiàn)有調(diào)蓄水庫一座，壩型為壤土心墻砂礫石壩，最大壩高為54m，水庫總庫容1.94億m3，其中興利庫容1.0億m3，死庫容8000萬m3，防洪庫容1400萬m3。灌區(qū)現(xiàn)有兩座引水樞紐，其中一座是核工業(yè)集團(tuán)404廠工業(yè)取水口，設(shè)計(jì)引水流量為3.2m3/s，設(shè)計(jì)年引水量為8275萬m3；一座是昌馬渠首，是以農(nóng)業(yè)灌溉為主的水利樞紐，設(shè)計(jì)引水流量為65m3/s。

該灌區(qū)現(xiàn)有干渠7條，渠道總長187.37km,襯砌完好率61.67%；支干渠10條，渠道總長114.89km,襯砌完好率84.94%；支渠56條，渠道總長261.62km,襯砌完好率85.72%；分支渠19條，渠道總長65.67km,襯砌完好率80.78%；各類渠系建筑物1855座。

3 總體設(shè)計(jì)13

昌馬灌區(qū)現(xiàn)代化工程由升級改造后的南干進(jìn)水閘、南干一斗分水閘、南干一分干渠進(jìn)水閘、南干二分干進(jìn)水閘，二分干一支渠進(jìn)水閘、二分干一支節(jié)制閘、二分干二支分水閘、二分干四斗進(jìn)水閘組成。

用于信息化和自動(dòng)化管理的主機(jī)系統(tǒng)安裝在疏勒河流域管理局昌馬南干渠灌溉管理所自動(dòng)化控制室，監(jiān)控渠道中各控制點(diǎn)的水位和流量。同時(shí)系統(tǒng)也將監(jiān)測記錄渠道設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。此系統(tǒng)可通過互聯(lián)網(wǎng)接受訪問和操控，其應(yīng)用系統(tǒng)具有完善的數(shù)據(jù)圖形處理軟件模塊、可在線自定義的多級警報(bào)系統(tǒng)及完善的用戶管理授權(quán)安全系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)的一體化測控閘門可與上下游的閘門聯(lián)系并完全自主按照預(yù)設(shè)運(yùn)作，主機(jī)系統(tǒng)可根據(jù)系統(tǒng)的需求全自動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)的所有設(shè)備或在需要時(shí)實(shí)施人工遠(yuǎn)程控制。

具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖：

4 系統(tǒng)分項(xiàng)設(shè)計(jì)

4.1渠道監(jiān)控設(shè)備

一體化測控閘門設(shè)備（包括一體化槽閘和一體化流量計(jì)等）既是流量控制閘門又是流量測量儀器，其野外流量測量精確度誤差小于±5%，水位和閘位精確度誤差小于±0.5mm。該系統(tǒng)由太陽能驅(qū)動(dòng)，它通過獨(dú)特的流量計(jì)算程式，高精度超聲波水位感應(yīng)器測得上游、下游水位，和數(shù)碼式閘位值來計(jì)算流量。它通過無線電遙測系統(tǒng)監(jiān)控所有閘門相關(guān)信息，與上下游閘門互動(dòng)，并通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)。

4.2主機(jī)系統(tǒng)

主機(jī)系統(tǒng)由無線電接收站、摩托羅拉網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器組成。主機(jī)系統(tǒng)用于監(jiān)控記錄渠道中各控制點(diǎn)的水位和流量，同時(shí)也監(jiān)測記錄渠道設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。此系統(tǒng)可通過互聯(lián)網(wǎng)接受訪問和操控。其應(yīng)用系統(tǒng)具有完善的數(shù)據(jù)圖形處理軟件模塊、可在線自定義的多級警報(bào)系統(tǒng)及完善的用戶管理授權(quán)安全系統(tǒng)。

4.3SCADA 聯(lián)通系統(tǒng)

SCADA 聯(lián)通系統(tǒng)是用于整體渠道網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制的系統(tǒng)，它將低效率的人工操作明渠系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成全自動(dòng)一體化遙控系統(tǒng)。通過渠道高效率的全自動(dòng)化運(yùn)作可達(dá)到 90%的新輸送效率基準(zhǔn)。

5 系統(tǒng)主要功能

SCADA 聯(lián)通系統(tǒng)可精確控制上下游水位并能智能模擬渠道工作和運(yùn)行。智能控制軟件將渠系內(nèi)所有的監(jiān)控點(diǎn)（節(jié)制閘，配水閘，泵站等）聯(lián)接在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，并且通過持續(xù)的自我調(diào)節(jié)使整個(gè)灌溉系統(tǒng)始終處于最佳工作狀態(tài)。該系統(tǒng)將傳統(tǒng)的灌溉用水損失較大的明渠系統(tǒng)的人工控制策劃改造成反應(yīng)迅速、高效靈活的全渠道自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

5.1現(xiàn)場信息和閘門信息監(jiān)控功能

自動(dòng)采集閘門開啟高度、閘門上下游水位和閘門運(yùn)行狀態(tài)，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信網(wǎng)發(fā)送到控制中心，在控制中心的計(jì)算機(jī)屏幕上利用動(dòng)態(tài)圖形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。以圖形、表格、文字形式實(shí)時(shí)顯示各閘門的運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)及故障情況。主要顯示的內(nèi)容為：閘門開度和預(yù)設(shè)值；閘門上下水位和預(yù)設(shè)值；閘門運(yùn)行狀態(tài)（升、降、停）；太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)；電池狀態(tài)；閘門啟閉機(jī)狀態(tài)；當(dāng)前流量；累計(jì)流量；各種故障。

5.2渠水流失檢測功能

每兩個(gè)相鄰節(jié)制閘點(diǎn)和其之間的渠道構(gòu)成一個(gè)水池。上游閘門流量為水池流入水量，下游閘門流量為水池流出水量，其間的分水閘流量也是水池流出水量。這樣根據(jù)水平衡模型就可以計(jì)算出該渠道段的流失水量，從而可以有針對性的實(shí)施渠道修補(bǔ)工作。

5.3一體化測控閘門操作功能

一體化測控閘門工作方式通過切換可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制操作、手動(dòng)操作、鎖定操作三種方式。遠(yuǎn)程操作主要通過 SCADA 聯(lián)通應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)；本地操作則使用閘門控制臺(tái)的液晶顯示屏和按鍵。遠(yuǎn)程操作主和本地操作都有授權(quán)使用和記錄功能，可按不同級別設(shè)定密碼和權(quán)限以提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性。只有輸入的用戶名和密碼正確時(shí)，參數(shù)輸入和按鈕才能起作用，否則操作無效。一體化測控閘門主要有以下幾種控制模式：流量控制：根據(jù)渠道供水要求，可自動(dòng)調(diào)節(jié)并控制閘門開度，保持所設(shè)置的流量恒定不變；上游或下游水位控制：根據(jù)渠道供水要求，可自動(dòng)調(diào)節(jié)并控制閘門開度，保持所設(shè)置的水位恒定不變；閘位控制：閘門能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)并保持預(yù)定的位置；緊急控制：遇到緊急意外情況，能夠?qū)嵤┘蓖Ｌ幚怼?/p>

5.4數(shù)據(jù)查詢功能

SCADA 聯(lián)通系統(tǒng)擁有完善的歷史和實(shí)施數(shù)據(jù)查詢功能，并提供功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)趨勢圖處理軟件。其主要查詢功能包括：根據(jù)時(shí)間、閘門號(hào)、操作員等查詢歷史操作；根據(jù)時(shí)間、故障內(nèi)容等查詢故障情況；根據(jù)時(shí)間、閘門號(hào)查詢該門的流量、實(shí)時(shí)流量、累積流量；根據(jù)時(shí)間、閘門號(hào)查詢該門歷史開度。

5.5報(bào)警和緊急處理功能

報(bào)警和緊急處理功能是渠道自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)必需的功能。在閘門運(yùn)行過程中通過現(xiàn)場控制單元實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)會(huì)立即根據(jù)警報(bào)級別和通報(bào)程序通過一系列方式（短信，電子郵件等）報(bào)警并能夠及時(shí)處理，包括自動(dòng)或手動(dòng)終止當(dāng)前運(yùn)行。其主要報(bào)警內(nèi)容如下：現(xiàn)場設(shè)備名稱；數(shù)據(jù)點(diǎn)描述；數(shù)據(jù)點(diǎn)的值；數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄時(shí)間；報(bào)警狀態(tài)；報(bào)警發(fā)生時(shí)間；報(bào)警確認(rèn)狀態(tài)；報(bào)警確認(rèn)時(shí)間；報(bào)警總次數(shù)；報(bào)警優(yōu)先級別。

6 一體化測控閘門性價(jià)比分析

一體化測控閘門與普通閘門的投資對比，從工程管理方面可省出至少1個(gè)人的人工工資，該系統(tǒng)的壽命是30年，兩種閘門系統(tǒng)單座的年平均投資見表1。

根據(jù)表1，SCADA 聯(lián)通系統(tǒng)一體化閘門單座年平均投資費(fèi)用為9568元，普通閘門單座投資為7046元，差額為2522元，雖價(jià)格偏高，但SCADA聯(lián)通系統(tǒng)一體化閘門的測流精確度要遠(yuǎn)高于人工測流。

為此本文對南干一分干渠進(jìn)水閘由一體化閘門系統(tǒng)測得的流量和人工測水流量進(jìn)行了數(shù)據(jù)對比，一體化閘門系統(tǒng)自動(dòng)化測流每十分鐘測一次流量，人工測流每一小時(shí)測量一次，連續(xù)測三天。數(shù)據(jù)成果見表2、表3。

表1 兩種閘門系統(tǒng)年平均投資對比表

表2 南干一分干渠進(jìn)水閘人工測水流量表

表3 南干一分干渠進(jìn)水閘一體化閘門系統(tǒng)測水流量表 單位：m3/s

對表2、表3數(shù)據(jù)進(jìn)行列圖表分析：

經(jīng)對以上數(shù)據(jù)分析可得，一體化閘門系統(tǒng)自動(dòng)化測量共測了201組流量數(shù)據(jù)，平均值為1.103m3/s，該系統(tǒng)測流的容許誤差值為5%即0.055，自動(dòng)化測流中只有4.6%的測流成果在容許誤差之外，人工測流共測了36組數(shù)據(jù)，其中有52.8%的測流成果超過了容許誤差值， 得出的結(jié)論是一體化閘門自動(dòng)化測流時(shí)間間隔短，實(shí)時(shí)監(jiān)控性強(qiáng)，測流的精確度要遠(yuǎn)高于人工測流。

7 系統(tǒng)效益總結(jié)

昌馬灌區(qū)擬實(shí)施一體化測控閘門自動(dòng)化系統(tǒng)項(xiàng)目使供水與用水的管理和服務(wù)達(dá)到智能化和一體化。該系統(tǒng)給渠道管理、用水戶和環(huán)境帶來以下眾多的顯著效益：

（1）提供整個(gè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程和本地監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了渠道系統(tǒng)全面信息化。為灌區(qū)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、檢測及報(bào)告以改善管理方式，既保障了安全供水，又可以防洪防汛。

（2）通過渠道系統(tǒng)的智能化全自動(dòng)調(diào)節(jié)，取代了人工計(jì)劃、調(diào)度和閘門控制，快速有效的穩(wěn)定渠道水位異常波動(dòng)，使渠道始終保持最佳運(yùn)行狀態(tài)，水資源浪費(fèi)最小化，并消除傳統(tǒng)系統(tǒng)中不可避免的渠道剩水及退水。

（3）閘門和流量計(jì)無需外接電源由太陽能驅(qū)動(dòng)，減少污染，節(jié)能環(huán)保，改善生態(tài)環(huán)境。

（4）一體化測控閘門的高集成性大大簡化了工程施工和安裝的要求，大部分情況下，在原有建筑物結(jié)構(gòu)上稍作改造即可安裝。

（5）覆蓋整個(gè)系統(tǒng)的高精度流量計(jì)量，流量計(jì)量精度超過95%，這為水權(quán)分配和水費(fèi)的合理征收提供保障，為用水戶提供公平、公正的供水服務(wù)。

（6）通過精確計(jì)量和水平衡模型，準(zhǔn)確找出泄漏、滲漏和偷盜。發(fā)現(xiàn)渠道流失，可有針對性的實(shí)施修補(bǔ)工作。

（7）合理、精確的分配水資源，對灌溉用水、工業(yè)供水、生態(tài)用水提供接近按需的配水。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.05.013

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1672-2469（2014）05-0041-05

13作者簡介：曾國雄（1963年—），男，高級工程師。