一體化測控智能閘門在灌區(qū)中的應(yīng)用

朱 蕾，賴 劍，羅 強(qiáng)

（四川省都江堰人民渠第一管理處,611930,彭州）

一體化測控智能閘門是集精確計(jì)量、精準(zhǔn)控制、遠(yuǎn)程實(shí)時管控于一體的自動化計(jì)量灌溉設(shè)備。四川省都江堰人民渠第一管理處為增強(qiáng)渠道和口門智能化控制能力，提高灌區(qū)信息化管理水平，在兩處閘站分水洞試點(diǎn)安裝了一體化測控智能閘門，經(jīng)過功能測試，閘門性能良好、安全可靠。這一試點(diǎn)，對推進(jìn)灌區(qū)地處偏遠(yuǎn)、條件較差的口門實(shí)現(xiàn)“可視、可傳、可量、可控”的規(guī)劃要求和推動灌區(qū)管理機(jī)制改革、水價綜合改革具有重要意義。

一、應(yīng)用背景

1.節(jié)水灌溉現(xiàn)實(shí)需要

都江堰人民渠第一管理處灌區(qū)屬于自流灌區(qū)，水源主要是區(qū)間徑流和蒲陽河來水，水量有限，供水緊張。一是自身引水調(diào)節(jié)能力較差。全年降雨時空分布不均，1—4月的降雨量僅占全年降雨量的9%，蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的24%；水稻育秧、栽秧時段的3—6月降雨量占全年的 30%，蒸發(fā)量占全年的44%；降雨主要集中在5—9月，降雨量占全年的83%。二是農(nóng)業(yè)灌溉浪費(fèi)水嚴(yán)重。全年從上游蒲陽河引入水量30億m3，其中農(nóng)業(yè)用水量達(dá)到20億m3左右，占66.7%。但是通過采用定額、面積和灌溉水利用系數(shù)測算，農(nóng)業(yè)用水需水量應(yīng)為14.1億 m3，表明灌溉中浪費(fèi)了5.9億m3的水，約占總引水量的20%。由此可以看出，科學(xué)調(diào)配水量，遏制農(nóng)業(yè)粗放用水，徹底改變灌區(qū)大水漫灌的傳統(tǒng)習(xí)慣，是當(dāng)前灌區(qū)管理的主要課題。

2.高效管理需要

人民渠第一管理處水利工程運(yùn)行時間長、渠道線路長、管理內(nèi)容多、專業(yè)性強(qiáng)，傳統(tǒng)管理模式主要是人工現(xiàn)場巡視。全處28個基層管理段，定員120余人，實(shí)際在崗110余人，平均年齡48.7歲，近5年將退休42人，人員缺口大，已經(jīng)不能滿足管理要求。這就要求加快推進(jìn)信息化、智能化、遠(yuǎn)程化管理手段建設(shè)，減輕勞動強(qiáng)度，減少人力成本，提高管理效率，促進(jìn)管理處、管理站、養(yǎng)護(hù)段“三級變一級”管理機(jī)制改革盡快完成。

3.灌區(qū)信息化建設(shè)的需要

人民渠第一管理處信息化建設(shè)總體規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)水資源調(diào)配 “可視、可量、可傳、可控”。具體目標(biāo)：一是建立管理處、管理站、養(yǎng)護(hù)段通信網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)三級管理機(jī)構(gòu)之間信息互聯(lián)互通；二是完成灌區(qū)全部水量計(jì)量節(jié)點(diǎn)數(shù)字化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水量精確計(jì)量；三是完成灌區(qū)覆蓋干渠、分干渠、支渠、分水洞全部口門自動化建設(shè)，提升灌區(qū)自動化水平，實(shí)現(xiàn)水量自動調(diào)配，逐步做到“無人值班，少人值守”。

4.農(nóng)業(yè)水費(fèi)綜合改革的需要

2017年年底，四川省發(fā)改委關(guān)于都江堰人民渠第一管理處灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水省管骨干工程供水價格的通知，明確了省管骨干工程供水價格，徹底將灌區(qū)按畝計(jì)收水費(fèi)的方式變革為按供水量計(jì)收，這一重大變革決定了必須解決供水末端缺乏計(jì)量控制設(shè)備和缺乏科學(xué)調(diào)度手段的問題。

二、一體化測控智能閘門產(chǎn)品介紹

“一體化測控智能閘門”是通過水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心檢測，進(jìn)入水利部2017年新技術(shù)推廣目錄的高新技術(shù)產(chǎn)品。該智能閘門集合了小尺寸閘門、太陽能供電、水位測量、流量測量、無線通信、遠(yuǎn)程控制、精準(zhǔn)流量控制等功能，是閘門聯(lián)動控制和灌區(qū)信息化的基礎(chǔ)支撐。一體化測控智能閘門結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 一體化測控智能閘門結(jié)構(gòu)圖

一體化測控智能閘門功能：

①支持視頻采集、存儲、傳輸功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控、遠(yuǎn)程抓拍、遠(yuǎn)程管理。

②支持各種通信方式，包括GPRS/CDMA/GSM全網(wǎng)通，兼容以太網(wǎng)和WIFI等，可實(shí)現(xiàn)灌區(qū)渠道通信靈活組網(wǎng)。

③支持明渠計(jì)量，閘門開度控制絕對誤差＜0.1 mm，流量測量精度誤差＜5%，通過控制閘門開度和精確計(jì)算過閘流量實(shí)現(xiàn)末端水量控制。

④支持本地操作和遠(yuǎn)程控制，通過手機(jī)APP、WEB平臺和云端存儲等技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控、故障報(bào)警、備份信息、數(shù)據(jù)自動上報(bào)等功能。

⑤支持多種供電方式，閘門驅(qū)動功率小、能耗低，最小功率只需10 W，可使用太陽能供電、市電太陽能互補(bǔ)供電、風(fēng)光互補(bǔ)供電等方式。

⑥閘門主體由鋁合金制造，防腐蝕、不生銹、壽命長，使用周期超過10年。

⑦啟閉裝置、控制系統(tǒng)、水位計(jì)、限位計(jì)等均在工廠整體制造集成，現(xiàn)場安裝調(diào)試快捷，維修方便。

三、試點(diǎn)應(yīng)用淺析

為使全渠系口門管理工作規(guī)范、數(shù)據(jù)實(shí)時共享，逐步實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)管理現(xiàn)代化、信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、預(yù)測決策科學(xué)化、用水計(jì)價精準(zhǔn)化、報(bào)表自動化，做到量水準(zhǔn)、控水好，提高灌溉用水利用系數(shù)，都江堰人民渠第一管理處計(jì)劃在全渠系口門建設(shè)一體化智能閘門。

1.國內(nèi)外智能閘門對比

根據(jù)灌區(qū)建設(shè)需求，對國內(nèi)外一體化智能閘門進(jìn)行了調(diào)研對比?？偟目?，國外農(nóng)業(yè)灌溉已經(jīng)廣泛應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，管理理念先進(jìn)，技術(shù)先進(jìn)，設(shè)備先進(jìn)，部分灌區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化管理。如果采用國外設(shè)備，將面臨設(shè)備價格高、供貨周期長、后期配套服務(wù)跟不上等問題。同時，要將關(guān)系國計(jì)民生的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理、存儲、分析依托國外，由此帶來極高的安全風(fēng)險(xiǎn)。近幾年，國內(nèi)一體化智能閘門技術(shù)飛速發(fā)展，科技水平、智能管理等已經(jīng)達(dá)到或接近國際水平。人民渠第一管理處聯(lián)合四川大學(xué)和成都萬江港利科技股份有限公司共同研發(fā)了“一體化測控智能閘門”，采用單站式設(shè)計(jì)，具備實(shí)時視頻、精確計(jì)量、精準(zhǔn)控制、手機(jī)APP遠(yuǎn)程管理等功能，可針對灌區(qū)渠道情況、灌溉時段、管理模式及使用要求，定制最佳方案。該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了“產(chǎn)、學(xué)、研”結(jié)合，已在全國多個灌區(qū)得到推廣應(yīng)用。

2.試點(diǎn)情況

2017—2018年，結(jié)合灌區(qū)特點(diǎn)，選擇了人民渠新繁站同心堰、青白江站團(tuán)結(jié)堰各1處閘門進(jìn)行先期試點(diǎn)建設(shè)及功能測試。

建成后，先后對一體化測控智能閘門試點(diǎn)工程的供電性能、監(jiān)控功能、流量測量、遠(yuǎn)程控制、通信系統(tǒng)等方面進(jìn)行測評，測評結(jié)果總體良好，性能安全可靠。特別是閘門流量測量和遠(yuǎn)程控制更是得到實(shí)踐認(rèn)證，證實(shí)了閘門的可靠性和實(shí)用性。這是人民渠第一管理處灌區(qū)技術(shù)與需求相結(jié)合的首次試點(diǎn)，為灌區(qū)信息化建設(shè)和推進(jìn)水價綜合改革提供了良好的示范。

①供電性能。試點(diǎn)工程主要采取太陽能供電方式供電，在每天只有4~5小時日照的冬天，試點(diǎn)電池仍然經(jīng)受住了高強(qiáng)度高負(fù)荷的測試，供電總體穩(wěn)定可靠。

②監(jiān)控功能。采用間隔10分鐘定時拍照、實(shí)時視頻圖像傳輸、隨機(jī)抓拍三種方式；監(jiān)控鏡頭可遠(yuǎn)程控制，可有效對閘門水位、周邊情況進(jìn)行監(jiān)控；監(jiān)控鏡頭采用高清夜視鏡頭，圖像畫面清晰，晝夜可視；云端存儲可有效記錄和回看。

③流量測量。閘門采用“計(jì)算機(jī)三維數(shù)值模擬測量法”，控水功能與水工建筑物“一體化”設(shè)計(jì)，通過精準(zhǔn)控制閘門開度，有效提高量水、控水質(zhì)量和精準(zhǔn)度。從計(jì)量數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的斷面計(jì)量數(shù)據(jù)對比看，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，誤差小于5%。

④遠(yuǎn)程控制。本地采用觸摸屏和按鍵操作控制，遠(yuǎn)程通過手機(jī)APP或WEB終端方式控制，通過終端軟件可對閘門啟閉、閘門開度、瞬時流量、閘前后水深、本次開閘累計(jì)時間流量、設(shè)備信息等參數(shù)進(jìn)行查詢、管理，并遠(yuǎn)程控制閘門啟閉，開度精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

⑤通信系統(tǒng)。選用GPRS/CDMA/GSM通信方式，使用移動通信網(wǎng)絡(luò)信號，信號穩(wěn)定，通信質(zhì)量有保證，信號完全滿足視頻傳輸、數(shù)據(jù)上傳、遠(yuǎn)程控制要求。

⑥建設(shè)方式。兩處閘門均根據(jù)現(xiàn)地條件進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝，閘門穩(wěn)定性好、維護(hù)方便。

同心堰、團(tuán)結(jié)堰試點(diǎn)應(yīng)用效果表明，一體化測控智能閘門適應(yīng)高低溫、不同規(guī)格渠系、泥沙淤積等各種應(yīng)用環(huán)境。在各種天候條件下，供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及傳感器性能均穩(wěn)定、可靠，為地點(diǎn)偏僻、條件較差的分水洞遠(yuǎn)程計(jì)量控制提供了一種高效、經(jīng)濟(jì)、可行的解決方案，在推進(jìn)現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)上邁出了堅(jiān)實(shí)一步。

四、結(jié) 語

人民渠第一管理處灌區(qū)干渠、支渠上共有112處閘站250孔閘門，407個分水洞 （407孔閘門）；口門中的20%有口無閘，60%以上無市電，70%靠人工手搖啟閉，基本無自動化計(jì)量設(shè)施。要實(shí)現(xiàn)“節(jié)水優(yōu)先、系統(tǒng)治理”必須首先解決管段內(nèi)主要用水大戶（農(nóng)業(yè)灌溉）信息化建設(shè)問題，實(shí)現(xiàn)對灌溉用水精準(zhǔn)、可控、按需分配。從試點(diǎn)成果看，一體化測控智能閘門具有“單站式設(shè)計(jì)、可分期投入，扁平化鏈接、體系化運(yùn)行，綜合性組網(wǎng)、智能化管控”等優(yōu)勢，通過推廣使用這套設(shè)備可使全灌區(qū)口門實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控、信息化管理、精確化計(jì)量、精準(zhǔn)化控制。