測控一體化閘門系統(tǒng)在寧夏南山臺揚(yáng)水灌區(qū)中的應(yīng)用

(寧夏中衛(wèi)市水務(wù)局，寧夏 中衛(wèi) 755000)

寧夏南山臺揚(yáng)水灌區(qū)始建于1978年，30多年來由于不斷安置生態(tài)移民，灌溉面積持續(xù)增長。目前，灌區(qū)已開發(fā)農(nóng)田23.9萬畝，農(nóng)業(yè)灌溉用水量連年遞增，灌溉用水供需矛盾十分突出。為了提高南山臺揚(yáng)水灌區(qū)管理水平，優(yōu)化水資源配置管理，提高水資源利用效率，解決來自南部山區(qū)生態(tài)移民的用水短缺問題，保障移民的基本生活條件，全面提高農(nóng)業(yè)用水效率，緩解水資源的供需矛盾，將渠道閘門自動控制技術(shù)、計算機(jī)通信技術(shù)和自動化技術(shù)等先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)田灌溉管理中，已是必然的發(fā)展趨勢。

寧夏中衛(wèi)市南山臺中型灌區(qū)節(jié)水灌溉項目借助國家發(fā)展高效節(jié)水灌溉的政策支持，依托先進(jìn)信息化平臺，發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)，實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度，通過砌護(hù)干渠、安裝測控一體化閘門、配套信息通信系統(tǒng)、安裝水量調(diào)配管理軟件，實(shí)現(xiàn)閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控、定量供水、自動化測水、優(yōu)化配置水資源的目標(biāo)。

1 南山臺揚(yáng)水灌區(qū)概況

寧夏南山臺揚(yáng)水灌區(qū)設(shè)計灌溉總面積23.9萬畝，現(xiàn)實(shí)際能保證灌溉的面積為19.58萬畝。灌區(qū)內(nèi)現(xiàn)有行政村20個，個體種植大戶76個。輸水干渠總長26.5km，渠道設(shè)計流量為6.65m3/s，加大流量為7.5m3/s。干渠上現(xiàn)有支渠口73座，小揚(yáng)水站41座，灌區(qū)近3年平均灌溉用水量為7190.3萬m3。

目前南山臺揚(yáng)水干渠的運(yùn)行管理由沙坡頭區(qū)南山臺電灌站承擔(dān)，干渠上設(shè)4個管護(hù)段分段管理，主要負(fù)責(zé)干渠工程安全巡護(hù)和水利設(shè)施、設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，水閘的運(yùn)行操作、支渠口的開關(guān)、配水計量和水情形勢、節(jié)水灌溉技術(shù)宣傳和灌水技術(shù)指導(dǎo)。供水全部采用無喉道量水槽人工觀測計量，干渠供水商品率多年平均值為86%。

2 測控一體化系統(tǒng)建設(shè)情況

2.1 工程概況

寧夏南山臺揚(yáng)水灌區(qū)節(jié)水配套改造項目于2016年春季建設(shè)實(shí)施，其中完成干渠砌護(hù)9.07km，配套各類建筑物59座，新建節(jié)制閘3座，改造節(jié)制閘3座，新建退水閘2座，改造支渠口50座；配套支渠測控一體化閘門50套，配套干渠測控一體化閘門9套；配套渠道狀況視頻監(jiān)視點(diǎn)6處，建設(shè)信號傳輸中轉(zhuǎn)塔1座；安裝灌溉管理硬件和基礎(chǔ)軟件1套。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)由四部分內(nèi)容組成：干渠節(jié)制閘改造、支渠口建設(shè)及改造、通信網(wǎng)絡(luò)、調(diào)度中心建設(shè)。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 干渠節(jié)制閘

干渠上節(jié)制閘采用從澳大利亞引進(jìn)的測控一體化槽閘技術(shù)設(shè)備，該設(shè)備主要是根據(jù)水力學(xué)原理設(shè)計而成的，集測控于一體的頂面溢流式閘門。該設(shè)備與技術(shù)以太陽能為動力，通過集成在內(nèi)部的無線通信系統(tǒng)，與調(diào)度中心連接，使調(diào)度中心可通過配套管理軟件系統(tǒng)，對節(jié)制閘進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。測控一體化槽閘結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測控一體化槽閘結(jié)構(gòu)

2.4 支渠口建設(shè)

本項目支渠口安裝測量精度高達(dá)95%以上的測控一體化板閘，在使干渠成為一個封閉的自動化控制系統(tǒng)的同時，精確計量干渠上的每個分水口的水量，為灌區(qū)實(shí)現(xiàn)按方收取水費(fèi)創(chuàng)造條件。

測控一體化板閘采用底部過流的方式，閘門的啟動可以通過太陽能驅(qū)動，具有節(jié)能節(jié)電的優(yōu)點(diǎn)。測控一體化板閘由閘門門框、水位傳感器、開度傳感器、閘門、驅(qū)動裝置、控制器、太陽能板和通信模塊組成。通過集成在內(nèi)部的無線通信系統(tǒng)，與調(diào)度中心連接，使調(diào)度中心可通過配套管理軟件系統(tǒng)對支渠口測控一體化板閘進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。測控一體化板閘結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測控一體化板閘結(jié)構(gòu)

2.5 通信系統(tǒng)

系統(tǒng)采用無線通信與光纖通信相結(jié)合的組網(wǎng)方式，在閘門與二泵站之間，采用無線通信方式，在二泵站建設(shè)一座通信基站，閘門采用自帶的無線通信網(wǎng)絡(luò)模塊與通信基站建立無線通信鏈路，二泵站與調(diào)度中心(電灌站)之間的通信采用現(xiàn)有的光纖通信系統(tǒng)，參見圖1。

2.6 調(diào)度中心

調(diào)度中心設(shè)置在電灌站及二泵站，調(diào)度中心的服務(wù)器放置在二泵站，管理終端放置在電灌站。

灌溉管理軟件部署在服務(wù)器上，同時，閘門的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)均保存在服務(wù)器上。灌溉管理軟件基于GIS系統(tǒng)平臺進(jìn)行開發(fā)，其先進(jìn)性在于閘門自動控制基于“全渠道控制”的理念進(jìn)行開發(fā)。將每段渠道視為一個“蓄水池”。當(dāng)下游用戶取水時，引起渠道水位的下降，閘門自動調(diào)節(jié)開度補(bǔ)充水量，直到水位達(dá)到設(shè)定值為止。依次往上類推，使渠道上的每個閘門自動調(diào)節(jié)，通過計算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)整個灌區(qū)或部分灌溉區(qū)域的輸配水自動化，實(shí)現(xiàn)整個渠系網(wǎng)絡(luò)的全局控制、智能化水量自動調(diào)度和控制。全渠道控制模型如圖4所示。

圖4 全渠道控制模型示意圖

灌區(qū)管理調(diào)度軟件主要用于輔助完成灌區(qū)的各項日常業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)度控制和信息監(jiān)測。信息處理流程自下而上包括信息采集、信息傳輸、信息存儲和業(yè)務(wù)應(yīng)用。管理人員通過管理終端訪問灌溉管理軟件，完成灌區(qū)的各項日常業(yè)務(wù)。

3 系統(tǒng)運(yùn)行情況

系統(tǒng)建成投入使用后，定量給支渠供水的穩(wěn)定性大大提高，既減輕了渠道工作人員調(diào)節(jié)閘門的勞動強(qiáng)度，也消除了由于支渠供水不穩(wěn)定造成的灌溉矛盾問題，受到灌區(qū)廣大農(nóng)民群眾及水管人員的歡迎，促使灌區(qū)灌溉管理水平邁上了新的臺階。

60扇測控一體閘(包括9扇干渠測控一體槽閘與51扇支渠測控一體板閘)在使用過程中，基本能夠?qū)崿F(xiàn)定流量、定水位、定開度自動控制，以及流量自動測量、遠(yuǎn)程傳輸、遠(yuǎn)方監(jiān)控、閘門止水嚴(yán)密、高精度測量水、圖像傳輸清晰。

4 結(jié)論與討論

4.1 成功的經(jīng)驗和優(yōu)點(diǎn)

a.采用測控一體化閘門控水、計量后，實(shí)現(xiàn)了渠道供水的精確控制、精確計量、遠(yuǎn)程監(jiān)控，減輕了渠道管理人員的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率，提升了供水管理單位的管理水平，為農(nóng)業(yè)水價綜合改革和水權(quán)轉(zhuǎn)換奠定了基礎(chǔ)。

b.工程實(shí)施后，減少了干渠輸水過程中的水量損失，改善灌溉面積23.3萬畝，常年灌溉面積11.1萬畝，永大線棗瓜間作高效節(jié)水灌溉面積12.2萬畝，農(nóng)田灌溉保證率50%。灌區(qū)節(jié)水配套改造后，比改造前每年可節(jié)水486.22萬m3。

c.節(jié)水配套改造完成后，項目區(qū)的灌溉管理方式將更加科學(xué)、規(guī)范，對灌區(qū)內(nèi)上下游用水的緊張局面起到緩解作用，農(nóng)業(yè)用水糾紛將明顯減少，可減少社會不穩(wěn)定因素。灌區(qū)水利基礎(chǔ)設(shè)施改造后，將提高渠道的運(yùn)行安全水平，確保周邊農(nóng)田和居民生產(chǎn)生活安全。

4.2 缺點(diǎn)和教訓(xùn)

4.2.1 現(xiàn)有灌溉工程管理體制限制了測控一體化理念的實(shí)現(xiàn)

測控一體化的理念是從水源到田間土壤墑情，利用信息化和數(shù)字化等高科技手段，全面引入先進(jìn)的節(jié)水設(shè)備和系統(tǒng)，優(yōu)化渠道輸配水模式，精確計量，建立現(xiàn)代化信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從水源到田間的自動化供水。支渠及以下工程設(shè)施不完善，沒有全部配套測控一體化閘門(現(xiàn)有支渠口70座，配套了50座)，加之灌區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一、規(guī)模小、經(jīng)營方式單一，不能根據(jù)作物需水要求合理配置水量，限制了全渠道控制理念的實(shí)現(xiàn)。

4.2.2 系統(tǒng)和設(shè)備的適應(yīng)性和可靠性有待進(jìn)一步完善

在系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行管理過程中，暴露出在高含沙水灌區(qū)，系統(tǒng)的測流精度和自動化控制、信號傳輸穩(wěn)定性還不夠，部分構(gòu)件損壞后維修養(yǎng)護(hù)難等技術(shù)問題，特別是在系統(tǒng)軟件方面，應(yīng)盡快實(shí)現(xiàn)完全漢化，并對系統(tǒng)進(jìn)行本地化改進(jìn)，以適應(yīng)引黃灌區(qū)水情和業(yè)務(wù)的實(shí)際需求，解決灌區(qū)基層水管人員在實(shí)際操作和管理中所遇到的許多困難和不便。

4.2.3 提高系統(tǒng)的性價比

目前，從澳大利亞進(jìn)口測控一體化閘門設(shè)備，總體的性價比不高，雖然在系統(tǒng)控制精準(zhǔn)性、材料耐久性和可靠性上具有較大優(yōu)勢，但相對于國內(nèi)類似產(chǎn)品，價格仍然偏高。因該套設(shè)備和系統(tǒng)價格高昂，只能在渠道關(guān)鍵控制點(diǎn)或局部設(shè)置，目前揚(yáng)水干渠還有20個支渠口沒有安裝測控一體化閘門，不能實(shí)現(xiàn)全干渠統(tǒng)一計量水，從而影響了測控一體化閘門計量工作的開展。

5 建 議

a.成立南山臺揚(yáng)水灌區(qū)水利信息化技術(shù)服務(wù)中心，負(fù)責(zé)本灌區(qū)信息化設(shè)施維護(hù)、使用指導(dǎo)和技術(shù)培訓(xùn)，以保證測控一體化閘門與灌溉軟件的正常使用。現(xiàn)灌區(qū)測控一體閘門的操作界面與灌溉管理軟件均為英文界面，為了使南山臺灌區(qū)水管單位工作人員能夠?qū)y控一體化閘門設(shè)備進(jìn)行正常維護(hù)和使用，建議成立灌區(qū)水利信息化技術(shù)服務(wù)中心，負(fù)責(zé)灌區(qū)信息化設(shè)施維護(hù)、使用指導(dǎo)和技術(shù)培訓(xùn)，以利于盡快提高水利隊伍的信息化管理水平。

b.地方各級水管部門加強(qiáng)協(xié)作，形成合力，先期打造一個全渠道控制示范灌區(qū)。

寧夏南山臺揚(yáng)水灌區(qū)有關(guān)各級水管部門應(yīng)在項目設(shè)計、示范區(qū)選擇、資金投入、資源整合等方面，進(jìn)一步加強(qiáng)協(xié)作和溝通，共同形成合力，打造一個從灌區(qū)水源到各級渠道輸水，再到田間土壤墑情的全過程全渠道控制的示范灌區(qū)，建立完整的灌區(qū)現(xiàn)代化信息管理系統(tǒng)，并根據(jù)土壤墑情，實(shí)現(xiàn)從水源到田間的自動化供水和精確計量，以利于促進(jìn)全渠道信息化自動化控制技術(shù)在本灌區(qū)的真正實(shí)現(xiàn)。

c.轉(zhuǎn)變用水戶對自動化閘門的使用管理觀念，保證灌溉管理新技術(shù)和新設(shè)備的正常運(yùn)行。在使用測控一體化閘門與灌溉軟件技術(shù)的過程中，測量水精度高，按測控一體化設(shè)施計量，灌區(qū)內(nèi)一些支渠用水量會明顯高于傳統(tǒng)量水槽計量的結(jié)果，部分用水戶一時間難以接受，可能會出現(xiàn)拒不接受測控一體閘門的計量數(shù)據(jù)、破壞水利設(shè)施等現(xiàn)象。為轉(zhuǎn)變灌區(qū)廣大農(nóng)民群眾的傳統(tǒng)觀念，上級水行政主管部門應(yīng)請第三方單位進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果，政府出臺對測控一體閘門測量水準(zhǔn)確性的批復(fù)文件，進(jìn)而解決農(nóng)民群眾拒不認(rèn)可供水管理單位使用測控一體閘門計量供水?dāng)?shù)據(jù)的有關(guān)問題。

d.進(jìn)一步提高測控一體化閘門與信息化系統(tǒng)和設(shè)備的適應(yīng)性和可靠性。針對本灌區(qū)安全使用管理測控一體化閘門與信息化系統(tǒng)和設(shè)備中存在的一些問題與不足，應(yīng)進(jìn)一步加大與地方水利科研院所、灌區(qū)水管單位，特別是已實(shí)施過類似項目的灌區(qū)水管單位或有關(guān)部門的溝通交流與技術(shù)合作，并緊密結(jié)合本灌區(qū)實(shí)際，在測控一體化閘門與信息化系統(tǒng)和設(shè)備的適用性、可靠性和穩(wěn)定性等方面，進(jìn)一步進(jìn)行完善和提高，以利于促進(jìn)灌區(qū)灌溉管理綜合效益的充分發(fā)揮。