測(cè)控一體化技術(shù)在固海揚(yáng)水灌區(qū)中的應(yīng)用

邢天鋒，張 勇，陶 東，周玉國(guó)

（寧夏固海揚(yáng)水管理處，寧夏 中衛(wèi) 755100）

0 引言

固海揚(yáng)水工程是寧夏建設(shè)最早的大型公益性扶貧揚(yáng)黃灌溉工程，工程建設(shè)運(yùn)行40 多年來，為加快寧夏南部山區(qū)群眾脫貧致富、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、改善生態(tài)環(huán)境、維護(hù)民族團(tuán)結(jié)做出了巨大貢獻(xiàn)。目前，固海揚(yáng)水灌區(qū)還采用傳統(tǒng)的測(cè)量方式，新型測(cè)量方式還處于試點(diǎn)階段，尚未大規(guī)模投入使用。灌區(qū)測(cè)量主要分為斗口以上和斗口以下兩種。斗口以上測(cè)量主要指上下游泵站間的水量計(jì)量交接，以LS68 型旋杯式流速儀人工測(cè)流為主，屬于測(cè)量精度較高的測(cè)量方式。斗口以下測(cè)量方式主要是指無喉道量水堰建筑物計(jì)量方式，也是管理處對(duì)灌區(qū)灌溉用水最常用、最準(zhǔn)確、最可靠的計(jì)量方式之一，運(yùn)行40 多年來已被廣大灌區(qū)用戶所接受。

1 測(cè)控一體化閘門建設(shè)情況

為積極推進(jìn)固海揚(yáng)水灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)，固海揚(yáng)水管理處組織對(duì)水閘及直開口安裝了自動(dòng)化設(shè)備，工程總投資2 406 萬元，完成了171 座直開口、小高抽等自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備的安裝。管理處安裝測(cè)控一體化閘門124 套，安裝電磁流量計(jì)34 套。

1.1 中型水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的安裝

13 座中型水閘安裝自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水閘運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)視、現(xiàn)地控制和遠(yuǎn)程控制，在機(jī)組跳閘、洪水入渠等應(yīng)急狀態(tài)下可及時(shí)打開退水閘，加強(qiáng)了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1.2 干渠直開口自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的安裝

124 座干渠直開口安裝了測(cè)控一體化閘門自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，20 座小高抽、14 處壓力管道分水口閘閥安裝了自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了直開口閘門、閘閥的自動(dòng)控制和計(jì)量，提高了配水精確度和水資源利用率。

1.3 水閘自動(dòng)監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的安裝

通過將項(xiàng)目建設(shè)的灌區(qū)中型水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)、直開口自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過電子政務(wù)外網(wǎng)傳輸?shù)剿麖d監(jiān)控平臺(tái)和固海業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了固海揚(yáng)水管理處對(duì)中型水閘、干渠直開口水閘數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理，為水資源調(diào)度管理提供服務(wù)。

2 測(cè)控一體化技術(shù)的應(yīng)用目的和意義

2.1 應(yīng)用目的

固海揚(yáng)水管理處以建設(shè)現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)為目標(biāo)，積極應(yīng)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)理念和現(xiàn)代信息技術(shù)，推進(jìn)灌區(qū)信息化建設(shè)，提升固海灌區(qū)服務(wù)水平。同時(shí)，以水管體制改革為契機(jī)，轉(zhuǎn)變固海灌區(qū)傳統(tǒng)的管水模式，采用“互聯(lián)網(wǎng)+水利”管理模式，推進(jìn)現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)進(jìn)程，逐步打造“數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化、智能化”的揚(yáng)水新灌區(qū)。

2.2 應(yīng)用意義

2.2.1 建設(shè)節(jié)水型現(xiàn)代化灌區(qū)的基本需要

灌區(qū)供水管理信息自動(dòng)化程度不高，仍采用傳統(tǒng)的人工操作方式，不適應(yīng)現(xiàn)代化灌區(qū)管理的要求，因此灌區(qū)信息化建設(shè)是建設(shè)節(jié)水型現(xiàn)代化灌區(qū)的基本需要。

2.2.2 提升水利公共管理和社會(huì)服務(wù)能力

泵站資料收集和信息整理主要以人工為主，不僅影響灌溉管理水平的提升，而且相關(guān)人員不能及時(shí)掌握灌區(qū)實(shí)時(shí)供水情況，需要進(jìn)行管理改革，改進(jìn)灌區(qū)管理手段，用信息化、自動(dòng)化手段代替人工操作，提升水利公共管理和社會(huì)服務(wù)能力。

2.2.3 促進(jìn)灌區(qū)現(xiàn)代化發(fā)展

為實(shí)現(xiàn)“傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代化水利轉(zhuǎn)變、粗放用水向精細(xì)化用水轉(zhuǎn)變”，推動(dòng)現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)進(jìn)程，應(yīng)采用灌區(qū)測(cè)控一體化技術(shù)，提升灌區(qū)管理和運(yùn)行的信息化水平，促進(jìn)灌區(qū)現(xiàn)代化發(fā)展。

3 測(cè)控一體化技術(shù)概述

3.1 主要功能

測(cè)控一體化閘門采用了輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，集光伏能源管理、運(yùn)動(dòng)控制、水位采集、流量計(jì)量、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸及控制等功能為一體，以實(shí)現(xiàn)渠道灌溉用水的精確控制和管理。閘門分流保護(hù)和閘門卡滯保護(hù)兩種，在荷載過大或閘門有異物阻擋時(shí)，可自行啟動(dòng)保護(hù)功能，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的作用。

3.2 操作模式

操作模式主要有遠(yuǎn)程控制、現(xiàn)地操作和緊急制動(dòng)3 種，可滿足多種條件下的操作需求，極大減輕配水人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作壓力，提高工作效率。

3.3 控制模式

控制模式分為恒定流量控制模式和閘位控制模式兩種。恒定流量控制模式屬于流量精確控制，通過閘板上下調(diào)節(jié)，始終將流量控制在設(shè)定范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)全渠道流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，穩(wěn)定下游泵站機(jī)組運(yùn)行的最優(yōu)水位。閘位控制模式，適用于閘前干渠水位和泵站前池水位穩(wěn)定的情況。應(yīng)用閘位控制模式需要考慮多個(gè)影響因素，泵站水調(diào)員需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)下游泵站前池水位，以此決定測(cè)控一體化閘門的配水流量。

3.4 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

測(cè)控一體化的優(yōu)勢(shì)如下。①測(cè)量精度高。測(cè)控一體化閘門流量不受干渠水位變化的影響，在設(shè)定流量后，當(dāng)干渠水位上下變化時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟閉閘門，從而穩(wěn)定過水流量，保證設(shè)定流量不變，提高測(cè)量精度。②操作方便。一是測(cè)控一體化分為遠(yuǎn)程控制和現(xiàn)地控制兩種方式，配水人員可遠(yuǎn)程或現(xiàn)地操控啟閉閘門，進(jìn)行水量調(diào)配；二是測(cè)控一體化閘門計(jì)量數(shù)據(jù)支持多種查看方式，方便管理單位和用水戶及時(shí)了解水量。③反應(yīng)迅速。配水人員發(fā)出操控指令，測(cè)控一體化閘門2 秒左右即可動(dòng)作，節(jié)約操作時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。④異常報(bào)警。測(cè)控一體化閘門發(fā)生故障時(shí)，設(shè)備會(huì)顯示故障警告信號(hào)，通知維修人員進(jìn)行故障處理。

4 測(cè)控一體化技術(shù)應(yīng)用分析

4.1 測(cè)控一體化閘門運(yùn)行效果分析

測(cè)控一體化閘門投入運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)了閘門的現(xiàn)地控制和遠(yuǎn)程控制能，但自動(dòng)計(jì)量與實(shí)際流量存在一定偏差。

當(dāng)斗口配水流量恒定不變時(shí)，在清水期有29 座斗口測(cè)控一體化閘門計(jì)量數(shù)據(jù)較穩(wěn)定、準(zhǔn)確，基本符合要求，占比23.39%；在渾水期有26 座斗口測(cè)控一體化閘門計(jì)量數(shù)據(jù)較穩(wěn)定、準(zhǔn)確，基本符合要求，占比20.97%。而全年始終準(zhǔn)確的斗口只有10 臺(tái)，占比8.06%。

若斗口配水流量發(fā)生變化，有21 座斗口測(cè)控一體化閘門計(jì)量數(shù)據(jù)較穩(wěn)定、準(zhǔn)確，基本符合要求，占比16.94%。流量變化時(shí)數(shù)據(jù)存在不穩(wěn)定、偏差較大的問題，主要原因是測(cè)控一體化設(shè)備數(shù)據(jù)計(jì)算存在偏差，對(duì)干渠水位條件、水質(zhì)及環(huán)境條件等沒有綜合考慮，導(dǎo)致在流量變化后，計(jì)算出現(xiàn)偏差。

運(yùn)行結(jié)果表明，設(shè)備控制功能全部能夠?qū)崿F(xiàn)，但自動(dòng)計(jì)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，流量上下變幅值較大，配水流量值或水質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，計(jì)量偏差值較大。

4.2 精度影響因素

（1）設(shè)備自身的測(cè)量精度。配水流量在同一流量狀態(tài)下，對(duì)設(shè)備計(jì)量進(jìn)行校測(cè)調(diào)整，如流量不變，計(jì)量數(shù)據(jù)則較為穩(wěn)定準(zhǔn)確。若配水流量值發(fā)生變化，測(cè)控一體化數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)偏差較大，如表1 所示。

（2）含沙量增大，水由清水變?yōu)闇喫绊戄^大。同一個(gè)配水流量下，清水期和渾水期設(shè)備計(jì)量數(shù)據(jù)偏差大，如表2 所示。

表1 流量變化時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 清水期和渾水期測(cè)流數(shù)據(jù)對(duì)比

（3）梢段干渠一體化閘門測(cè)箱淤積對(duì)精準(zhǔn)度影響較大。稍段干渠因流量小，測(cè)箱產(chǎn)生淤積，過水?dāng)嗝鏈p小，導(dǎo)致流量偏差較大。

4.3 存在的問題

①在末級(jí)渠道，存在閘門測(cè)箱容易淤積、水深淹沒不住箱體的問題，從而使設(shè)備計(jì)量與量水堰計(jì)量有較大偏差。②遠(yuǎn)程操作時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)延遲、設(shè)備自身系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)等因素影響，造成閘門控制延遲和現(xiàn)地運(yùn)行情況不明確，出現(xiàn)配水流量過大、系統(tǒng)不顯示流量的現(xiàn)象。③測(cè)控一體化閘門計(jì)量的流量不穩(wěn)定，上下波動(dòng)較大，特別是發(fā)生斗變時(shí)，流量數(shù)據(jù)誤差變大，經(jīng)過廠家多次調(diào)整后，才能繼續(xù)使用，但隨著時(shí)間推移，誤差又繼續(xù)擴(kuò)大，不具備完全投入應(yīng)用的條件。④由于軟件、設(shè)備自身和運(yùn)營(yíng)商等因素影響，存在設(shè)備不定期掉線的問題。⑤測(cè)量精度影響因素多，測(cè)量數(shù)據(jù)誤差大，暫不能作為水費(fèi)計(jì)收的依據(jù)。⑥設(shè)備后期運(yùn)維費(fèi)用高，且不確定因素多，后續(xù)資金無法保障。⑦以泵站為基礎(chǔ)架設(shè)本地服務(wù)器，架設(shè)成本高，運(yùn)行效率低，運(yùn)維成本高。

5 測(cè)控一體化閘門應(yīng)用建議

通過一年多的運(yùn)行試驗(yàn)，測(cè)控一體化閘門雖然在功能上實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和水量計(jì)量，但是在精確計(jì)量上還存在一定偏差，主要是因?yàn)樵O(shè)備技術(shù)水平低、抗干擾能力弱、環(huán)境影響因素大。測(cè)控一體化閘門顛覆了灌區(qū)群眾對(duì)水量計(jì)量的認(rèn)知，在后期的投入運(yùn)行中勢(shì)必會(huì)受到灌區(qū)群眾不認(rèn)可和不信任。對(duì)此，本文提出以下建議。

一是采用測(cè)控分體式閘門。測(cè)控分體式閘門適合各種條件的斗口，較為符合固海揚(yáng)水灌區(qū)實(shí)情。因測(cè)控分體式閘門測(cè)流原理基于無喉道量水堰測(cè)流原理，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，與量水堰計(jì)量完全一致，更容易被灌區(qū)群眾接受。

二是采用云平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化技術(shù)手段。在現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)進(jìn)程中，要依賴云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，推進(jìn)智慧水利建設(shè)。在2018 年量測(cè)水改造時(shí)，固海揚(yáng)水灌區(qū)了采用本地服務(wù)器，受成本高、運(yùn)維難、帶寬小等因素影響，閘控系統(tǒng)服務(wù)效率低、反應(yīng)慢。在以后的改造中，要依托水利云平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，推進(jìn)固海現(xiàn)代化、信息化和智慧灌區(qū)的建設(shè)。

三是探索智慧灌溉新平臺(tái)。要通過量測(cè)水信息化改造服務(wù)于智慧灌溉系統(tǒng)，結(jié)合智能化泵站改造、梯級(jí)調(diào)度模型建立，打造全渠道控制系統(tǒng)，并以全渠道控制系統(tǒng)為主體，建立固海灌區(qū)智慧灌溉平臺(tái)，以達(dá)到減員增效的目的，為固海揚(yáng)水管理處水管體制改革提供方向。

6 結(jié)語

測(cè)控一體化技術(shù)作為測(cè)量水領(lǐng)域的新技術(shù)，為測(cè)量水技術(shù)的推陳出新指明了方向，也是未來水利計(jì)量的必由之路。固海揚(yáng)水灌區(qū)也向建設(shè)現(xiàn)代化灌區(qū)邁出了重要一步，但是受限于測(cè)控一體化技術(shù)水平，灌區(qū)在測(cè)控一體化閘門的管理上只限于操作，計(jì)量還不可靠，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不能作為水費(fèi)計(jì)收的依據(jù)。測(cè)控一體化閘門的測(cè)、控功能僅僅實(shí)現(xiàn)了低精度測(cè)量，還需要向更高標(biāo)準(zhǔn)、更深層次、更高穩(wěn)定性方面繼續(xù)提升。