测控一体化闸门在汉延渠灌区现代化改造中的应用研究

田新星 赵健 王乃欣

大型灌区现代化是一个逐步发展、不断成熟、全面实现的过程。根据国家现代化和水利现代化发展要求，灌区现代化的内涵可以概括为：用人与自然和谐相处、全面系统的现代理念指导灌区建设，用先进技术、先进工艺、先进设备打造灌区工程设施，用现代科技引领灌区发展，用现代管理制度、良性管理机制完善灌区管理，建立公平、可靠、灵活的供水服务和有效的防灾减灾体系，大幅度提高灌区水资源利用效率和农业综合生产能力，为农业农村现代化、生态文明建设、全面建成小康社会提供水利支撑。

为实现节水，必须首先实现量水。管道和明渠是灌区输水的两种主要形式，管道多为满管、有压流，水量计量比较精确。明渠量水方式繁多，测量精度也各不相同。本文探讨测控一体化闸门在渠道量测水中的应用，并结合汉延渠灌区管理信息化平台，分析测控一体化闸门在灌区信息化建设中的作用和发展前景。

1 汉延渠灌区现代化建设现状

宁夏回族自治区汉延渠是具有2 000 多年历史的古渠道，是宁夏平原最古老的干渠之一，也是宁夏青铜峡灌区的核心供水渠道之一。近年来，随着灌区现代化的推进，汉延渠在水位遥测、测控一体化闸门改造、视频监控等各方面进行了信息化改造，取得了良好的成效。

汉延渠灌区现代化建设现状主要包括以下几个方面：

（1）水位遥测系统。从1995 年开始，汉延渠管理处先后建设了水情遥测系统，布设了部分干渠水位监测点，实现了水情信息自动采集。

（2）干渠大断面测流监测系统。2016 年至今，在果子渠、唐铎、通桥、蔡家桥测流断面安装了ADCP 大断面测流监测系统，实现了无人监测，数据精准、运行稳定，解决了所际、县际测流问题，为灌溉管理科学决策提供了依据。

（3）综合业务系统和电子政务外网等系统。2018年在先期开发的应用系统基础上整合了工程巡检、水账电算化功能形成了汉延渠综合业务应用系统。

2 测控一体化闸门选型设计

2.1 测控一体化闸门类型

测控一体化闸门是依水力学原理设计集测、控于一体的闸门，闸门可通过自身测得的上下游水位和闸门开度测得流量，以太阳能为动力，通过集成在内部的无线通信系统，控制中心和用水户通过配套软件系统进行实时动态联系，为用水户提供及时而稳定的供水服务。

根据结构的不同，测控一体化闸门分为板闸（直升式，如图1（a）所示）和槽闸（下卧式，如图2（b）所示）两大类。根据测箱与闸体是否为一体，又分为测控一体式和测控分体式，测控一体式是指测箱位于闸门前部，测箱与闸门框连接在一起，前测后控，测控分体式是指闸门只起到控制作用，在闸门后的渠道上安装测箱，前控后测。槽闸是指集测水与量水于一体的闸门。

图1 测控一体化闸门

根据板闸搭配测箱的流速计算原理的不同，测控一体化闸门又分为超声波流量计和电磁流量计测控闸门。

目前测控一体化闸门的厂商分为国外厂商和国内厂商两类。国外厂商主要研发的全渠道控制系统（TCC）是全球最先进的灌溉控制技术之一，主要有测控一体化槽闸、板闸流量计、配套软件等设备；国内厂商主要生产测控一体化板闸、槽闸、电磁流量计、管道流量计等设备。

2.2 测控一体化闸门量测水原理

2.2.1 板闸量测水原理

板闸分为带测箱与不带测箱两类，对于不带测箱的板闸，可以结合闸前闸后水位计实现水位计量。下面重点介绍搭载超声波测箱的测控一体化板闸的测流原理。

通过在测箱两侧各设置若干对向发射的超声波探头，利用超声波时差法，分层计算测箱内流体的流速、流量，得到整个测箱内流体的三维流速场，进而求得整体过闸流量，如图2 所示。

图2 测控一体化板闸测水原理图

2.2.2 槽闸量测水原理

槽闸本质上是量水堰槽，它的流量计算原理是通过闸门传感器获取上游水位H、下游水位ht、闸门开度等信息，利用堰流公式计算过堰流量，如图3所示。

图3 测控一体化槽闸测水原理图

2.3 测控一体化闸门选型

不同型式的测控一体化闸门的适用场景不同，设计人员应根据渠道型式、闸门位置、场景美观等要求进行闸门选型，在选型时，考虑水利要素的同时，还需要考虑周边的交通、建筑物等状况。

对于干渠上的中小型节制闸（一般闸门宽度或高度在2 m 以下），若采用测控一体化闸门，可采用测控一体化槽闸或测控一体化板闸。对于没有水量测量要求的水闸（一般闸门宽度或高度在2 m以下），可采用板闸不带测箱的方式；对于不允许修建胸墙的河道干渠，或是为了美观需要，不能将闸门抬升太高，应采用测控一体化槽闸。当闸门尺寸超过2 m，应根据闸孔情况进行定制或采用不锈钢闸门、铸铁闸门等闸门类型。

对于涵洞式支渠口、斗渠口或干渠直开口，宜采用测控一体化板闸，并保证测箱前伸距离不影响上一级渠道水流流态。

对于开敞式支渠口、斗渠口或干渠直开口，采用测控一体化板闸、测控一体化槽闸、板闸不带测箱等型式均可。

2.4 汉延渠测控一体化闸门应用实例

汉延渠第四管理所所辖的33 个直开口均属于涵洞式方形支渠口（又称“直开口”），尺寸在0.4～1 m。在根据上述选型原则，选用测控一体化板闸，在板闸设计时，确保前置测箱在渠道边坡开口内部，不影响干渠水流流态。

3 基于全渠道测控的管理信息化平台开发

在测控一体化等硬件感知、控制设备的基础上，研发基于全渠道测控的管理信息化平台，平台应覆盖数据采集、传输、存储、应用决策等各个环节。平台以自治区“一网一库一平台”为依托，以智慧灌溉物联网思想，基于已建的数据中心、业务平台等核心框架，开展现代化智慧灌区信息化建设，主要包括基础设施层、数据资源层、应用支撑层、业务应用层、展现层、用户层以及工程质量体系、标准规范体系和安全运行保障体系。

基于全渠道测控的管理信息化平台总体框架如图4～6 所示。

图4 信息化平台总体框架

图5 渠道控制系统软件界面

图6 全渠道控制界面

4 结论与展望

通过研究测控一体化闸门在汉延渠现代化改造中的应用，可以得到以下结论：

（1）测控一体化闸门的选型关系到灌区后期运维管理的方便性、安全性，渠道整体的美观性。在满足功能要求、精度要求的前提下，应首选国产设备，并保证数据存储的安全性和稳定性。例如，某些设备的流量计算，需要将原始数据传输至厂商自有服务器或国外服务器，在实际应用过程中，应慎用此类设备。

（2）完善配套的灌排设施体系是基础。如果没有完善的灌溉工程设施，粗放的用水模式无法改变，管理机制无处发力；缺乏配套的计量设施，用水总量控制、定额管理和计量收费都是空话。改革管理体制是关键，为实现高效节水，必须明确水权、产权，落实工程管护责任，形成激励机制，把工程建好、管好、用好。

（3）明渠的量测水方式有多种，不应拘泥于测控一体化闸门一种方式，应根据渠道型式、精度要求等确定合适的量水方式。例如在水工建筑物满足测流条件的情况下，宜优先选用水工建筑物法测流，水工建筑物搭配电子水位计等设备，也可实现远程测控。对于渠道流态要求比较高的渠道，不宜采用前置测箱，可在闸后渠道修建标准断面，设置超声波流量计测箱、电磁流量计测箱、巴歇尔量水槽、无喉道槽等方式。

（4）信息化管理平台，应密切结合管理者的需求，以实用性、安全性为主要原则。信息化平台应切实改变灌区管理人员的工作方式，避免信息化与实际工作“两张皮”，不但没有减少，反而增加灌区管理人员工作量。