测控一体化闸门系统应用分析

张 燃

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410000）

0 引言

随着我国水利信息化建设工作的不断推进，测控一体化闸门系统逐渐替代了传统闸门。测控一体化闸门系统可实现流量数据的自动监测、收集与计算，计量精度高，可存储、查询数据，实现远程自动控制，提高水利工程管理水平。闸门一体化测控系统包括现地测控一体化设备、通信系统、监控中心等，各组成部分设备如表1 所示。

表1 闸门一体化测控系统组成设备

测控一体化闸门在水利工程中的运用优势：①系统集成性高，可简化改造施工程序，快速完成测控一体化闸门安装工作；②智能化调节闸门，快速稳定数位异常波动，实现水利系统稳定运行；③可远程监控闸门运行状态，提高信息化管理水平；④系统流量计量精度高，在水权分配、水费计收方面优势明显；⑤系统通过精确计算可及时发现泄漏、渗漏等问题，制定针对性处理方案；⑥系统可利用太阳能为动力，具有环保节能的优点。

1 测控一体化闸门类型与测水原理

1.1 测控一体化闸门类型

测控一体化闸门集测、控功能于一体，可通过自身测得上下游水位、闸门开度测得流量，借助无线通信系统、配套软件可实现控制中心与用水户间实时动态联系，提供稳定的供水服务。

根据结构不同，可将测控一体化闸门分为板闸和槽闸两类（图1）。目前，我国测控一体化闸门主要包括国外厂商和国内厂商两大来源，其中，国外的全渠道控制系统（TCC）是最先进的灌溉控制技术之一，主要设备包括测控一体化槽闸、板闸流量计、配套软件等；国内主要设备包括测控一体化板闸、槽闸、电磁流量计、管道流量计等。

图1 测控一体化闸门

当前测控一体化闸门系统主要的控制方式有两种：①就地/远程控制方式：基于此种控制方式下，管理人员通过前馈与反馈联合控制，实现全灌溉渠系与各个闸门间信息传递与协调控制；②全渠道TCC 控制方式：当用户预定用水，软件将对预定水量进行分析，判断输水系统是否存在容量、调水限制；确定用水需求后，系统将信息发送至用户预订槽闸口，基于规定时间开启一体化槽闸，满足用户流量需求。此种控制方式分为两种应用模式，分别是基于需求和基于供给对闸门启闭进行控制。上述两种控制方式中，就地/远程控制方式下，闸门处于独立运行状态，在自动化控制时无需考虑上、下游闸门情况；全渠道TCC 控制方式下，闸门的控制具有系统性特征，即每个闸门开度的调节均要考虑整个渠系的状态。两种控制方式的具体应用情况见表2。

表2 一体化测控闸门不同控制方式

1.2 测控一体化闸门量测水原理

1.2.1 板闸量测水原理

板闸结构可分为不带测箱和带测箱两大类，前者可使用闸前闸后水位计机械年水位计量。搭载超声波测箱的测控一体化板闸测流原理：测箱两侧设多个对向发射的超声波探头，采用超声波时差法对测箱内流体流速、流量进行分层计算，得到三维流速场，并计算求得整体过闸流量（图2）。

图2 测控一体化板闸测水原理

1.2.2 槽闸量测水原理

槽闸属于量水堰槽，利用闸门传感器获取上游水位H、下游水位ht、闸门开度等信息，并采用堰流公式计算过堰流量，测水原理如图3 所示。流量计算公式：

图3 测控一体化槽闸测水原理

按照雷伯克流量系数公式计算：

式中：Q 是过堰流量；b 是堰宽；H 是堰上水头；m 是堰流流量系数；P是上游堰高。

1.3 测控一体化闸门的选用

在水利工程建设中，不同型式测控一体化闸门适用场景有所差异，需根据渠道型式、闸门位置以及场景美观性要求等进行闸门选型，此外还需考虑周边交通、建筑物状况等。

（1）干渠中小型节制闸：闸门宽度、高度不超过2 m，宜选用测控一体化槽闸或板闸。其中，无水量测量要求的水闸，可选用板闸不带测箱的型式；不允许修建胸墙的河道干渠，或因美观要求不得将闸门抬升太高的情况下，可选用测控一体化槽闸。若是闸门尺寸超过2 m，可根据闸孔情况选用不锈钢、铸铁闸门等。

（2）涵洞式支、斗渠口或干渠直开口：宜选用测控一体化板闸，要求测箱前伸距离不得对上一级渠道水流流态产生影响。

（3）开敞式支、斗渠口或干渠直开口：宜选用测控一体化板闸或槽闸，板闸可不带测量。

2 测控一体化闸门系统的应用

2.1 项目背景

该项目为中型灌区，设计灌溉总面积23.9 万亩，目前实际可保证灌溉面积共计19.58 万亩。灌区内输水干渠长26.5 km，干渠上支渠73 座、小扬水站41 座，近3 年平均灌溉用水量7190.3万立方米。目前干渠采取分段管理方法，设有4 个管护段，开展相关安全巡护、运行操作、维护保养以及节水灌溉宣传等工作。灌区供水主要采用无喉道量水槽进行人工观测计量，干渠供水商品率多年均值86%。为实现高效节水灌溉，对灌区进行节水配套改造，建设内容如下：干渠砌护9.07 km，配套建筑物59 座，项目采用测控一体化闸门，其中配套支渠闸门50 套、干渠闸门9 套，同时配套渠道状况视频监视点6 处，并建设1 座信号传输中转塔。

2.2 测控一体化闸门系统架构

采用测控一体化闸门，改造施工内容涉及干渠节制闸改造、支渠口建设及改造、通信网络、调度中心建设。测控一体化闸门系统架构如图4 所示。

图4 测控一体化闸门系统架构

2.3 测控一体化闸门系统选择与建设

2.3.1 干渠节制闸

干渠节制闸选用澳大利亚测控一体化槽闸系统，依据水力学原理设计的顶面溢流式闸门，共计9 扇闸门，组成部分包括通信系统、太阳能板、控制器、电机及驱动装置、开度传感器、水位传感器、门框、止水材料以及闸门。系统采用太阳能作为动力，通过无线通信系统实现与调度中心的数据传输，可实现节制闸的远程、实时控制。

2.3.2 支渠口闸门

支渠口安装测控一体化板闸，测量精度≥95%，共计51 扇闸门，干渠形成封闭自动化控制系统，干渠各分水口的水量可实现精确计量，按方收取实际水费。测控一体化板闸底部过流，以太阳能驱动，主要组成部分包括闸门门框、水位传感器、开度传感器、闸门、驱动装置、控制器、太阳能板以及通信模块等，闸门运行可远程、实时监控，同时也具有节能环保的特点。

2.3.3 通信系统

通信系统采用无线通信+光纤通信的组网方式。为保证闸门稳定可靠运行，项目于二泵站建设1 座通信基站，闸门内部无线通信模块的与通信基站建立无线通信链路；调度中心与二泵站光纤通信。

2.3.4 调度中心

灌区测控一体化闸门系统调度中心设置在电灌站及二泵站，灌溉管理软件基于GIS 系统平台与全渠道控制理念开发，采用的是基于需求的控制模式，即：将每个渠道视作蓄水池，一旦下游的取水渠道出现水位降低的情况，闸门将自动调节开度，实现水量补充，将下游取水渠道的水位维持在设定值。以此类推，灌区渠道中设置的每个闸门自动调节开度、维持渠道水位，基于计算机与通信网络实现整个灌区内输配水的自动化。灌区管理中，管理人员通过终端访问灌溉管理软件，完成日常业务，实现自动调度控制、信息监测。

3 系统运行情况及改造效益

该项目完成测控一体化闸门系统建设投入运行后，大幅提高支渠供水稳定性，减轻渠道工作人员劳动强度，提高了灌区管理水平。60 扇测控一体闸门基本实现定流量、定水位、定开度自动控制，提供远程监控、流量自动测量等功能。闸门实际运行情况显示止水严密、流量测量精度高、监控图像清晰，为远程管理提供可靠依据。

运行效益：①促进了灌区信息化建设，提高了灌区运行管理水平，为农业水价改革、水权转换奠定基础；②测控一体化闸门系统运行后，有效减小了干渠输水中水量损失，改善灌溉面积23.3 万亩，常年灌溉面积11.1 万亩，与改造前相比，年节水486.22 万立方米；③项目区节水改造后，有效缓解上下游用水紧张局面，减少农业用水纠纷，为区域稳定发展奠定基础。