测控一体化技术在固海扬水灌区中的应用

邢天锋，张 勇，陶 东，周玉国

（宁夏固海扬水管理处，宁夏 中卫 755100）

0 引言

固海扬水工程是宁夏建设最早的大型公益性扶贫扬黄灌溉工程，工程建设运行40 多年来，为加快宁夏南部山区群众脱贫致富、经济社会发展、改善生态环境、维护民族团结做出了巨大贡献。目前，固海扬水灌区还采用传统的测量方式，新型测量方式还处于试点阶段，尚未大规模投入使用。灌区测量主要分为斗口以上和斗口以下两种。斗口以上测量主要指上下游泵站间的水量计量交接，以LS68 型旋杯式流速仪人工测流为主，属于测量精度较高的测量方式。斗口以下测量方式主要是指无喉道量水堰建筑物计量方式，也是管理处对灌区灌溉用水最常用、最准确、最可靠的计量方式之一，运行40 多年来已被广大灌区用户所接受。

1 测控一体化闸门建设情况

为积极推进固海扬水灌区现代化建设，固海扬水管理处组织对水闸及直开口安装了自动化设备，工程总投资2 406 万元，完成了171 座直开口、小高抽等自动监控设备的安装。管理处安装测控一体化闸门124 套，安装电磁流量计34 套。

1.1 中型水闸自动化监控系统的安装

13 座中型水闸安装自动化监控系统，实现了水闸运行状态的实时监测、视频监视、现地控制和远程控制，在机组跳闸、洪水入渠等应急状态下可及时打开退水闸，加强了系统的安全运行。

1.2 干渠直开口自动测控系统的安装

124 座干渠直开口安装了测控一体化闸门自动测控系统，20 座小高抽、14 处压力管道分水口闸阀安装了自动测控系统，实现了直开口闸门、闸阀的自动控制和计量，提高了配水精确度和水资源利用率。

1.3 水闸自动监控业务应用系统的安装

通过将项目建设的灌区中型水闸自动化监控系统、直开口自动测控系统数据通过电子政务外网传输到水利厅监控平台和固海业务应用系统，实现了固海扬水管理处对中型水闸、干渠直开口水闸数据的统一存储、统一管理，为水资源调度管理提供服务。

2 测控一体化技术的应用目的和意义

2.1 应用目的

固海扬水管理处以建设现代化生态灌区为目标，积极应用大数据、云计算等先进理念和现代信息技术，推进灌区信息化建设，提升固海灌区服务水平。同时，以水管体制改革为契机，转变固海灌区传统的管水模式，采用“互联网+水利”管理模式，推进现代化灌区建设进程，逐步打造“数字化、信息化、自动化、智能化”的扬水新灌区。

2.2 应用意义

2.2.1 建设节水型现代化灌区的基本需要

灌区供水管理信息自动化程度不高，仍采用传统的人工操作方式，不适应现代化灌区管理的要求，因此灌区信息化建设是建设节水型现代化灌区的基本需要。

2.2.2 提升水利公共管理和社会服务能力

泵站资料收集和信息整理主要以人工为主，不仅影响灌溉管理水平的提升，而且相关人员不能及时掌握灌区实时供水情况，需要进行管理改革，改进灌区管理手段，用信息化、自动化手段代替人工操作，提升水利公共管理和社会服务能力。

2.2.3 促进灌区现代化发展

为实现“传统水利向现代化水利转变、粗放用水向精细化用水转变”，推动现代化灌区建设进程，应采用灌区测控一体化技术，提升灌区管理和运行的信息化水平，促进灌区现代化发展。

3 测控一体化技术概述

3.1 主要功能

测控一体化闸门采用了轻量化结构设计，集光伏能源管理、运动控制、水位采集、流量计量、远程数据传输及控制等功能为一体，以实现渠道灌溉用水的精确控制和管理。闸门分流保护和闸门卡滞保护两种，在荷载过大或闸门有异物阻挡时，可自行启动保护功能，达到保护设备的作用。

3.2 操作模式

操作模式主要有远程控制、现地操作和紧急制动3 种，可满足多种条件下的操作需求，极大减轻配水人员的劳动强度和工作压力，提高工作效率。

3.3 控制模式

控制模式分为恒定流量控制模式和闸位控制模式两种。恒定流量控制模式属于流量精确控制，通过闸板上下调节，始终将流量控制在设定范围内，可实现对全渠道流量的实时监控，稳定下游泵站机组运行的最优水位。闸位控制模式，适用于闸前干渠水位和泵站前池水位稳定的情况。应用闸位控制模式需要考虑多个影响因素，泵站水调员需要实时监测下游泵站前池水位，以此决定测控一体化闸门的配水流量。

3.4 技术优势

测控一体化的优势如下。①测量精度高。测控一体化闸门流量不受干渠水位变化的影响，在设定流量后，当干渠水位上下变化时，系统自动启闭闸门，从而稳定过水流量，保证设定流量不变，提高测量精度。②操作方便。一是测控一体化分为远程控制和现地控制两种方式，配水人员可远程或现地操控启闭闸门，进行水量调配；二是测控一体化闸门计量数据支持多种查看方式，方便管理单位和用水户及时了解水量。③反应迅速。配水人员发出操控指令，测控一体化闸门2 秒左右即可动作，节约操作时间，降低劳动强度。④异常报警。测控一体化闸门发生故障时，设备会显示故障警告信号，通知维修人员进行故障处理。

4 测控一体化技术应用分析

4.1 测控一体化闸门运行效果分析

测控一体化闸门投入运行后，实现了闸门的现地控制和远程控制能，但自动计量与实际流量存在一定偏差。

当斗口配水流量恒定不变时，在清水期有29 座斗口测控一体化闸门计量数据较稳定、准确，基本符合要求，占比23.39%；在浑水期有26 座斗口测控一体化闸门计量数据较稳定、准确，基本符合要求，占比20.97%。而全年始终准确的斗口只有10 台，占比8.06%。

若斗口配水流量发生变化，有21 座斗口测控一体化闸门计量数据较稳定、准确，基本符合要求，占比16.94%。流量变化时数据存在不稳定、偏差较大的问题，主要原因是测控一体化设备数据计算存在偏差，对干渠水位条件、水质及环境条件等没有综合考虑，导致在流量变化后，计算出现偏差。

运行结果表明，设备控制功能全部能够实现，但自动计量数据不稳定，流量上下变幅值较大，配水流量值或水质发生变化时，计量偏差值较大。

4.2 精度影响因素

（1）设备自身的测量精度。配水流量在同一流量状态下，对设备计量进行校测调整，如流量不变，计量数据则较为稳定准确。若配水流量值发生变化，测控一体化数据与实际数据偏差较大，如表1 所示。

（2）含沙量增大，水由清水变为浑水影响较大。同一个配水流量下，清水期和浑水期设备计量数据偏差大，如表2 所示。

表1 流量变化时数据对比

表2 清水期和浑水期测流数据对比

（3）梢段干渠一体化闸门测箱淤积对精准度影响较大。稍段干渠因流量小，测箱产生淤积，过水断面减小，导致流量偏差较大。

4.3 存在的问题

①在末级渠道，存在闸门测箱容易淤积、水深淹没不住箱体的问题，从而使设备计量与量水堰计量有较大偏差。②远程操作时，由于网络延迟、设备自身系统和软件设计等因素影响，造成闸门控制延迟和现地运行情况不明确，出现配水流量过大、系统不显示流量的现象。③测控一体化闸门计量的流量不稳定，上下波动较大，特别是发生斗变时，流量数据误差变大，经过厂家多次调整后，才能继续使用，但随着时间推移，误差又继续扩大，不具备完全投入应用的条件。④由于软件、设备自身和运营商等因素影响，存在设备不定期掉线的问题。⑤测量精度影响因素多，测量数据误差大，暂不能作为水费计收的依据。⑥设备后期运维费用高，且不确定因素多，后续资金无法保障。⑦以泵站为基础架设本地服务器，架设成本高，运行效率低，运维成本高。

5 测控一体化闸门应用建议

通过一年多的运行试验，测控一体化闸门虽然在功能上实现了远程自动控制和水量计量，但是在精确计量上还存在一定偏差，主要是因为设备技术水平低、抗干扰能力弱、环境影响因素大。测控一体化闸门颠覆了灌区群众对水量计量的认知，在后期的投入运行中势必会受到灌区群众不认可和不信任。对此，本文提出以下建议。

一是采用测控分体式闸门。测控分体式闸门适合各种条件的斗口，较为符合固海扬水灌区实情。因测控分体式闸门测流原理基于无喉道量水堰测流原理，数据稳定，与量水堰计量完全一致，更容易被灌区群众接受。

二是采用云平台、物联网等现代化技术手段。在现代化灌区建设进程中，要依赖云计算、物联网和大数据等技术，推进智慧水利建设。在2018 年量测水改造时，固海扬水灌区了采用本地服务器，受成本高、运维难、带宽小等因素影响，闸控系统服务效率低、反应慢。在以后的改造中，要依托水利云平台、物联网等技术，推进固海现代化、信息化和智慧灌区的建设。

三是探索智慧灌溉新平台。要通过量测水信息化改造服务于智慧灌溉系统，结合智能化泵站改造、梯级调度模型建立，打造全渠道控制系统，并以全渠道控制系统为主体，建立固海灌区智慧灌溉平台，以达到减员增效的目的，为固海扬水管理处水管体制改革提供方向。

6 结语

测控一体化技术作为测量水领域的新技术，为测量水技术的推陈出新指明了方向，也是未来水利计量的必由之路。固海扬水灌区也向建设现代化灌区迈出了重要一步，但是受限于测控一体化技术水平，灌区在测控一体化闸门的管理上只限于操作，计量还不可靠，统计数据不能作为水费计收的依据。测控一体化闸门的测、控功能仅仅实现了低精度测量，还需要向更高标准、更深层次、更高稳定性方面继续提升。