多泥沙介质一体化测控槽闸应用研究

尤小兵

（甘肃省疏勒河流域水资源利用中心，甘肃 玉门 735211）

1 甘肃地区缺水现象严重

我国人均水资源占有量仅为世界人均占有量的1/4，是世界上水资源短缺的国家之一。而甘肃地处西北内陆干旱地区，水资源更为匮乏。最重要的原因就是自然条件限制。在地理位置上，甘肃位于蒙新、黄土、青藏3大高原的交汇点，黄河、内陆河与长江皆流经甘肃地区，西北方向与世界屋脊紧密相连，但东南方向与海洋相距甚远，其地理位置的复杂与特殊性使其地形、地貌较为多样化。而从气候风貌角度出发，甘肃地区的气候条件不甚理想，常年降雨量偏低，整体气候较为干燥，相较于全国平均降水量，甘肃年平均降水量仅为其40%，仅能达到277mm，这也使甘肃地区的农业发展较为受限，在各产业中农业生产的水资源需求量较高，当地的缺水情况并不利于庄稼种植。从水资源含量角度出发，甘肃地区的缺水水平已趋近于国际重度缺水界限，我国共32个省、直辖市与自治区，甘肃的地表水资源量排名为29 位，当地仅有1%全国地表水资源量，甘肃人均水资源占有量是全国人均占有量的1/3，是世界人均占有量的1/8，仅为1077m³。因此，水资源匮乏问题是甘肃一直以来不断钻研与功课的重要课题之一，甘肃在国家重大科技计划项目上一直保持积极争取的态度，为了更好地开发与利用全省水资源倾注了大量的人力与物力，在争取相关项目时会自筹资金，在建设引黄灌区水利基础设施时当地也做出了极大的投入，当地政府一直致力于建设节水型社会，通过长期的努力也取得了优异的成绩。

疏勒河是我国内陆河流域之一，该流域范围内应降水量低而导致水资源匮乏，该流域中的昌马灌区主要以传统灌溉形式为主，在总用水量中有约93%用于农业，工业用水万元产值耗水定额与农业灌溉定额相对较高，这导致水的效益及利用率并不理想。近些年来，灌区内不断进行城镇化、工业化与生态化建设，经济社会形态不断转变与发展，这导致其水资源供需矛盾不断恶化，灌区必须通过现代化建设打造节水型社会，更加科学合理地对水资源进行配置，落实节约用水政策，实现灌区内水资源的系统治理，从而使水资源的效益与利用率得到有效地提升，助力于灌区的可持续发展，因此，昌马灌区开始积极推进现代化改造，通过项目的实施实现节约用水、提升水资源利用率。

在甘肃省范围内昌马灌区位于干旱地区，在“一带一路”规划中疏勒河流域位于丝绸之路经济带，甘肃地区作为“一带一路”的黄金节点在国家经济发展与生态安全屏障建设中都具有重要地位，为了更好地发挥区域协同发展的引导作用，为水利基础建设提供有力的支撑，甘肃必须全面加强水利建设，实现水利的协调性、综合性与可持续性发展。

2 一体化测控槽闸简介

总体来说，一体化测控槽闸是一种集上下游水位监测、闸门开度监测、闸门控制于一体的顶面溢流闸门。闸门具有稳定上游水位和灵活远程启闭功能，根据上下游水位传感器的差值来计算流量，能有效避免水位波动引起的误差，采用太阳能和蓄电池为动力，控制中心通过智能软件系统进行实时动态监测。

主机系统的主要功能是自动化与信息化管理，其安装位置位于疏勒河流域水资源利用中心昌马灌区管理处南干渠灌溉管理所自动化控制室，需要完成对渠道内各控制点水位与流量的全面监测。系统还需要负责对渠道，设备的运行数据，进行系统全面的监测与记录。该应用系统共包含数据图形处理软件模块、多级报警系统、用户管理授权安全系统等多个板块，主要利用互联网接受操控与访问。在系统中，一体化测控槽闸可根据预设进行自动运作，并与上下游闸门进行联系，主机系统会按照系统需求对其中的设备展开全自动控制，必要时可通过人工对系统进行远程操控。

一体化测控闸门设备不仅需要完成流量控制闸门的工作，还需要完成流量测量仪器的工作，该设备的测量精准度较高，对流量的测量误差低于±5%，对水位与闸位的测量误差低于±0.5mm。该系统的主要动力来源于太阳能，对上下游水位的测量主要通过高精度超声波水位感应器完成，对流量的计算具有独特的计算程式，如数码式闸位值计算，对闸门信息的测控通过无线电遥测系统监控完成。

该系统可以对上下游水位展开精准控制，并且能够对渠道工作与运行状况展开智能化模拟，利用智能控制软件可以将渠道内的所有监控点连接成为监控网络，并在灌溉系统运行过程中通过不断的自我调节使其保持最佳状态。该系统已全渠道自动化计算机控制系统替代了传统灌溉模式中的人工控制策划的明渠系统，降低了灌溉用水的损失率，提高了控制系统的反应速度与灵活性。

2.1 现场信息和闸门信息监控功能

该系统能够对闸门运行状态、开启高度与上下游水位进行自动采集与传输，利用远程数据通信网将相关信息传递给控制中心，控制中心在接收数据后会在计算机屏幕中自动生成动态图形，便于操作人员完成实时监视。该系统还会将过闸门的运行状态、显示数据与故障情况以表格、文字、图形等多种形式展现在系统中。其中包括的内容有：闸门开度和预设值、闸门上下水位和预设值、闸门运行状态、太阳能驱动系统状态、电池状态、闸门启闭机状态、当前流量、累计流量各种故障。

2.2 数据查询功能

该系统应对历史与实施数据进行全面的记录与保存，能够随时调取与查询相关数据，并且应该具备数据趋势图处理软件。在系统中应该能够通过操作员信息、闸门号、时间查阅历史操作数据；通过故障内容、时间查阅故障数据；通过闸门号、时间查阅该闸门一系列流量数据；通过闸门号、时间查阅该闸门历史开度。

2.3 渠水流失检测功能

以2个相邻节制闸点为单位，加之串联二者的渠道共同组成水池，水池的流入水量为上游闸门流量，流出水量为下游闸门流量与分水闸流量，利用水平衡模型对水池的流失水量进行计算，根据计算结果制定科学的渠道修补计划。

2.4 报警和紧急处理功能

报警和紧急处理功能是渠道自动化监控系统必需的功能。在闸门运行过程中通过现场控制单元实时监测设备运行状态，一旦系统发生故障，系统会立即根据警报级别和通报程序通过一系列方式报警并能够自动或手动终止当前运行。其主要报警内容如下：现场设备名称、数据点描述、数据点的值、数据点的记录时间、报警状态、报警发生时间、报警确认状态、报警确认时间、报警总次数、报警优先级别。

2.5 一体化测控槽闸操作功能

一体化测控槽闸在运行过程中可进行自动控制操作、锁定操作与手动操作的不断切换，即可进行远程操作也可进行本地操作。操作人员可利用SCADA 联通应用软件对槽闸完成远程操作，也可利用闸门控制台对槽闸完成本地操作，二者皆需通过授权使用，操作过程中皆需开启记录功能，为了使系统的安全性可以得到保障，应对系统进行权限分级，根据不同权限设定相应级别的密码，通过输入不同级别的密码获取使用权限。操作人员在输入操作指令时需先输入正确的用户名与密码才可以使输入的参数与按钮起效。一体化测控闸门的控制模式包括：

（1）流量控制。以流量恒定不变为标准，根据渠道供水要求进行闸门开度的自动控制。

（2）上游或下游水位控制。以水为恒定不变为标准，根据渠道供水要求进行闸门开度的自动控制。

（3）闸位控制。以闸门保持预定位置为标准，进行闸门的自动调节。

（4）紧急控制。在遭遇紧急意外时自动采取急停处理。

3 疏勒河流域简介

疏勒河流域的地理位置为甘肃省河西市，处于河西走廊西侧，河域总面积为4.13 万平方公里，是一个百万亩以上的大型自流灌区。该流域内可实现47 ～63mm 的年平均降水量，多年来保持2897 ～3040mm 的年蒸发量，气候类型为典型的内陆干旱性气候，全年平均温度为6.9～8.8℃。疏勒河流域一直是甘肃省水利建设的重点区域，其流域内所建设的水利工程规模较大，伴随着疏勒河综合开发项目的建设与完工，该流域的骨干工程体系已初见雏形，该体系实现蓄、调、排的整合调动。2012 年以来，灌区在续建配套及节水改造实施过程中，分批引进一体化测控槽闸共75 孔，安装在南干渠系各支斗农口，覆盖灌溉面积7.38 万亩、骨干工程52.92 公里，真正实现了从干渠渠首到田间地头的全覆盖。

4 泥沙介质对水位传感器的影响

传感器正常工作是一体化测控槽闸正常可靠运行的基础和重要保障，加强对传感器的清洗维护工作是确保自动化一体化测控槽闸长期稳定运行的前提。自2012 年一体化测控槽闸引进安装运行至今，流量不显示、流量不准确等由传感器出现问题引起的一系列故障一直困扰和影响着设备的安全运行，因此，一直把传感器故障问题作为闸门日常维护的重中之重。

根据调查发现，泥沙大、水质差，是造成传感器故障的主要因素。闸门传感器的清洗维护也成为日常运行管护的主要工作，而对于传感器的清洗维护也是停留在断电抽拔人工维护阶段，并未探索研究自动清洗或快速高效清洗功能，而且其他灌区闸门保护外壳更加厚重不方便，传感器的清洗维护任务变得异常繁重。

在测控的过程中出现测量不精准问题的主要原因之一是水位传感器故障，它是测控配件中较为重要的组成部分，当其产生故障后容易导致测量结果偏大或偏小。而在讯期阶段，流入渠道的水量增大，其中的泥沙含量也会增大，传感器出现故障的可能性更高，常常会出现水位测量不准确或测量水位结果不变化等问题。因此，传感器清洗问题就成了管理运行的主要问题，需要频繁的对传感器进行清洗，严重增加了管理人员的劳动强度。其次，传感器会出现无症状失灵，造成闸门全开，严重影响到渠道安全运行。疏勒河水源为河水，泥沙较多，闸前闸后泥沙淤积影响闸门运行，甚至导致闸门无法运行。

5 针对泥沙影响，实现自动清洗的努力方向

在国内外鲜有关于一体化测控槽闸传感器清洗维护技术研究报道的背景下，需要对一体化传感器故障问题进行深入系统研究，针对传感器故障问题，全面分析其原因，开展对传感器清洗维护技术研究。通过初期的对现有保护外壳的优化设计改造，进一步探索外置的高压水冲洗设备和高效的自动反冲洗装置，最终解决传感器不显示、不准确的故障问题。具体主要研究内容有：

（1）通过研究传感器所在的卡槽，研究传感器测量水位的原理，分析造成传感器不显示流量和计量不准确的原因，根据问题的本质，初步提出传感器清洗的不同方案和设计规划。

（2）通过对现有保护外壳进行评估分析，不断优化设计方法和进行现场试验，提出更加合理的改进方案，最终改造出方便快捷的保护外壳。

（3）针对传感器清洗维护存在的问题，探索研究一种可行的、快速的、高效的高压外带水冲洗装置，通过不断的压力水的冲洗，实现对卡槽和传感器的清洗维护。

（4）结合前期的改造措施和方案，联合潞碧垦公司技术人员，针对老化的传感器卡槽开展更新工作，实现全范围的升级与改造，在闸门装置处增添自动清洗设备，用其自带的电源设备供应动力，使闸门能够实现自动反冲洗。

6 结语

综合测控设备的设计与使用是为了有效地提高当地的灌溉管理能力，促进当地水利现代化发展，直接或间接带动当地经济进步，应用综合测控设备的地区应结合区域特点进行设备与系统的设计，积极打造现代生态灌区，提高设计的合理性与科学性，选择适宜的设备类型与型号，在提高设备安装与运行安全性的同时降低维护管理难度，从整体角度出发对综合测控设备楼进行规划与设计，在建设生态灌区时应秉承“灌溉条件充分、灌溉工程完整、运行良好、集中管理、集中衔接”的原则，通过现代化的计量技术和控制手段，提高了灌区的计量和控制水平。