远程测控智能闸门灌区推广应用研究

2024-02-21杨楠

江西水利科技 2024年1期

杨楠

（江西省水利科学院，江西南昌，330029；江西省鄱阳湖流域生态水利技术创新中心，江西南昌，330029）

0 引言

我国南方灌区农业灌溉主要采用明渠输水灌溉，干渠和支渠的量水方式主要利用渠道上的水工建筑物量水，而水工建筑物多是平板闸门控制流量，根据灌溉水量需要采用人工启闭，调节闸门开度，达到调水、量水目的，是较为简便的量水方式。由于支渠闸门数量众多，无法根据天气、作物需求进行远程操作调整配水，且人工观测精度不高，导致灌水方式粗放，农业灌溉水资源浪费较为突出[1]。为了准确、直观的掌握渠道水量状况，实现灌区信息化、精细化管理，需要采用先进的量测水技术设备，改变粗放漫灌的现状，提升水资源利用效果[2]。

远程测控智能闸门及系统是一种新型精密量测水技术，针对灌区现有渠道节制闸、分水闸、斗农口闸的工程结构闸门结构进行设计，利用新材料、新的传动技术、量测水技术、模块化设计、现代物联和自动控制技术，综合考虑结构、机械、测流、控制及远程通讯等方面的问题而研究开发。适用于灌区量水的测控一体化闸门终端，实现灌区水闸流量准确计量、远程实时监控等功效。

1 技术原理

远程测控智能闸门测流原理基于明渠测流原理与方法，将矩形平板闸门安装在渠道进水口或者分水口，通过闸控软件控制闸门的开度，调节和控制渠道的水位及流量。远程测控智能闸门及系统（见图1）由远程智能闸门终端装置、灌区调水远程控制系统及手机APP小程序等部分组成。其中闸门终端包括机械结构、控制系统、电源系统等。其工作原理是：根据灌溉用水需求，调度中心或者手机端发出指令，终端主控器接收到命令后，进行相应的执行响应，控制闸门启闭，采集闸门前后水位进行流态判别并计算流量，将现场数据上传，达到远程流量调控的目的。

图1 系统组成示意图

1.1 闸门结构

智能一体化闸门结构主要包括安装框总成、门框总成、门板、密封件、罩壳类零件和其他连接传动零部件等，门板采用轻量化设计，减小闸门提升力，降低动力能耗。闸门安装框、门框总成、门板等构件材质选用6063-T5 航空铝合金轻型材料，满足门板在水压力作用下的强度和刚度要求，门板侧面滑道接触部位采用特殊工艺处理粘贴聚四氟乙烯条[3]，止水密封性好、渗漏小、启闭摩擦系数小。

1.2 传动系统

传动系统采用“大速比蜗轮蜗杆减速机+小功率电机”的设计，降低能耗。通过步进电动机驱动减速机输入轴传递到输出轴带动双钢丝绳卷轮转动，钢丝绳牵拉提升杆使门板开启或关闭，利用蜗轮蜗杆的反向自锁性能，使门板保持开启位置不变，省去了制动器环节。蜗杆为双轴结构，两侧各连接一个卷轮，电机正转时，卷轮带动钢丝绳正向缠绕，向上提升门板，开启闸门；电机反转时，卷轮带动钢丝绳反向缠绕，向下压升降杆，产生闭门力，关闭闸门。启闭速度0.12～0.3m/min 可调，配备手动启闭装置，手动操作与自动控制一体化[4]，特殊情况下通过手摇柄进行闸门启闭操作，完成灌区灌溉作业。

1.3 驱动系统

远程测控智能闸门采用太阳能加电池驱动，供电电压为直流电压，采用二相混合式步进电机驱动，可以直接用太阳能电池供电，通过主控器对步进电机驱动脉冲的主动控制，实现闸门开度的实时精确调整与控制。

1.4 动力系统

由于灌区渠系自动控制闸门的应用环境为野外水渠，大多数情况下无法直接使用工农业电网的电能，专门架设线路的成本太高，而且对于灌区水渠分流闸门，由于闸门规格较小，开启和关闭所需能量较小，采用太阳能供电系统就可以满足整个系统的能量供给。同时配置了手动操作装置以保证极端环境或检修情况下的闸门使用。

1.5 控制系统

现场终端控制系统结构如图2 所示。采用高性价比的ARM 处理器STM32F103ZET6 作为主控芯片，包括电机控制模块、ADC 监测模块、GSM 无线通信模块、TFT 显示模块、数据存储模块等。控制主机进行闸门电机的运动控制和传感器数据采集，监测上、下游水位及闸门开度，并计算实时流量；通过RS232 接口连接GSM无线通讯模块，从而实现了闸门控制系统与远程网络服务器和手机的无线通讯，用户通过手机或网络来远程监控闸门状态，并进行分水和测流控制。

图2 闸门控制终端系统结构

1.6 软件系统

闸门终端软件系统，包括闸门自动控制、分水计量、远程通信、数据存储、人机交互等功能。操作人员可以通过闸门终端控制软件查看当前水位信息、累计流量、闸门状态以及控制闸门开度，选择分水模式等[5]。实时流量由控制系统计算并发回远程控制中心。限于篇幅，远程上位机系统及手机应用程序不再介绍。

2 应用试验

2.1 试验渠道概况

潦河灌区应用试验示范点选择西潦北干渠五支渠，干渠左岸设有支渠闸，支渠长3.31km，分水闸门进口点位于西潦北干渠桩号8+316，灌溉靖安县仁首镇两利村，灌溉面积133hm2（1995 亩）。灌溉设计流量2 m3/s；常年平均流量为0.2m3/s。在支渠进水闸下游100m 安装有无喉道量水槽测流。五支渠原先分水启闭设施为一人工铸铁闸门，采用手动螺杆控制，经过多年运行，该闸门螺杆已弯曲损坏，无法正常使用。将原先的支渠渠道进水口老闸门拆除，安装远程测控智能闸门并开展渠道流量观测。

2.2 系统安装

结合支渠原先闸门尺寸及过流流量要求，进行闸门尺寸设计及动力选择，确定闸门系统参数并进行加工生产，闸门的宽度为0.6m，门体高度为1m，采用二相混合式步进电机驱动，供电电压DC24V。五支渠进水闸门金属结构布置见图3。

图3 五支渠进水闸门金属结构安装布置图

2.3 试验方法

按照规范要求，水工建筑物量水要通过基于转子流速仪的流速—面积法获取的过流量进行率定和校准，以保证水工建筑物量水误差不超过10%。采用旋桨流速仪对远程测控智能闸门进行流量系数率定并验证测量精度[6]。

由于远程测控智能闸门是长期使用的量水装置，为验证远程测控智能闸的量水性能及准确性，对远程测控智能闸门进行流量系数率定，无喉道量水槽的测量精度校核确定后，用远程测控智能闸门和无喉道量水槽同时进行五支渠渠道流量观测，验证远程测控智能闸门的长期观测精度。根据五支渠无喉道量水槽流量观测点历年流量观测资料发现，应用点渠道流量每天变化幅度不大，比测采用提取两种量水设施每日14时的流量数据，观测精度为0.001m3/s。

2.4 流量系数率定

远程测控智能闸门设计的理论基础是将流量测量与上下游水位和闸门的控制结合成一个整体概念。在远程测控智能闸门控制系统中，闸门为平板闸门，无底坎，其过流流量的理论流量与实际流量往往不一致，甚至会有较大误差[7]。为提高远程测控智能闸门测流时的精确度，需要在投入使用前先进行常用流量范围内流量系数的率定试验。

根据五支渠灌溉用水流量资料，灌区灌溉实际应用调节流量范围多在0.1～0.4m3/s，因此选取一个低流量和一个高流量进行率定。使用流速仪在下游用流速面积法测量实际过闸流量Q实，同时将闸门开至不同高度，测出闸门开度e 和闸前水头H。计算相对开度e/H、实测流量系数μ实，并用数理统计软件进行曲线拟合，闸门自由出流工况下流量系数拟合关系式相关系数最高为二次函数拟合曲线如图4 所示。淹没出流工况流量系数拟合关系式相关系数最高的为线性函数，拟合关系如图5 所示。

图4 自由出流流量系数拟合曲线图

图5 淹没出流流量系数拟合曲线图

通过流量系数率定试验，确定了远程测控智能闸门流量系数计算公式，将率定试验确定的流量系数计算公式置入远程测控智能闸门控制系统数据库表。

3 效果分析

3.1 准确性校核情况

准确性校核主要是用流速仪进行渠道测流，用渠道不同水位与远程测控智能闸门及无喉道量水槽所测的流量进行比较，验证其量测精度。在五支渠下游选择一渠道断面，利用流速仪对其测流值进行校核，结果如表1 所示。

表1 流速仪校核结果

由表1 可知，五支渠测流结果较好，远程测控智能闸门与无喉道量水槽相对误差较小，以流速仪测流结果为真值，远程测控智能闸门相对误差最大值为3.6%，无喉道量水槽相对误差最大值为1.4%。相对于流速仪校核流量，远程智能闸测流值稍微偏大，最大偏差小于5%。

3.2 比测情况

潦河灌区西潦北干五支渠远程测控智能闸门2021年12 月安装调试完毕，3 月调试完正式投入使用，无喉道量水槽与远程测控智能闸门观测数据对比分析采用2022 年4 月1 日～2022 年10 月31 日每日14：00 的数据，共214 个观测日，提取214 组流量观测数据进行对比分析，相对误差大于5%的数据有20 组，占总数的9.3%，小于等于5%的数据有194 组，占总数的90.7%。根据比测数据，得出瞬时流量逐日过程线对比图（图6、图7 摘录部分）和线性相关关系对比图8。

图6 西潦北干五支渠2022 年6 月观测瞬时流量过程线对比

图7 西潦北干五支渠2022 年8 月观测瞬时流量过程线对比

图8 西潦北干五支渠观测瞬时流量线性相关系图

从图8 分析，观测与人工测定的水位相关关系为：Y无喉道量水槽=0.993 4X远程智能闸+0.546 2，相关系数为0.999 4，其相关线基本呈45°直线，表明远程测控智能闸门测定的瞬时流量值与无后喉道量水槽测定的瞬时流量数值线性关系良好。

3.3 比测准确性分析

对比测数据进行回归系数b、决定系数R2和均方根误差RMSE 拟合度检验计算[8]，潦河灌区西潦北干五支渠瞬时流量比测结果见表2。

表2 瞬时流量观测准确性分析表

由表2 可知，西潦北干五支渠测流平均相对误差较小，回归系数0.998 9 小于1 接近于1.0，远程智能闸测流值小于无喉道量水槽测流值，二者的测流结果接近；决定系数0.995 8 接近于1.0，表明远程智能闸与无喉道量水槽二者测流结果的有效性较高；均方根误差RMSE 为0.001 2，表明两种方法的测流结果准确。