多泥沙介質一體化測控槽閘應用研究

尤小兵

（甘肅省疏勒河流域水資源利用中心，甘肅 玉門 735211）

1 甘肅地區(qū)缺水現象嚴重

我國人均水資源占有量僅為世界人均占有量的1/4，是世界上水資源短缺的國家之一。而甘肅地處西北內陸干旱地區(qū)，水資源更為匱乏。最重要的原因就是自然條件限制。在地理位置上，甘肅位于蒙新、黃土、青藏3大高原的交匯點，黃河、內陸河與長江皆流經甘肅地區(qū)，西北方向與世界屋脊緊密相連，但東南方向與海洋相距甚遠，其地理位置的復雜與特殊性使其地形、地貌較為多樣化。而從氣候風貌角度出發(fā)，甘肅地區(qū)的氣候條件不甚理想，常年降雨量偏低，整體氣候較為干燥，相較于全國平均降水量，甘肅年平均降水量僅為其40%，僅能達到277mm，這也使甘肅地區(qū)的農業(yè)發(fā)展較為受限，在各產業(yè)中農業(yè)生產的水資源需求量較高，當地的缺水情況并不利于莊稼種植。從水資源含量角度出發(fā)，甘肅地區(qū)的缺水水平已趨近于國際重度缺水界限，我國共32個省、直轄市與自治區(qū)，甘肅的地表水資源量排名為29 位，當地僅有1%全國地表水資源量，甘肅人均水資源占有量是全國人均占有量的1/3，是世界人均占有量的1/8，僅為1077m3。因此，水資源匱乏問題是甘肅一直以來不斷鉆研與功課的重要課題之一，甘肅在國家重大科技計劃項目上一直保持積極爭取的態(tài)度，為了更好地開發(fā)與利用全省水資源傾注了大量的人力與物力，在爭取相關項目時會自籌資金，在建設引黃灌區(qū)水利基礎設施時當地也做出了極大的投入，當地政府一直致力于建設節(jié)水型社會，通過長期的努力也取得了優(yōu)異的成績。

疏勒河是我國內陸河流域之一，該流域范圍內應降水量低而導致水資源匱乏，該流域中的昌馬灌區(qū)主要以傳統(tǒng)灌溉形式為主，在總用水量中有約93%用于農業(yè)，工業(yè)用水萬元產值耗水定額與農業(yè)灌溉定額相對較高，這導致水的效益及利用率并不理想。近些年來，灌區(qū)內不斷進行城鎮(zhèn)化、工業(yè)化與生態(tài)化建設，經濟社會形態(tài)不斷轉變與發(fā)展，這導致其水資源供需矛盾不斷惡化，灌區(qū)必須通過現代化建設打造節(jié)水型社會，更加科學合理地對水資源進行配置，落實節(jié)約用水政策，實現灌區(qū)內水資源的系統(tǒng)治理，從而使水資源的效益與利用率得到有效地提升，助力于灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，因此，昌馬灌區(qū)開始積極推進現代化改造，通過項目的實施實現節(jié)約用水、提升水資源利用率。

在甘肅省范圍內昌馬灌區(qū)位于干旱地區(qū)，在“一帶一路”規(guī)劃中疏勒河流域位于絲綢之路經濟帶，甘肅地區(qū)作為“一帶一路”的黃金節(jié)點在國家經濟發(fā)展與生態(tài)安全屏障建設中都具有重要地位，為了更好地發(fā)揮區(qū)域協(xié)同發(fā)展的引導作用，為水利基礎建設提供有力的支撐，甘肅必須全面加強水利建設，實現水利的協(xié)調性、綜合性與可持續(xù)性發(fā)展。

2 一體化測控槽閘簡介

總體來說，一體化測控槽閘是一種集上下游水位監(jiān)測、閘門開度監(jiān)測、閘門控制于一體的頂面溢流閘門。閘門具有穩(wěn)定上游水位和靈活遠程啟閉功能，根據上下游水位傳感器的差值來計算流量，能有效避免水位波動引起的誤差，采用太陽能和蓄電池為動力，控制中心通過智能軟件系統(tǒng)進行實時動態(tài)監(jiān)測。

主機系統(tǒng)的主要功能是自動化與信息化管理，其安裝位置位于疏勒河流域水資源利用中心昌馬灌區(qū)管理處南干渠灌溉管理所自動化控制室，需要完成對渠道內各控制點水位與流量的全面監(jiān)測。系統(tǒng)還需要負責對渠道，設備的運行數據，進行系統(tǒng)全面的監(jiān)測與記錄。該應用系統(tǒng)共包含數據圖形處理軟件模塊、多級報警系統(tǒng)、用戶管理授權安全系統(tǒng)等多個板塊，主要利用互聯(lián)網接受操控與訪問。在系統(tǒng)中，一體化測控槽閘可根據預設進行自動運作，并與上下游閘門進行聯(lián)系，主機系統(tǒng)會按照系統(tǒng)需求對其中的設備展開全自動控制，必要時可通過人工對系統(tǒng)進行遠程操控。

一體化測控閘門設備不僅需要完成流量控制閘門的工作，還需要完成流量測量儀器的工作，該設備的測量精準度較高，對流量的測量誤差低于±5%，對水位與閘位的測量誤差低于±0.5mm。該系統(tǒng)的主要動力來源于太陽能，對上下游水位的測量主要通過高精度超聲波水位感應器完成，對流量的計算具有獨特的計算程式，如數碼式閘位值計算，對閘門信息的測控通過無線電遙測系統(tǒng)監(jiān)控完成。

該系統(tǒng)可以對上下游水位展開精準控制，并且能夠對渠道工作與運行狀況展開智能化模擬，利用智能控制軟件可以將渠道內的所有監(jiān)控點連接成為監(jiān)控網絡，并在灌溉系統(tǒng)運行過程中通過不斷的自我調節(jié)使其保持最佳狀態(tài)。該系統(tǒng)已全渠道自動化計算機控制系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)灌溉模式中的人工控制策劃的明渠系統(tǒng)，降低了灌溉用水的損失率，提高了控制系統(tǒng)的反應速度與靈活性。

2.1 現場信息和閘門信息監(jiān)控功能

該系統(tǒng)能夠對閘門運行狀態(tài)、開啟高度與上下游水位進行自動采集與傳輸，利用遠程數據通信網將相關信息傳遞給控制中心，控制中心在接收數據后會在計算機屏幕中自動生成動態(tài)圖形，便于操作人員完成實時監(jiān)視。該系統(tǒng)還會將過閘門的運行狀態(tài)、顯示數據與故障情況以表格、文字、圖形等多種形式展現在系統(tǒng)中。其中包括的內容有：閘門開度和預設值、閘門上下水位和預設值、閘門運行狀態(tài)、太陽能驅動系統(tǒng)狀態(tài)、電池狀態(tài)、閘門啟閉機狀態(tài)、當前流量、累計流量各種故障。

2.2 數據查詢功能

該系統(tǒng)應對歷史與實施數據進行全面的記錄與保存，能夠隨時調取與查詢相關數據，并且應該具備數據趨勢圖處理軟件。在系統(tǒng)中應該能夠通過操作員信息、閘門號、時間查閱歷史操作數據；通過故障內容、時間查閱故障數據；通過閘門號、時間查閱該閘門一系列流量數據；通過閘門號、時間查閱該閘門歷史開度。

2.3 渠水流失檢測功能

以2個相鄰節(jié)制閘點為單位，加之串聯(lián)二者的渠道共同組成水池，水池的流入水量為上游閘門流量，流出水量為下游閘門流量與分水閘流量，利用水平衡模型對水池的流失水量進行計算，根據計算結果制定科學的渠道修補計劃。

2.4 報警和緊急處理功能

報警和緊急處理功能是渠道自動化監(jiān)控系統(tǒng)必需的功能。在閘門運行過程中通過現場控制單元實時監(jiān)測設備運行狀態(tài)，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)會立即根據警報級別和通報程序通過一系列方式報警并能夠自動或手動終止當前運行。其主要報警內容如下：現場設備名稱、數據點描述、數據點的值、數據點的記錄時間、報警狀態(tài)、報警發(fā)生時間、報警確認狀態(tài)、報警確認時間、報警總次數、報警優(yōu)先級別。

2.5 一體化測控槽閘操作功能

一體化測控槽閘在運行過程中可進行自動控制操作、鎖定操作與手動操作的不斷切換，即可進行遠程操作也可進行本地操作。操作人員可利用SCADA 聯(lián)通應用軟件對槽閘完成遠程操作，也可利用閘門控制臺對槽閘完成本地操作，二者皆需通過授權使用，操作過程中皆需開啟記錄功能，為了使系統(tǒng)的安全性可以得到保障，應對系統(tǒng)進行權限分級，根據不同權限設定相應級別的密碼，通過輸入不同級別的密碼獲取使用權限。操作人員在輸入操作指令時需先輸入正確的用戶名與密碼才可以使輸入的參數與按鈕起效。一體化測控閘門的控制模式包括：

（1）流量控制。以流量恒定不變?yōu)闃藴?，根據渠道供水要求進行閘門開度的自動控制。

（2）上游或下游水位控制。以水為恒定不變?yōu)闃藴?，根據渠道供水要求進行閘門開度的自動控制。

（3）閘位控制。以閘門保持預定位置為標準，進行閘門的自動調節(jié)。

（4）緊急控制。在遭遇緊急意外時自動采取急停處理。

3 疏勒河流域簡介

疏勒河流域的地理位置為甘肅省河西市，處于河西走廊西側，河域總面積為4.13 萬平方公里，是一個百萬畝以上的大型自流灌區(qū)。該流域內可實現47 ～63mm 的年平均降水量，多年來保持2897 ～3040mm 的年蒸發(fā)量，氣候類型為典型的內陸干旱性氣候，全年平均溫度為6.9～8.8℃。疏勒河流域一直是甘肅省水利建設的重點區(qū)域，其流域內所建設的水利工程規(guī)模較大，伴隨著疏勒河綜合開發(fā)項目的建設與完工，該流域的骨干工程體系已初見雛形，該體系實現蓄、調、排的整合調動。2012 年以來，灌區(qū)在續(xù)建配套及節(jié)水改造實施過程中，分批引進一體化測控槽閘共75 孔，安裝在南干渠系各支斗農口，覆蓋灌溉面積7.38 萬畝、骨干工程52.92 公里，真正實現了從干渠渠首到田間地頭的全覆蓋。

4 泥沙介質對水位傳感器的影響

傳感器正常工作是一體化測控槽閘正常可靠運行的基礎和重要保障，加強對傳感器的清洗維護工作是確保自動化一體化測控槽閘長期穩(wěn)定運行的前提。自2012 年一體化測控槽閘引進安裝運行至今，流量不顯示、流量不準確等由傳感器出現問題引起的一系列故障一直困擾和影響著設備的安全運行，因此，一直把傳感器故障問題作為閘門日常維護的重中之重。

根據調查發(fā)現，泥沙大、水質差，是造成傳感器故障的主要因素。閘門傳感器的清洗維護也成為日常運行管護的主要工作，而對于傳感器的清洗維護也是停留在斷電抽拔人工維護階段，并未探索研究自動清洗或快速高效清洗功能，而且其他灌區(qū)閘門保護外殼更加厚重不方便，傳感器的清洗維護任務變得異常繁重。

在測控的過程中出現測量不精準問題的主要原因之一是水位傳感器故障，它是測控配件中較為重要的組成部分，當其產生故障后容易導致測量結果偏大或偏小。而在訊期階段，流入渠道的水量增大，其中的泥沙含量也會增大，傳感器出現故障的可能性更高，常常會出現水位測量不準確或測量水位結果不變化等問題。因此，傳感器清洗問題就成了管理運行的主要問題，需要頻繁的對傳感器進行清洗，嚴重增加了管理人員的勞動強度。其次，傳感器會出現無癥狀失靈，造成閘門全開，嚴重影響到渠道安全運行。疏勒河水源為河水，泥沙較多，閘前閘后泥沙淤積影響閘門運行，甚至導致閘門無法運行。

5 針對泥沙影響，實現自動清洗的努力方向

在國內外鮮有關于一體化測控槽閘傳感器清洗維護技術研究報道的背景下，需要對一體化傳感器故障問題進行深入系統(tǒng)研究，針對傳感器故障問題，全面分析其原因，開展對傳感器清洗維護技術研究。通過初期的對現有保護外殼的優(yōu)化設計改造，進一步探索外置的高壓水沖洗設備和高效的自動反沖洗裝置，最終解決傳感器不顯示、不準確的故障問題。具體主要研究內容有：

（1）通過研究傳感器所在的卡槽，研究傳感器測量水位的原理，分析造成傳感器不顯示流量和計量不準確的原因，根據問題的本質，初步提出傳感器清洗的不同方案和設計規(guī)劃。

（2）通過對現有保護外殼進行評估分析，不斷優(yōu)化設計方法和進行現場試驗，提出更加合理的改進方案，最終改造出方便快捷的保護外殼。

（3）針對傳感器清洗維護存在的問題，探索研究一種可行的、快速的、高效的高壓外帶水沖洗裝置，通過不斷的壓力水的沖洗，實現對卡槽和傳感器的清洗維護。

（4）結合前期的改造措施和方案，聯(lián)合潞碧墾公司技術人員，針對老化的傳感器卡槽開展更新工作，實現全范圍的升級與改造，在閘門裝置處增添自動清洗設備，用其自帶的電源設備供應動力，使閘門能夠實現自動反沖洗。

6 結語

綜合測控設備的設計與使用是為了有效地提高當地的灌溉管理能力，促進當地水利現代化發(fā)展，直接或間接帶動當地經濟進步，應用綜合測控設備的地區(qū)應結合區(qū)域特點進行設備與系統(tǒng)的設計，積極打造現代生態(tài)灌區(qū)，提高設計的合理性與科學性，選擇適宜的設備類型與型號，在提高設備安裝與運行安全性的同時降低維護管理難度，從整體角度出發(fā)對綜合測控設備樓進行規(guī)劃與設計，在建設生態(tài)灌區(qū)時應秉承“灌溉條件充分、灌溉工程完整、運行良好、集中管理、集中銜接”的原則，通過現代化的計量技術和控制手段，提高了灌區(qū)的計量和控制水平。