灌溉中干渠直開口單控閘門遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的改造

賀 財(cái)

寧夏福寧工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，寧夏銀川 750002

1 項(xiàng)目背景

以習(xí)近平新時(shí)代中國特色社會(huì)主義思想為指導(dǎo)，全面貫徹黨的十九大和十九屆二中、三中、四中、五中全會(huì)精神和習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上的重要講話精神，牢固樹立創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念，圍繞保障糧食安全和水安全，以健全農(nóng)業(yè)水價(jià)形成機(jī)制為核心，落實(shí)節(jié)水優(yōu)先方針，促進(jìn)水資源節(jié)約和可持續(xù)利用，深化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，提高農(nóng)業(yè)用水效率，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供有力的支撐。

按照寧夏回族自治區(qū)的安排部署，通過未來幾年的努力建設(shè)，到2025年全面建立健全合理反映供水成本、有利于節(jié)水的農(nóng)田水利工程管理體制機(jī)制，與投融資體制相適應(yīng)的農(nóng)業(yè)水價(jià)形成機(jī)制。農(nóng)業(yè)用水價(jià)格總體達(dá)到運(yùn)行維護(hù)成本，經(jīng)營性水利工程水價(jià)達(dá)到完全成本水平，分類水價(jià)普遍實(shí)行。農(nóng)田水利設(shè)施配套完善，農(nóng)業(yè)水權(quán)制度健全，農(nóng)業(yè)用水總量和定額管理普遍實(shí)行；完成小型水利工程產(chǎn)權(quán)制度改革，建立農(nóng)田水利工程良性運(yùn)行機(jī)制，農(nóng)民用水組織健全、運(yùn)行高效。為實(shí)現(xiàn)這一總體目標(biāo)，全區(qū)各大干渠和水利管理單位對(duì)灌區(qū)內(nèi)的水利設(shè)施、現(xiàn)狀水價(jià)、信息自動(dòng)化建設(shè)等進(jìn)行了深度調(diào)研分析，并積極規(guī)劃改造建設(shè)。

2 項(xiàng)目基本情況

自 2018 年以來，寧夏回族自治區(qū)已將利通區(qū)、賀蘭縣等作為引黃灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)的試點(diǎn)先行先試。對(duì)境內(nèi)東干渠、秦渠、漢渠、唐徠渠、惠農(nóng)渠等大干渠直開口進(jìn)行測(cè)控設(shè)備改造，按照控制灌溉面積規(guī)模大小方式對(duì)灌區(qū)田間支渠斗口進(jìn)行測(cè)控、單控、區(qū)間計(jì)量等多種形式的改造，為實(shí)現(xiàn)全區(qū)域現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)打下硬件基礎(chǔ)。

七星渠自中衛(wèi)市黃河申家灘南岸取水，屬無壩引水，建于公元前 100年，目前干渠最大引水能力58 m3/s，年引水量8.88億 m3，干渠全長87.6 km，擔(dān)負(fù)著七星渠灌區(qū)以及固海揚(yáng)水、紅寺堡揚(yáng)水、固海擴(kuò)灌三大揚(yáng)水灌區(qū)農(nóng)田灌溉的供水任務(wù)，并且灌區(qū)內(nèi)有同心、紅寺堡、海原等貧困縣區(qū)，七星渠在灌區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著舉足輕重的作用。

七星渠為傍山渠道，建有處、所、段、點(diǎn)、農(nóng)場(chǎng) 30 處。截至2018 年底，七星渠已建干渠直開口589座、進(jìn)水閘7座、退水閘18座、節(jié)制閘11座，渡槽15座、涵洞17座、險(xiǎn)工段26處、山洪溝道23條（其中 5 條山洪溝道直接入渠），完備的灌區(qū)工程設(shè)施為灌溉供水和防汛兩大任務(wù)奠定了良好工程措施基礎(chǔ)。歷年續(xù)建配套工程對(duì)部分渠道進(jìn)行了砌護(hù)和擴(kuò)整改造，對(duì)改善渠道運(yùn)行狀況，提高水資源的有效利用，起到了顯著作用。

近年來，管理處深入調(diào)研，統(tǒng)籌謀劃，在信息化建設(shè)上面下足功夫，實(shí)現(xiàn)“處、所、段”三位一體的互聯(lián)網(wǎng)全覆蓋，借助寧夏水利信息化公共應(yīng)用平臺(tái)，大力推廣公文處理系統(tǒng)，提升辦文效率，實(shí)現(xiàn)無紙化辦公。七星渠2014年已建成水位遙測(cè)站77處，2018年完成19座水閘、5座直開口自動(dòng)化改造，2019年完成6座水閘、41座直開口、3座小揚(yáng)水站、2處測(cè)水?dāng)嗝孀詣?dòng)化改造。對(duì)七星渠管理處管控中心及恩和管理所設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，在七星渠已建的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，借鑒和融合其他管理處已有的信息資源和軟件平臺(tái)，完善、整合、優(yōu)化七星渠灌區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化管理應(yīng)用平臺(tái)，為管理處推進(jìn)“現(xiàn)代化灌區(qū)”打下了基礎(chǔ)。但灌區(qū)自動(dòng)化覆蓋率仍不足15%，信息化管理平臺(tái)還需要進(jìn)一步完善。由于傳統(tǒng)的管理模式和現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)需求不相適應(yīng)，已實(shí)施現(xiàn)代化設(shè)施和現(xiàn)狀的管理平臺(tái)不匹配，因此不能發(fā)揮高效作用，急需改進(jìn)。管理處對(duì)灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)愿望十分強(qiáng)烈，需求十分迫切。

3 工程任務(wù)

2021年農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革，七星渠量測(cè)水設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目主要針對(duì)灌區(qū)直開口計(jì)量配套水平低、管理手段落后、自動(dòng)化程度低等問題進(jìn)行改造，提高農(nóng)業(yè)用水計(jì)量水平，節(jié)約用水，建立現(xiàn)代化信息管理系統(tǒng)。為落實(shí)七星渠灌區(qū)的引水總量控制目標(biāo)，以保障水資源科學(xué)調(diào)度、防汛供水安全、管理現(xiàn)代化及信息智能化為出發(fā)點(diǎn)，以遙測(cè)技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)手段為依托，建設(shè)七星渠灌區(qū)干渠水閘自動(dòng)化和直開口自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，為灌區(qū)調(diào)度配水決策提供數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)信息化、自動(dòng)化、智能化管理的目標(biāo)，全面提升灌區(qū)水資源調(diào)度管理自動(dòng)化及信息化水平。

在此次改造項(xiàng)目中，七星渠應(yīng)用了一種新型的直開口閘門遠(yuǎn)程測(cè)控改造方案，在無需拆除現(xiàn)有八字口和閘板的情況下，實(shí)現(xiàn)舊閘門的遠(yuǎn)程控制改造。此方案大幅縮減了舊閘改造的成本，經(jīng)過一年的運(yùn)行，目前各方面狀況良好。

4 直開口閘門遠(yuǎn)程測(cè)控改造方案

4.1 測(cè)控系統(tǒng)的工作原理及構(gòu)造布局

圖1為測(cè)控系統(tǒng)工作原理圖。

圖1 測(cè)控系統(tǒng)工作原理圖

圖2為測(cè)控系統(tǒng)外觀和內(nèi)部元件布局圖。

圖2 干渠直開口遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)布局圖

閘門控制柜為防止未授權(quán)人員誤動(dòng)，設(shè)計(jì)為封閉門結(jié)構(gòu)。外門上有安裝有防撬鎖具，內(nèi)有折疊式觸摸屏操作面板，供操作人員正常操作使用。

閘門控制柜內(nèi)部為控制元件、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及數(shù)據(jù)通信設(shè)備，部分元件帶交流電或保護(hù)整定功能，非專業(yè)人員禁止進(jìn)行線路改動(dòng)和參數(shù)設(shè)定。

4.2 供電單元

系統(tǒng)供電單元采用光伏發(fā)電、鋰電池蓄電的方案。太陽能電池板為2塊100 W串聯(lián)方式，由太陽能控制器將電能轉(zhuǎn)換、輸送至鋰電池進(jìn)行存儲(chǔ)。鋰電池采用2塊24 V/20 Ah并聯(lián)方式，為柜內(nèi)控制器、網(wǎng)關(guān)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電。

4.3 控制單元

控制單元由觸摸屏、PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)等組成（圖3）。

圖3 觸摸屏畫面示例

觸摸屏用以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可實(shí)時(shí)展現(xiàn)系統(tǒng)各單元的運(yùn)行工況，且便于用戶進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、報(bào)警確認(rèn)等操作。

PLC為系統(tǒng)關(guān)鍵部件，用以接收觸屏或遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)發(fā)送的控制指令，并將指令進(jìn)行處理后發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制目標(biāo)。

4.4 通訊單元

通訊單元由4G網(wǎng)關(guān)、微波天線及4G通訊卡等組成。

網(wǎng)關(guān)插卡后可主動(dòng)連接至七星渠管理處物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并將PLC采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)上報(bào)至平臺(tái)，同時(shí)可接收平臺(tái)端發(fā)送的控制指令給PLC，從而實(shí)現(xiàn)閘門的遠(yuǎn)程測(cè)控。

4.5 采集單元

采集單元由PLC、觸摸屏、雷達(dá)流量計(jì)等組成。

PLC通過自帶的RS-485通訊端口與雷達(dá)流量計(jì)建立通訊，實(shí)時(shí)讀取流量計(jì)的測(cè)量和計(jì)量值發(fā)送給平臺(tái)端。觸摸屏可對(duì)流量計(jì)進(jìn)行本地可視化操作。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果評(píng)價(jià)

5.1 施工成本

從經(jīng)濟(jì)方面考慮，在直開斗口上新建一套“單控”一體化閘門，勞力、材料、設(shè)備及小型機(jī)具等投入較多，且施工周期長、施工成本較高；如采用此改造方案，可利用原有斗口舊閘板、八字口等保存較好的設(shè)施，在此基礎(chǔ)上改造建設(shè)遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)，此方案的實(shí)施減少了勞力、節(jié)省了材料、設(shè)備等的投入，又大大縮短了施工工期，減少了與之相對(duì)應(yīng)的措施費(fèi)，如后期混凝土養(yǎng)護(hù)、模板安裝及拆除等，成本較拆除原有斗口進(jìn)行新建一體化閘門大幅度降低。以七星渠直開口單控閘門改造項(xiàng)目為例，新建一座（A=600，單控，板閘）一體化斗口閘門投資為7.76萬元，采用本技術(shù)方案改造投資為3.14萬元，節(jié)省成本資金4.62萬元（表1）。

表1 新建測(cè)控一體化閘門與改造閘門經(jīng)濟(jì)比較

5.2 施工機(jī)械及勞力

新建一體化斗口閘門施工需要的工種有鋼筋工、架子工、木工及普工，施工現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械、設(shè)備需配置混凝土攪拌機(jī)、鋼筋切割機(jī)、鋼筋彎曲機(jī)、木工多用機(jī)床、電鋸、電焊機(jī)、插入式振動(dòng)搗固器等。改造斗口閘門因保留了八字口及舊閘板，施工現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)模板、加工鋼筋較少，只需配備少量的司機(jī)、抹灰工及普工。無須配備大量的機(jī)械設(shè)備。大幅度降低了臨時(shí)用地和縮減了施工人員，節(jié)省了施工現(xiàn)場(chǎng)管理費(fèi)。

5.3 水土及環(huán)境保護(hù)

改造斗口閘門減少了建筑工程的施工，無須將大量施工材料運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，不需要較大的臨時(shí)場(chǎng)地，減少了對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境破壞；拌和混凝土的需求量較少，相應(yīng)減少了施工產(chǎn)生的廢水，降低了施工噪聲對(duì)周邊居民的影響；改造斗口閘門施工現(xiàn)場(chǎng)使用的施工機(jī)械和施工人員較少，產(chǎn)生的機(jī)修費(fèi)油、生活污水量也相對(duì)較少。

6 總結(jié)

此研究的技術(shù)方案在七星渠直開口改造項(xiàng)目上的成功應(yīng)用及建設(shè)，使該灌域灌溉條件得到改善。采用高新技術(shù)，優(yōu)化灌區(qū)配水調(diào)度，建立現(xiàn)代化信息管理系統(tǒng)，合理利用現(xiàn)有水資源，科學(xué)配置和完善灌溉設(shè)施，使灌溉渠系配水系統(tǒng)的智能化、農(nóng)業(yè)用水計(jì)量的精準(zhǔn)化，信息化覆蓋達(dá)到一定的提升。提高農(nóng)業(yè)用水計(jì)量水平，節(jié)約用水，建立現(xiàn)代化信息管理系統(tǒng)，以點(diǎn)帶面、推廣實(shí)施，可將本技術(shù)方案推廣到其他支、干渠直開口的改造實(shí)施。