閥式自動控制閘在灌區現代化改造的優勢探討

　　摘 要：灌區存在大量過流能力 0.1m3/s 以下的小型取水口，往往由于閘門設施簡陋、管理粗放、缺少監控而產生嚴重的水資源浪費。農業水價綜合改革要求計量用水到戶，傳統的小型取水口閘難以滿足這一要求。本文基于江西錦北灌區小型取水口的管理現狀和問題，討論分析國內外現代化自動控制閘的適用性，提出自主研發閥式遠程自動控制閘的方案。該閘型技術功能強而成本低、易于量產，可集成自動量水、遠程控制與視頻監控的一體化自動監控系統，便于安裝與維護，運行管理效率高，在小型取水口大面積自動化改造方面優勢明顯，具有推廣價值。

　　關鍵詞：閥式閘;自動測控;小型取水口;灌區

　　引言

　　錦北灌區地處江西省西北部的宜春市，橫跨錦河南北兩岸，覆蓋面積 1 624.35km2，主要灌溉高安、上高、宜豐、奉新一市三縣境內 21 個鄉鎮與農場耕地共計3.62 萬 hm(254.37 萬畝)。錦北灌區屬于多庫多壩蓄、引水大型灌區，由錦河攔河抬水壩 1 座、大(2)型水庫 1座、中型水庫 3 座、小型水庫 103 座、山塘壩 338 座、引水陂閘 4 座和錦惠干渠渠首進水閘組成，明渠系統含 16條引水干渠、55 條支渠和 535 條斗農渠，現有 0.1m3/s流量以下取水口 13 932 座。錦北灌區管理局編制人員和管理經費受到多種限制，目前難以做到對灌區水利工程全部監管到位，在技術上主要負責干渠工程管理，而干渠以下的支、斗、農渠及田間工程管理均交由歸地方政府管轄。

　　由于各支、斗、農渠的取水口缺乏高效的監控設施，用水管理較為粗放，用水矛盾突出，水資源浪費嚴重。隨著農業水價綜合改革的不斷深入，灌區的水資源管理越來越需要精細化、信息化，亟需改變渠系末端取水口及田間工程缺乏計量裝置的現狀，在不增加人員規模的情況下解決好取水口用水過程自動計量、自動控制問題，實現灌區高效管理。為此，本文即根據此項專利提出采用閥式自動控制閘進行取水口監控設施改造的方案。

　　1 現狀與問題

　　錦北灌區現狀取水口均為傳統的人工螺桿式啟閉平板閘門或手提式平板閘門，在實際運行管理過程中存在較多弊端，主要體現在以下幾個方面：

　　(1)平板閘門設施容易損壞。傳統的人工螺桿式啟閉平板閘門或手提式平板閘門均為上升式開啟，導致螺桿或提桿長期外露，又因缺少保護裝置，容易被人為破壞變形使閘門無法正常啟閉。已經提升的螺桿在關閉下行時，受行程極限影響，也容易發生螺桿頂撞彎曲變形，使閘門閉合不嚴。

　　(2)閘門啟閉難以管控。傳統閘門采用人力方式啟閉，沒有啟閉機保護設施，用水戶可隨意自由控制閘門的啟閉，往往管用不管建、管開不管關，渠水長期出流造成浪費。由于專業管理人員數量十分有限，難以對大量取水口實施長期值守監管，水資源漏失率居高不下。

　　(3)維修保養難度大。螺桿式啟閉閘的材料主要是鑄鐵與鋼板，常年裸露在外或淹沒在水下，極易銹蝕，需經常上油保養，閘門也需要定期涂抹油漆防腐。閘門結構部件多為螺絲等鎖固件，維修時更換配件過程繁瑣。為防止盜失，手提式閘的閘板封閉在閘槽內。因此，一旦閘門損壞，必須將閘室拆除后才能取出閘板進行維修或更換，然后又要重建新的閘室，費時費力。

　　(4)升級改造成本高。原有的螺桿式啟閉機均為手搖式啟閉機，未進行電動配套。如需升級改造成遠程控制設施，需增設電動機、遠程控制系統、電源系統等裝置[1]。此外，原取水口均無計量裝置，在升級改造時，還需增設管道或量水槽以及水位或流量自動采集系統，要配備電源。因此，將現有取水口的控制閘升級改造成自動計量及遠程控制閘將耗費較高的成本。以現行市場價計算，一座取水口閘的改造成本接近 3.5 萬元。

　　2 升級改造方案

　　比選為了改變灌區用水管理粗放、水閘調控計量設備簡陋的局面，同時解決現有取水口閘升級改造成本高的問題，錦北灌區管理部門積極調研升級改造方案。根據當前國內外的技術發展水平和灌區的實際情況，有幾種方案可選，各有利弊。第一種方案是引進國外先進設備。

　　發達國家渠道取水口自動測控起步早、設備先進，已經廣泛應用物聯網技術，總體上實現了數字化、精細化管理[2]。其中，可供引進的代表性產品有澳大利亞潞碧墾(Rubicon)公司的一體化測控槽閘，該設備集精確的流量計量、高精度的閘門控制、全太陽能驅動和無線通訊功能于一體，在自由出流或淹沒出流條件下，監控系統均可以通過自身測得的上下游水位和閘門開度計算出流量[3]。

　　第二種方案是采購國內成熟的測控閘門產品。近10 年來，國內的現代化水閘技術也快速發展，出現了一批較為成熟的產品。目前推廣最多的現代化水閘，以新型一體化測控閘為主導。這種測控閘是在傳統的螺桿式啟閉閘上進行改良得到的，具有集精準流量計算、高精度閘門控制、全太陽能驅動和無線通訊功能于一體的特點[4]。第三種方案是從灌區的實際情況出發自行研制組裝水閘監控系統，即借鑒國內外現有的技術進行自主研發，形成在灌區適用性更強的裝備，并實現量產推廣。

　　在方案的選擇上，成本控制是一個關鍵因素。不管是進口國外的一體化測控閘，還是使用國內廠家生產的新型一體化測控閘，都存在價格偏高、性價比偏低的問題。這些裝備結構精巧、材料昂貴，但安裝之后要長期裸露在野外，安全風險高，后期維護需要追加大量經費。如果對設施進行嚴格保護，則需要修建封閉式管理房，增加基建成本。國外設備供貨周期長、后期配套服務繁瑣，很難從根本上解決灌區的實際問題[3]。灌區管理局通過反復調研，對市場現行各種信息化設備進行分析、研究，總體上認為需要采用第三種方案，才能既實施灌區大面積范圍的閘口測控設施改造，又達到成本可控。

　　當然，自主研發對灌區管理部門的技術把控能力也是較大的挑戰。近年來，灌區管理局組織相關技術力量，聯合國內的軟、硬件制造企業，進行了閥式遠程自動控制閘的研發探索，取得了初步的經驗，并在 2020 年將自主研發的閥式自動控制閘取得了國家專利。本次自主研發的小型水閘測控系統，主要期望達到以下目標：

　　(1)具有自動化功能。通過集成自動量水、自動啟閉、自動數據采集與傳輸、視頻監控等功能，使該閘型具備遠程控制及測報數據顯示功能，可實現自動化操作與管理，解決用水量不清楚、無記錄、難計量問題。

　　(2)易于量產和維護運行。通過水閘各配件的模塊化、標準化，為實現量產提供便利，設備結構更實用、操作更簡單、維修更方便，從而降低維護成本。通過配套信息化技術，增加手機客戶端遠程控制及數據顯示功能，實現多級自動化操作與監控，提高管理效率。

　　(3)非接觸式管理、減少用水糾紛。用水戶通過手機客戶端遠程配置閘門作息制度，自由選擇供水時間、調配用水量節約用水費用。管理單位則通過系統終端，遠程監控水閘及用水量，進行總體控制、精細調配。這種管理運行方式能夠實現制度公開、數據共享，減少了用水戶與管理者的田間現場接觸，避免了主觀情緒導致的糾紛。

　　(4)關鍵設備隱蔽封裝、具有較高安全性。作為關鍵設備的水閘啟閉機，采用全封閉模式，設備不外露，一般人員只能通過授權的無線信號啟閉閘門。因設備隱蔽且有封閉保護裝置，不易遭受破壞，保障了閘門的長期安全運行。(5)建設成本低。將現有水利工程小型渠道取水口常用的平板閘門改為為閥式閘門，集成數據自動采集系統，通過工藝完善、材料精選和量產降低設備成本。單套設備的總體預期成本小于市場同類設備，價格降低 2 萬元左右。

　　3 閥式遠程自動控制閘的技術特點

　　3.1 閘門閥式遠程自動控制閘

　　采用旋轉式閘門組件，放棄現有的平板鋼閘門結構。其閘門組件由四通式外殼、筒式閘門、連接桿等三個部件組成，材質可采用鑄鐵、不銹鋼、塑膠等。其主要技術特點是：水平旋轉，連接桿非上下移動，不外露;閘門可自由從外殼內取出，便于維護。

　　3.2 閘室閥式遠程自動控制閘

　　為可拆分、拼裝式一體閘，其閘室主要由底板、閘門基座、胸墻、啟閉臺、翼墻、蓋板組成。其主要技術特點是：模板、混凝土工程量少，易施工;既可將原閘拆除重建，也可在原閘基礎上改造，建設成本低。

　　3.3 控制終端閥式遠程自動控制

　　閘控制終端主要由控制箱、電機、齒輪、水位計、行程開關、繼電控制開關、RTU 等組成。其主要技術特點是：(1)水位計為自主研發數字式水位計，該水位計為觸壓式水位計，由壓力傳桿進行觸水式傳導，其余部件與水分離，保證了水位計各電子部件的使用壽命;(2)RTU 為自主研發采集終端，該 RTU 組合了繼電控制開關、水位計、監控等設備模塊的數據采集與傳輸，可按用戶要求進行相關功能設備的自由組合;(3)控制終端為手、自兩用控制，當控制終端無電源供應或局部設備損壞造成閘門不能自動啟閉時，無需拆除自動控制裝置即可手動控制閘門啟閉。

　　3.4 監控閥式遠程自動控制

　　閘外置監控設備，其主要技術特點是：立桿式外置監控攝像頭，采用區域內紅外線移動觸感拍攝、RTU 數據出錯報警拍攝技術，使監控攝像頭條件式工作，以減少其用電功耗。

　　3.5 遠程控制系統

　　閥式遠程自動控制閘可與管理單位的終端控制軟件和手機客戶端軟件通訊，以進行數據與視頻資料的采集，實現遠程控制和自動化管理。其主要技術特點是：

　　(1)多級權限管理，其中最高級管理權限可對所有閥式遠程自動控制閘進行控制及數據查詢，普通管理權限可對設定區域內的所有閥式遠程自動控制閘進行控制及數據查詢，用戶端管理權限僅對其個體使用的閥式遠程自動控制閘進行預用水量上報、繳費、控制及數據查詢;(2)可視化閘門開度、即時用水量、總用水量、預設用水量控制、報警監控。

　　4 閥式遠程自動控制閘的優勢分析

　　根據推廣趨勢及應用成熟度來判斷，新型一體化測控閘是目前國內外較為流行的技術。從功能上看，閥式自動控制閘也屬于一種新型一體化測控閘。為了明確閥式自動控制閘在本灌區的適用性，先將其與市面上典型的新型一體化測控閘(箱式平板閘、弧型槽式翻板閘，結果顯示閥式自動控制閘在功能上不輸于其它新型一體化測控閘，而且具有更多優勢，更適合于灌區取水口的大面積改造升級，具體可總結為以下幾點：

　　(1)結構簡單。閥式自動控制閘部件模塊化明顯，且均為拼裝式，除控制箱需鎖固于啟閉臺上，其它部件均無需各種鎖固件，結構簡單，便于安裝。另外，其運行與傳動方式簡單，無需太多傳動結構，僅有一根連接桿和兩個變速齒輪，無需油料養護，維護十分便捷。

　　(2)單體重量輕。閥式自動控制閘可采用三種材質制作，其中塑膠材質的最為輕便，整體重量不超過20kg，不銹鋼材質的也只有 50kg 左右，鑄鐵材質的相對要重一些，但相比新型一體化測控閘的最輕 100kg 也相差不大，而且由于是拼裝式，各相關部件單體重量不會超過 50kg，十分便于安裝。

　　(3)成本低廉。新型一體化測控閘的兩種型式由于其型號較多，價格有所不同，價格為綜合平均價，閥式自動控制閘價格有兩種，其中 14 000 元的是不銹鋼材質價格(塑膠材質的價格相差不大)，24 000 元的是鑄鐵材質價格。從對比中可以發現，閥式自動控制閘相比價格低廉，更符合灌區取水口升級改造需求。

　　(4)施工簡便。新型一體化測控閘的兩種型式均為閘孔自由出流設計理念，故對上、下游連接渠道均有一定的要求，要求閘體上、下游渠道水流平順并盡量減少下游水躍形成，在施工過程中需對上、下游連接渠道進行硬化襯護處理。閥式自動控制閘的設計理念為有壓管道出流，無需對上、下游連接渠道進行硬化襯護也能準確測出取水口流量，故對上、下游連接渠道沒有要求，施工所需條件簡單。

　　5 應用前景

　　閥式自動控制閘是為改變管理力量不足、灌區0.1m3/s 流量以下取水口無自動計量和無遠程控制等問題而研發的一種新型一體化測控閘。它的主要應用方向就是小型取水口閘，而小型取水口閘又是灌區內數量最為龐大的閘群，如錦北灌區就有近 14 000 座。近幾年農業水價綜合改革快速推進，要求計量用水到戶，各灌區均面臨將這些小型取水口閘進行升級改造的問題。目前，通用自動化設備在市場缺少針對小型取水口閘的產品，現有設備價格較高而性價比較低，不適用于大面積灌區的閘群改造。

　　閥式自動控制閘著眼于小型取水口閘的特點，其成本低廉但功能完善、易于量產，可以大大提高自動控制閘的性價比�？紤]小型取水口閘的集群特性，在實施改造過程中還可采用物聯網技術、LORA 局域網技術和集中供電方式，將各取水口閘打包成閘群管理，以節省網絡通訊、獨立供電、搭建運管平臺等各方面的費用開支，使灌區農業灌溉用水像城市供水一樣達到自動計量、自動繳費、智能管理，真正實現農業水價綜合改革目標。因此，閥式遠程自動控制閘是灌區現代化改造中值得推廣的一種技術。

　　參考文獻：

　　[1] 張文淵. 灌區水閘的自動控制管理技術 [J]. 廣西水利水電，1999(04)：54-56.

　　[2] 朱 蕾，賴 劍，羅 強. 一體化測控智能閘門在灌區中的應用[J]. 中國水利，2018(18)：50-51.

　　[3] 馬樂平，劉 磊，陳興國. 疏勒河灌區閘門精準遠程自動化控制技術研究[J]. 中國水利，2017(14)：58-59+42.

　　[4] 史中興，張師瑋，張彥蕊，等.大型灌區渠道閘門一體化測控系統[J]. 灌排機械工程學報，2020，38(02)：145-151.

　　作者：王亞立，張正林

轉載請注明來自發表學術論文網：http://www.cnzjbx.cn/nylw/29954.html