閥式自動控制閘在灌區(qū)現(xiàn)代化改造的優(yōu)勢探討

　　摘 要：灌區(qū)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(shè)施簡陋、管理粗放、缺少監(jiān)控而產(chǎn)生嚴(yán)重的水資源浪費。農(nóng)業(yè)水價綜合改革要求計量用水到戶，傳統(tǒng)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(qū)小型取水口的管理現(xiàn)狀和問題，討論分析國內(nèi)外現(xiàn)代化自動控制閘的適用性，提出自主研發(fā)閥式遠(yuǎn)程自動控制閘的方案。該閘型技術(shù)功能強而成本低、易于量產(chǎn)，可集成自動量水、遠(yuǎn)程控制與視頻監(jiān)控的一體化自動監(jiān)控系統(tǒng)，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(yōu)勢明顯，具有推廣價值。

　　關(guān)鍵詞：閥式閘;自動測控;小型取水口;灌區(qū)

　　引言

　　錦北灌區(qū)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(nèi) 21 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)與農(nóng)場耕地共計3.62 萬 hm(254.37 萬畝)。錦北灌區(qū)屬于多庫多壩蓄、引水大型灌區(qū)，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(tǒng)含 16條引水干渠、55 條支渠和 535 條斗農(nóng)渠，現(xiàn)有 0.1m3/s流量以下取水口 13 932 座。錦北灌區(qū)管理局編制人員和管理經(jīng)費受到多種限制，目前難以做到對灌區(qū)水利工程全部監(jiān)管到位，在技術(shù)上主要負(fù)責(zé)干渠工程管理，而干渠以下的支、斗、農(nóng)渠及田間工程管理均交由歸地方政府管轄。

　　由于各支、斗、農(nóng)渠的取水口缺乏高效的監(jiān)控設(shè)施，用水管理較為粗放，用水矛盾突出，水資源浪費嚴(yán)重。隨著農(nóng)業(yè)水價綜合改革的不斷深入，灌區(qū)的水資源管理越來越需要精細(xì)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(xiàn)狀，在不增加人員規(guī)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(xiàn)灌區(qū)高效管理。為此，本文即根據(jù)此項專利提出采用閥式自動控制閘進行取水口監(jiān)控設(shè)施改造的方案。

　　1 現(xiàn)狀與問題

　　錦北灌區(qū)現(xiàn)狀取水口均為傳統(tǒng)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(xiàn)在以下幾個方面：

　　(1)平板閘門設(shè)施容易損壞。傳統(tǒng)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(dǎo)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(jīng)提升的螺桿在關(guān)閉下行時，受行程極限影響，也容易發(fā)生螺桿頂撞彎曲變形，使閘門閉合不嚴(yán)。

　　(2)閘門啟閉難以管控。傳統(tǒng)閘門采用人力方式啟閉，沒有啟閉機保護設(shè)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(guān)，渠水長期出流造成浪費。由于專業(yè)管理人員數(shù)量十分有限，難以對大量取水口實施長期值守監(jiān)管，水資源漏失率居高不下。

　　(3)維修保養(yǎng)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(jīng)常上油保養(yǎng)，閘門也需要定期涂抹油漆防腐。閘門結(jié)構(gòu)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(nèi)。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(yuǎn)程控制設(shè)施，需增設(shè)電動機、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)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(shè)管道或量水槽以及水位或流量自動采集系統(tǒng)，要配備電源。因此，將現(xiàn)有取水口的控制閘升級改造成自動計量及遠(yuǎn)程控制閘將耗費較高的成本。以現(xiàn)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(qū)用水管理粗放、水閘調(diào)控計量設(shè)備簡陋的局面，同時解決現(xiàn)有取水口閘升級改造成本高的問題，錦北灌區(qū)管理部門積極調(diào)研升級改造方案。根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外的技術(shù)發(fā)展水平和灌區(qū)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(shè)備。

　　發(fā)達國家渠道取水口自動測控起步早、設(shè)備先進，已經(jīng)廣泛應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，總體上實現(xiàn)了數(shù)字化、精細(xì)化管理[2]。其中，可供引進的代表性產(chǎn)品有澳大利亞潞碧墾(Rubicon)公司的一體化測控槽閘，該設(shè)備集精確的流量計量、高精度的閘門控制、全太陽能驅(qū)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(jiān)控系統(tǒng)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(nèi)成熟的測控閘門產(chǎn)品。近10 年來，國內(nèi)的現(xiàn)代化水閘技術(shù)也快速發(fā)展，出現(xiàn)了一批較為成熟的產(chǎn)品。目前推廣最多的現(xiàn)代化水閘，以新型一體化測控閘為主導(dǎo)。這種測控閘是在傳統(tǒng)的螺桿式啟閉閘上進行改良得到的，具有集精準(zhǔn)流量計算、高精度閘門控制、全太陽能驅(qū)動和無線通訊功能于一體的特點[4]。第三種方案是從灌區(qū)的實際情況出發(fā)自行研制組裝水閘監(jiān)控系統(tǒng)，即借鑒國內(nèi)外現(xiàn)有的技術(shù)進行自主研發(fā)，形成在灌區(qū)適用性更強的裝備，并實現(xiàn)量產(chǎn)推廣。

　　在方案的選擇上，成本控制是一個關(guān)鍵因素。不管是進口國外的一體化測控閘，還是使用國內(nèi)廠家生產(chǎn)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(jié)構(gòu)精巧、材料昂貴，但安裝之后要長期裸露在野外，安全風(fēng)險高，后期維護需要追加大量經(jīng)費。如果對設(shè)施進行嚴(yán)格保護，則需要修建封閉式管理房，增加基建成本。國外設(shè)備供貨周期長、后期配套服務(wù)繁瑣，很難從根本上解決灌區(qū)的實際問題[3]。灌區(qū)管理局通過反復(fù)調(diào)研，對市場現(xiàn)行各種信息化設(shè)備進行分析、研究，總體上認(rèn)為需要采用第三種方案，才能既實施灌區(qū)大面積范圍的閘口測控設(shè)施改造，又達到成本可控。

　　當(dāng)然，自主研發(fā)對灌區(qū)管理部門的技術(shù)把控能力也是較大的挑戰(zhàn)。近年來，灌區(qū)管理局組織相關(guān)技術(shù)力量，聯(lián)合國內(nèi)的軟、硬件制造企業(yè)，進行了閥式遠(yuǎn)程自動控制閘的研發(fā)探索，取得了初步的經(jīng)驗，并在 2020 年將自主研發(fā)的閥式自動控制閘取得了國家專利。本次自主研發(fā)的小型水閘測控系統(tǒng)，主要期望達到以下目標(biāo)：

　　(1)具有自動化功能。通過集成自動量水、自動啟閉、自動數(shù)據(jù)采集與傳輸、視頻監(jiān)控等功能，使該閘型具備遠(yuǎn)程控制及測報數(shù)據(jù)顯示功能，可實現(xiàn)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(chǎn)和維護運行。通過水閘各配件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，為實現(xiàn)量產(chǎn)提供便利，設(shè)備結(jié)構(gòu)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(shù)，增加手機客戶端遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)顯示功能，實現(xiàn)多級自動化操作與監(jiān)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(yuǎn)程配置閘門作息制度，自由選擇供水時間、調(diào)配用水量節(jié)約用水費用。管理單位則通過系統(tǒng)終端，遠(yuǎn)程監(jiān)控水閘及用水量，進行總體控制、精細(xì)調(diào)配。這種管理運行方式能夠?qū)崿F(xiàn)制度公開、數(shù)據(jù)共享，減少了用水戶與管理者的田間現(xiàn)場接觸，避免了主觀情緒導(dǎo)致的糾紛。

　　(4)關(guān)鍵設(shè)備隱蔽封裝、具有較高安全性。作為關(guān)鍵設(shè)備的水閘啟閉機，采用全封閉模式，設(shè)備不外露，一般人員只能通過授權(quán)的無線信號啟閉閘門。因設(shè)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(shè)成本低。將現(xiàn)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(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，通過工藝完善、材料精選和量產(chǎn)降低設(shè)備成本。單套設(shè)備的總體預(yù)期成本小于市場同類設(shè)備，價格降低 2 萬元左右。

　　3 閥式遠(yuǎn)程自動控制閘的技術(shù)特點

　　3.1 閘門閥式遠(yuǎn)程自動控制閘

　　采用旋轉(zhuǎn)式閘門組件，放棄現(xiàn)有的平板鋼閘門結(jié)構(gòu)。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(zhì)可采用鑄鐵、不銹鋼、塑膠等。其主要技術(shù)特點是：水平旋轉(zhuǎn)，連接桿非上下移動，不外露;閘門可自由從外殼內(nèi)取出，便于維護。

　　3.2 閘室閥式遠(yuǎn)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(shù)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(chǔ)上改造，建設(shè)成本低。

　　3.3 控制終端閥式遠(yuǎn)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(guān)、繼電控制開關(guān)、RTU 等組成。其主要技術(shù)特點是：(1)水位計為自主研發(fā)數(shù)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(dǎo)，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(fā)采集終端，該 RTU 組合了繼電控制開關(guān)、水位計、監(jiān)控等設(shè)備模塊的數(shù)據(jù)采集與傳輸，可按用戶要求進行相關(guān)功能設(shè)備的自由組合;(3)控制終端為手、自兩用控制，當(dāng)控制終端無電源供應(yīng)或局部設(shè)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(jiān)控閥式遠(yuǎn)程自動控制

　　閘外置監(jiān)控設(shè)備，其主要技術(shù)特點是：立桿式外置監(jiān)控攝像頭，采用區(qū)域內(nèi)紅外線移動觸感拍攝、RTU 數(shù)據(jù)出錯報警拍攝技術(shù)，使監(jiān)控攝像頭條件式工作，以減少其用電功耗。

　　3.5 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

　　閥式遠(yuǎn)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(shù)據(jù)與視頻資料的采集，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動化管理。其主要技術(shù)特點是：

　　(1)多級權(quán)限管理，其中最高級管理權(quán)限可對所有閥式遠(yuǎn)程自動控制閘進行控制及數(shù)據(jù)查詢，普通管理權(quán)限可對設(shè)定區(qū)域內(nèi)的所有閥式遠(yuǎn)程自動控制閘進行控制及數(shù)據(jù)查詢，用戶端管理權(quán)限僅對其個體使用的閥式遠(yuǎn)程自動控制閘進行預(yù)用水量上報、繳費、控制及數(shù)據(jù)查詢;(2)可視化閘門開度、即時用水量、總用水量、預(yù)設(shè)用水量控制、報警監(jiān)控。

　　4 閥式遠(yuǎn)程自動控制閘的優(yōu)勢分析

　　根據(jù)推廣趨勢及應(yīng)用成熟度來判斷，新型一體化測控閘是目前國內(nèi)外較為流行的技術(shù)。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(qū)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(jié)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(yōu)勢，更適合于灌區(qū)取水口的大面積改造升級，具體可總結(jié)為以下幾點：

　　(1)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，僅有一根連接桿和兩個變速齒輪，無需油料養(yǎng)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(zhì)制作，其中塑膠材質(zhì)的最為輕便，整體重量不超過20kg，不銹鋼材質(zhì)的也只有 50kg 左右，鑄鐵材質(zhì)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(guān)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(zhì)價格(塑膠材質(zhì)的價格相差不大)，24 000 元的是鑄鐵材質(zhì)價格。從對比中可以發(fā)現(xiàn)，閥式自動控制閘相比價格低廉，更符合灌區(qū)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(shè)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(shè)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(zhǔn)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(yīng)用前景

　　閥式自動控制閘是為改變管理力量不足、灌區(qū)0.1m3/s 流量以下取水口無自動計量和無遠(yuǎn)程控制等問題而研發(fā)的一種新型一體化測控閘。它的主要應(yīng)用方向就是小型取水口閘，而小型取水口閘又是灌區(qū)內(nèi)數(shù)量最為龐大的閘群，如錦北灌區(qū)就有近 14 000 座。近幾年農(nóng)業(yè)水價綜合改革快速推進，要求計量用水到戶，各灌區(qū)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(shè)備在市場缺少針對小型取水口閘的產(chǎn)品，現(xiàn)有設(shè)備價格較高而性價比較低，不適用于大面積灌區(qū)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(chǎn)，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(lián)網(wǎng)技術(shù)、LORA 局域網(wǎng)技術(shù)和集中供電方式，將各取水口閘打包成閘群管理，以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)通訊、獨立供電、搭建運管平臺等各方面的費用開支，使灌區(qū)農(nóng)業(yè)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(xiàn)農(nóng)業(yè)水價綜合改革目標(biāo)。因此，閥式遠(yuǎn)程自動控制閘是灌區(qū)現(xiàn)代化改造中值得推廣的一種技術(shù)。

　　參考文獻：

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　　作者：王亞立，張正林

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