本文摘要：摘 要：灌區(qū)存在大量過(guò)流能力 0.1m3/s 以下的小型取水口，往往由于閘門設(shè)施簡(jiǎn)陋、管理粗放、缺少監(jiān)控而產(chǎn)生嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)。農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革要求計(jì)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(wèn)題，討論分析國(guó)內(nèi)
摘 要：灌區(qū)存在大量過(guò)流能力 0.1m3/s 以下的小型取水口，往往由于閘門設(shè)施簡(jiǎn)陋、管理粗放、缺少監(jiān)控而產(chǎn)生嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)。農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革要求計(jì)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(wèn)題，討論分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)代化自動(dòng)控制閘的適用性，提出自主研發(fā)閥式遠(yuǎn)程自動(dòng)控制閘的方案。該閘型技術(shù)功能強(qiáng)而成本低、易于量產(chǎn)，可集成自動(dòng)量水、遠(yuǎn)程控制與視頻監(jiān)控的一體化自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，便于安裝與維護(hù)，運(yùn)行管理效率高，在小型取水口大面積自動(dòng)化改造方面優(yōu)勢(shì)明顯，具有推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：閥式閘;自動(dòng)測(cè)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(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)與農(nóng)場(chǎng)耕地共計(jì)3.62 萬(wàn) hm(254.37 萬(wàn)畝)。錦北灌區(qū)屬于多庫(kù)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(kù) 1座、中型水庫(kù) 3 座、小型水庫(kù) 103 座、山塘壩 338 座、引水陂閘 4 座和錦惠干渠渠首進(jìn)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(fèi)受到多種限制，目前難以做到對(duì)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(fèi)嚴(yán)重。隨著農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革的不斷深入，灌區(qū)的水資源管理越來(lái)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(jì)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(guò)程自動(dòng)計(jì)量、自動(dòng)控制問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)高效管理。為此，本文即根據(jù)此項(xiàng)專利提出采用閥式自動(dòng)控制閘進(jìn)行取水口監(jiān)控設(shè)施改造的方案。
1 現(xiàn)狀與問(wèn)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(shí)際運(yùn)行管理過(guò)程中存在較多弊端，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(kāi)啟，導(dǎo)致螺桿或提桿長(zhǎng)期外露，又因缺少保護(hù)裝置，容易被人為破壞變形使閘門無(wú)法正常啟閉。已經(jīng)提升的螺桿在關(guān)閉下行時(shí)，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(méi)有啟閉機(jī)保護(hù)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(kāi)不管關(guān)，渠水長(zhǎng)期出流造成浪費(fèi)。由于專業(yè)管理人員數(shù)量十分有限，難以對(duì)大量取水口實(shí)施長(zhǎng)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(méi)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(shí)更換配件過(guò)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(jìn)行維修或更換，然后又要重建新的閘室，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。
(4)升級(jí)改造成本高。原有的螺桿式啟閉機(jī)均為手搖式啟閉機(jī)，未進(jìn)行電動(dòng)配套。如需升級(jí)改造成遠(yuǎn)程控制設(shè)施，需增設(shè)電動(dòng)機(jī)、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(wú)計(jì)量裝置，在升級(jí)改造時(shí)，還需增設(shè)管道或量水槽以及水位或流量自動(dòng)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(jí)改造成自動(dòng)計(jì)量及遠(yuǎn)程控制閘將耗費(fèi)較高的成本。以現(xiàn)行市場(chǎng)價(jià)計(jì)算，一座取水口閘的改造成本接近 3.5 萬(wàn)元。
2 升級(jí)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(jì)量設(shè)備簡(jiǎn)陋的局面，同時(shí)解決現(xiàn)有取水口閘升級(jí)改造成本高的問(wèn)題，錦北灌區(qū)管理部門積極調(diào)研升級(jí)改造方案。根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的技術(shù)發(fā)展水平和灌區(qū)的實(shí)際情況，有幾種方案可選，各有利弊。第一種方案是引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備。
發(fā)達(dá)國(guó)家渠道取水口自動(dòng)測(cè)控起步早、設(shè)備先進(jìn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，總體上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、精細(xì)化管理[2]。其中，可供引進(jìn)的代表性產(chǎn)品有澳大利亞潞碧墾(Rubicon)公司的一體化測(cè)控槽閘，該設(shè)備集精確的流量計(jì)量、高精度的閘門控制、全太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)和無(wú)線通訊功能于一體，在自由出流或淹沒(méi)出流條件下，監(jiān)控系統(tǒng)均可以通過(guò)自身測(cè)得的上下游水位和閘門開(kāi)度計(jì)算出流量[3]。
第二種方案是采購(gòu)國(guó)內(nèi)成熟的測(cè)控閘門產(chǎn)品。近10 年來(lái)，國(guó)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(cè)控閘為主導(dǎo)。這種測(cè)控閘是在傳統(tǒng)的螺桿式啟閉閘上進(jìn)行改良得到的，具有集精準(zhǔn)流量計(jì)算、高精度閘門控制、全太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)和無(wú)線通訊功能于一體的特點(diǎn)[4]。第三種方案是從灌區(qū)的實(shí)際情況出發(fā)自行研制組裝水閘監(jiān)控系統(tǒng)，即借鑒國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行自主研發(fā)，形成在灌區(qū)適用性更強(qiáng)的裝備，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)推廣。
在方案的選擇上，成本控制是一個(gè)關(guān)鍵因素。不管是進(jìn)口國(guó)外的一體化測(cè)控閘，還是使用國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的新型一體化測(cè)控閘，都存在價(jià)格偏高、性價(jià)比偏低的問(wèn)題。這些裝備結(jié)構(gòu)精巧、材料昂貴，但安裝之后要長(zhǎng)期裸露在野外，安全風(fēng)險(xiǎn)高，后期維護(hù)需要追加大量經(jīng)費(fèi)。如果對(duì)設(shè)施進(jìn)行嚴(yán)格保護(hù)，則需要修建封閉式管理房，增加基建成本。國(guó)外設(shè)備供貨周期長(zhǎng)、后期配套服務(wù)繁瑣，很難從根本上解決灌區(qū)的實(shí)際問(wèn)題[3]。灌區(qū)管理局通過(guò)反復(fù)調(diào)研，對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)行各種信息化設(shè)備進(jìn)行分析、研究，總體上認(rèn)為需要采用第三種方案，才能既實(shí)施灌區(qū)大面積范圍的閘口測(cè)控設(shè)施改造，又達(dá)到成本可控。
當(dāng)然，自主研發(fā)對(duì)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(lái)，灌區(qū)管理局組織相關(guān)技術(shù)力量，聯(lián)合國(guó)內(nèi)的軟、硬件制造企業(yè)，進(jìn)行了閥式遠(yuǎn)程自動(dòng)控制閘的研發(fā)探索，取得了初步的經(jīng)驗(yàn)，并在 2020 年將自主研發(fā)的閥式自動(dòng)控制閘取得了國(guó)家專利。本次自主研發(fā)的小型水閘測(cè)控系統(tǒng)，主要期望達(dá)到以下目標(biāo)：
(1)具有自動(dòng)化功能。通過(guò)集成自動(dòng)量水、自動(dòng)啟閉、自動(dòng)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(cè)報(bào)數(shù)據(jù)顯示功能，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作與管理，解決用水量不清楚、無(wú)記錄、難計(jì)量問(wèn)題。
(2)易于量產(chǎn)和維護(hù)運(yùn)行。通過(guò)水閘各配件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，為實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)提供便利，設(shè)備結(jié)構(gòu)更實(shí)用、操作更簡(jiǎn)單、維修更方便，從而降低維護(hù)成本。通過(guò)配套信息化技術(shù)，增加手機(jī)客戶端遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)顯示功能，實(shí)現(xiàn)多級(jí)自動(dòng)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(guò)手機(jī)客戶端遠(yuǎn)程配置閘門作息制度，自由選擇供水時(shí)間、調(diào)配用水量節(jié)約用水費(fèi)用。管理單位則通過(guò)系統(tǒng)終端，遠(yuǎn)程監(jiān)控水閘及用水量，進(jìn)行總體控制、精細(xì)調(diào)配。這種管理運(yùn)行方式能夠?qū)崿F(xiàn)制度公開(kāi)、數(shù)據(jù)共享，減少了用水戶與管理者的田間現(xiàn)場(chǎng)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(jī)，采用全封閉模式，設(shè)備不外露，一般人員只能通過(guò)授權(quán)的無(wú)線信號(hào)啟閉閘門。因設(shè)備隱蔽且有封閉保護(hù)裝置，不易遭受破壞，保障了閘門的長(zhǎng)期安全運(yùn)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(dòng)采集系統(tǒng)，通過(guò)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(chǎng)同類設(shè)備，價(jià)格降低 2 萬(wàn)元左右。
3 閥式遠(yuǎn)程自動(dòng)控制閘的技術(shù)特點(diǎn)
3.1 閘門閥式遠(yuǎn)程自動(dòng)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(gè)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(diǎn)是：水平旋轉(zhuǎn)，連接桿非上下移動(dòng)，不外露;閘門可自由從外殼內(nèi)取出，便于維護(hù)。
3.2 閘室閥式遠(yuǎn)程自動(dòng)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(tái)、翼墻、蓋板組成。其主要技術(shù)特點(diǎn)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(dòng)控制
閘控制終端主要由控制箱、電機(jī)、齒輪、水位計(jì)、行程開(kāi)關(guān)、繼電控制開(kāi)關(guān)、RTU 等組成。其主要技術(shù)特點(diǎn)是：(1)水位計(jì)為自主研發(fā)數(shù)字式水位計(jì)，該水位計(jì)為觸壓式水位計(jì)，由壓力傳桿進(jìn)行觸水式傳導(dǎo)，其余部件與水分離，保證了水位計(jì)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(kāi)關(guān)、水位計(jì)、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(jìn)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(wú)電源供應(yīng)或局部設(shè)備損壞造成閘門不能自動(dòng)啟閉時(shí)，無(wú)需拆除自動(dòng)控制裝置即可手動(dòng)控制閘門啟閉。
3.4 監(jiān)控閥式遠(yuǎn)程自動(dòng)控制
閘外置監(jiān)控設(shè)備，其主要技術(shù)特點(diǎn)是：立桿式外置監(jiān)控?cái)z像頭，采用區(qū)域內(nèi)紅外線移動(dòng)觸感拍攝、RTU 數(shù)據(jù)出錯(cuò)報(bào)警拍攝技術(shù)，使監(jiān)控?cái)z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(dòng)控制閘可與管理單位的終端控制軟件和手機(jī)客戶端軟件通訊，以進(jìn)行數(shù)據(jù)與視頻資料的采集，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)化管理。其主要技術(shù)特點(diǎn)是：
(1)多級(jí)權(quán)限管理，其中最高級(jí)管理權(quán)限可對(duì)所有閥式遠(yuǎn)程自動(dòng)控制閘進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)查詢，普通管理權(quán)限可對(duì)設(shè)定區(qū)域內(nèi)的所有閥式遠(yuǎn)程自動(dòng)控制閘進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)查詢，用戶端管理權(quán)限僅對(duì)其個(gè)體使用的閥式遠(yuǎn)程自動(dòng)控制閘進(jìn)行預(yù)用水量上報(bào)、繳費(fèi)、控制及數(shù)據(jù)查詢;(2)可視化閘門開(kāi)度、即時(shí)用水量、總用水量、預(yù)設(shè)用水量控制、報(bào)警監(jiān)控。
4 閥式遠(yuǎn)程自動(dòng)控制閘的優(yōu)勢(shì)分析
根據(jù)推廣趨勢(shì)及應(yīng)用成熟度來(lái)判斷，新型一體化測(cè)控閘是目前國(guó)內(nèi)外較為流行的技術(shù)。從功能上看，閥式自動(dòng)控制閘也屬于一種新型一體化測(cè)控閘。為了明確閥式自動(dòng)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(cè)控閘(箱式平板閘、弧型槽式翻板閘，結(jié)果顯示閥式自動(dòng)控制閘在功能上不輸于其它新型一體化測(cè)控閘，而且具有更多優(yōu)勢(shì)，更適合于灌區(qū)取水口的大面積改造升級(jí)，具體可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：
(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。閥式自動(dòng)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(tái)上，其它部件均無(wú)需各種鎖固件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝。另外，其運(yùn)行與傳動(dòng)方式簡(jiǎn)單，無(wú)需太多傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，僅有一根連接桿和兩個(gè)變速齒輪，無(wú)需油料養(yǎng)護(hù)，維護(hù)十分便捷。
(2)單體重量輕。閥式自動(dòng)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(guò)20kg，不銹鋼材質(zhì)的也只有 50kg 左右，鑄鐵材質(zhì)的相對(duì)要重一些，但相比新型一體化測(cè)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(huì)超過(guò) 50kg，十分便于安裝。
(3)成本低廉。新型一體化測(cè)控閘的兩種型式由于其型號(hào)較多，價(jià)格有所不同，價(jià)格為綜合平均價(jià)，閥式自動(dòng)控制閘價(jià)格有兩種，其中 14 000 元的是不銹鋼材質(zhì)價(jià)格(塑膠材質(zhì)的價(jià)格相差不大)，24 000 元的是鑄鐵材質(zhì)價(jià)格。從對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，閥式自動(dòng)控制閘相比價(jià)格低廉，更符合灌區(qū)取水口升級(jí)改造需求。
(4)施工簡(jiǎn)便。新型一體化測(cè)控閘的兩種型式均為閘孔自由出流設(shè)計(jì)理念，故對(duì)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(guò)程中需對(duì)上、下游連接渠道進(jìn)行硬化襯護(hù)處理。閥式自動(dòng)控制閘的設(shè)計(jì)理念為有壓管道出流，無(wú)需對(duì)上、下游連接渠道進(jìn)行硬化襯護(hù)也能準(zhǔn)確測(cè)出取水口流量，故對(duì)上、下游連接渠道沒(méi)有要求，施工所需條件簡(jiǎn)單。
5 應(yīng)用前景
閥式自動(dòng)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(wú)自動(dòng)計(jì)量和無(wú)遠(yuǎn)程控制等問(wèn)題而研發(fā)的一種新型一體化測(cè)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(jià)綜合改革快速推進(jìn)，要求計(jì)量用水到戶，各灌區(qū)均面臨將這些小型取水口閘進(jìn)行升級(jí)改造的問(wèn)題。目前，通用自動(dòng)化設(shè)備在市場(chǎng)缺少針對(duì)小型取水口閘的產(chǎn)品，現(xiàn)有設(shè)備價(jià)格較高而性價(jià)比較低，不適用于大面積灌區(qū)的閘群改造。
閥式自動(dòng)控制閘著眼于小型取水口閘的特點(diǎn)，其成本低廉但功能完善、易于量產(chǎn)，可以大大提高自動(dòng)控制閘的性價(jià)比。考慮小型取水口閘的集群特性，在實(shí)施改造過(guò)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(dú)立供電、搭建運(yùn)管平臺(tái)等各方面的費(fèi)用開(kāi)支，使灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水像城市供水一樣達(dá)到自動(dòng)計(jì)量、自動(dòng)繳費(fèi)、智能管理，真正實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革目標(biāo)。因此，閥式遠(yuǎn)程自動(dòng)控制閘是灌區(qū)現(xiàn)代化改造中值得推廣的一種技術(shù)。
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作者：王亞立，張正林
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