曾有孝，郭 军

(1.甘肃省水利厅水利工程建设造价与规费管理中心，甘肃 兰州 730030;2.甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 730030)

1 工程概况

甘肃省引洮供水二期工程是水利部确定在2015年开工建设的27项节水供水重大水利工程之一，工程的建设任务是以城乡生活、工业供水为主，兼顾农业灌溉，促进当地群众脱贫致富和生态环境改善。供水范围涉及甘肃中部4市8个县区，年调水量3.13亿m3，设计水平年供水总人口267.76万人，发展灌溉面积29.2万亩，属Ⅱ等工程，工程规模为大(2)型。

工程主要建设内容包括：引洮二期总干渠1条，干渠6条(四干渠-九干渠)，分干渠2条(八干渠一分干、八干二分干)、城乡集中供水点供水管(渠)线18条。总干渠线路长度95.09km，干渠和分干渠线路长度299.97km，供水管线长度176.47km，其中总干渠是在引洮供水一期工程总干渠末端进行延伸建设。

总干渠、干渠的主要建筑物包括隧洞、暗渠及渡槽，均采用无压重力流输水，供水管道均采用有压重力流输水。无压重力流输水渠道主要通过设在渠道上的各节制分(泄)水闸进行控制及分(泄)水，原设计方案中总干渠采用传统平板钢闸门进行控流及分流，干渠和分干渠采用双面镶铜铸铁闸门进行控流及分流。对于长距离供水工程而言，控制与计量的精准程度及信息化程度的高低是闸门及其控制系统方案设计及优化的关键所在。

2 原闸门及其控制系统方案存在的问题及优化的必要性

2.1 原设计方案

引洮供水二期工程各级渠道节制闸、分水闸、退水闸的闸门系统主要由闸门和启闭设备组成，总干渠输水流量及闸室孔口尺寸较大，沿线闸门选用平板钢闸门，固定卷扬式启闭机启闭操作；干渠输水流量较小，沿线闸门均采用双面镶铜铸铁闸门，手电两用螺杆式启闭机启闭。各类闸门共计186孔。

闸门综合自动控制系统主要由可编程控制器(PLC)、触摸屏、水位/闸(阀)位显示仪表和传感器及与信息调度分中心、中心远程监控应用系统连接的网络通信等设备组成。同时配置闸门开度仪、荷重传感器等，将闸门开度、荷重等信号送至可编程控制器(PLC)，PLC将输水流量与闸门开度计算需要的参数发送给现地工控机，由工控机自动根据调度下发的流量控制闸门开度。引洮供水二期工程闸(阀)门控制系统，原理是利用计算机监控技术，通过配置智能型PLC设备，实现从中控室和管理站对终端闸(阀)门的远程控制。

2.2 存在的问题

引洮供水二期工程所采用的传统的闸门及其控制系统方案与已建成的引洮供水一期工程完全一致，从引洮供水一期工程实际运行情况看，主要存在以下问题：

(1)传统闸门受结构及机械制造水平限制，闸门开度控制及过闸水量计量的精度较低，尤其是小开度、小流量下的控制和计量误差较大。

(2)因闸门系统无法准确控流及测流，需在闸室上下游的渠道段布置超声波或雷达流量计测流，再将其测流成果反馈给闸门控制系统调节闸门开度，增加了调度运行的中间环节，降低了管理工作的效率和功效；同时超声波或雷达流量计又存在小流量、低水位及高流速渠段计量误差大或无法测量的问题。

(3)传统闸门自动控制方式主要通过在闸门处配置PLC设备，利用计算机监控技术，实现闸(阀)门点对点的控制以及调度中心、管理站的远程控制，其闸门控制和流量监测由不同的设备及控制系统完成，对供水户的流量分配主要采用调度中心人为干预控制、下达指令，智能化水平较低。

2.3 优化设计的必要性分析

引洮供水二期工程的前期设计主要完成于“十二五”期间，其建设过程贯穿整个“十三五”时期，预计工程将于“十四五”开局之年2021年建成运行，工程设计建设周期的时间跨度超过了十年。鉴于当时国内对水利控制系统的认识不够，市场上缺乏可供借鉴的全自动化、高可控性的产品，其产品基本处于半自动化水平，闸门之间的协同度低，控制测流精度差。从前述存在的主要问题看，现有的闸门及其控制系统方案已不能很好的满足引洮供水工程精确调水、安全输水的需求，需采用更加先进的闸门及其控制系统对原有方案进行优化升级。

针对工程存在的不足，引洮供水工程信息化系统采用智能化及测控一体化的输水配置替代传统的涉及自动化供水管理的水工闸门，完全符合水利部《加快推进新时代水利现代化的指导意见》中所提新时期水利发展应立足当前、着眼长远，突出抓重点、补短板、强弱项、夯基础的思路及要求，也是加快推进新时代水利现代化重要举措，可保证引洮工程水资源调配的实时监控、过程跟踪、智能调度、准确投递，达到水资源的高效利用，提升运行管理水平，为合理配置水资源提供有力支持，显著提高用水、管水经济社会综合效益。

3 闸门及其控制系统方案优化设计

3.1 方案优化的总体思路及内容

针对工程存在的问题，结合新时代水利现代化指导意见相关内容及引洮供水工程自身具有的点多、面广、线长、分水口众多、输水过程的控制难度极大的特点和现代化管理的需求，在对国内外智能化及计控一体化的输配水控制新技术进行调研和学习的基础上，确定引洮供水二期工程闸门及其控制系统方案优化设计思路为：采用智能化及计控一体化的输水配置替代传统的涉及自动化供水管理的水工闸门，闸门设备选型应适应全渠线智能测控系统要求，以保证引洮工程水资源调配的实时监控、过程跟踪、智能调度、准确投递，实现节水及水资源的高效利用，全面提升引洮工程各项管理工作的效率、功效和运行管理的智能化水平。

根据国内与引洮供水二期渠道系统相类似的宁夏甘城子灌区、内蒙古尼尔基灌区、甘肃疏勒河灌区以及山西的回龙、汾河和敦化灌区等项目安装及运行测控一体化闸门及全渠道控制系统的成功范例及经验，优化方案重点研究采用以自动化测控一体闸门为主的全渠道控制系统替代原设计采用的常规闸门及其控制系统的可行性，主要设计调整内容包括两大部分的内容：一是闸门控制系统的调整，由传统的自动化控制系统调整为全渠道控制(TCC)系统；二是闸门设备的调整，由传统的钢闸门和铸铁闸门调整为一体化测控闸门。

3.2 闸门及其控制系统方案优化设计

3.2.1 系统结构及一体化闸门选型

全渠道控制系统，顾名思义就是对整个渠道进行联合控制和调度。当全渠道控制系统中的任何一扇测控一体化闸门发生调节，灌溉及供水系统中与其相关的其它测控一体化闸门则自动调节，直到达到每扇闸门的设定值。

全渠道控制系统能够实现对全渠道流量精确计量、自动化管理和控制，并根据用户需求自下而上的下游控制系统。在工程运行期间，每一座节制闸前都可视为一个“蓄水池”。当该节制闸处分水闸分水时，该处节制闸前水位下降，与此同时，上游相邻节制闸门会收到该处节制闸水位下降的信号，自动调节闸门开度补充水量，直到水位达到设定值为止，依次类推，使渠道上的每扇闸门都可以自动调节。通过计算机和通信网络系统以及控制调度软件，对整个供水工程渠系网络的智能化调配水量进行全局控制。

该系统主要由高精度测控一体化智能闸门、通信网络和闸门控制系统三部分组成。测控一体化智能闸门作为全渠道控制系统核心部件，其主要形式有两种，一种是顶面溢流式的测控一体化槽闸，如图1所示，另一种是底流式的测控一体化板闸，如图2所示。根据引洮供水二期工程的供电条件，闸门以交流电源为常用电源，太阳能为备用电源，闸门通过光缆与控制中心连接，用水户通过电脑软件或手机APP与控制中心进行实时动态联系。

图1 一体化测控槽闸

图2 一体化测控板闸

测控一体化智能闸门主要包括安装框总成、门框总成、动力总成、升降门总成、罩壳类零件和其他零件等。闸门运行过程为步进电动机的驱动力矩通过减速机传递到传动轴，传动轴带动钢丝绳卷轮转动，钢丝绳牵拉门板开启或关闭。闸门主体结构采用航空铝材质，水位测量选用超声波水位测量仪，依靠数字式编码器计算闸门开度，闸门可通过光纤与上位机进行通信。

对于引洮供水二期工程而言，渠道上的分水闸及其节制闸和退水闸节制闸门都需要调节主渠道闸前水深，精确计量过闸流量，所以分水闸和所有节制闸选择采用一体化测控槽闸。退水闸门主要作用是在闸门下游渠道出现事故时由退水节制闸截断水流，并同时打开退水闸门将上游来水泄走，退水闸门工作状态为全开或全关，无精确计量的要求，同时要求启闭速度快、泄流能力大，因此退水闸全部选择采用一体化测控板闸。

3.2.2 系统适宜性和效果分析

全渠道控制系统可实现自动化按需配水，提高了渠系水利用系数，缩短了用户和供水时间，节省大量劳动力。通过对渠系闸门的有效监控和全渠系水量的优化配置，在全渠道控制调度软件的支持下，几乎能够实现渠系“按需供水”，为用水户提供安全、公平、可靠、灵活的供水服务。这种系统的特点以及所采用的一体化闸门的结构完全适合于以明流输水为主的引洮供水二期工程，其应用效果分析如下：

(1)可实现全工程供水及灌溉的信息化管理和自动化控制。

(2)可实现高精度流量计量与控制(±2.5%)，确保受水区供用水总量控制，同时也可实现高精度水费计量，确保供用水方的利益。

(3)一体化槽闸采用顶面溢流式的过流方式，完全消除了低水位、小流量时传统闸门和计量设备的控制计量缺陷。

(3)各闸门之间的连动调节可有效减少渠道弃水，提高输水效率，增加工程供水效益。

(4)渠道水位波动减小，供水稳定且流量大，可为上、下游提供同等快速的供水服务，实现高效安全供水。

(5)一体化闸门的精确控制计量技术，能够准确查明水量损失点或渠段，及时并有针对性地对渠道进行维护，有效减少水量及效益损失。

综上，全渠道控制系统和一体化测控闸门是先进设备与信息技术的强强结合，能够实现节水及水资源的高效利用，全面提升运行管理水平，确定推荐其对原闸门及其控制系统进行优化升级。

4 结论与建议

通过实施引洮供水二期全渠道闸门控制系统，可实现全渠道流量精确计量和自动化管理，保证引洮供水工程水资源调配的实时监控、过程跟踪、智能调度和准确投递，同时可进一步节省劳动力，提高水资源利用效率，为合理配置水资源提供有力支持。项目实施符合新时代水利现代化发展的思路及要求，是加快推进引洮供水工程水利现代化建设的重要举措。

(1)全渠道控制系统是由国外引进的新技术及新设备，虽然近些年国内多家科研机构和厂家也在大力研发相类似的全渠道闸门控制系统，但在控制调度软件系统方面尚不完善，实施中需进一步针对国内应用环境，自主进行针对性、适用性开发。

(2)全渠道控制系统中闸门的控制采用“蓄水池”原理。该控制形式在平原地区坡度较缓、水流流速较慢的工程应用并无太大问题，但在坡度较陡、流速较快的山区丘陵区工程中使用，会对闸孔宽度等闸室空间布置提出新的要求。

(3)全渠道控制系统作为引洮供水二期工程运行管理信息化系统的子系统，最终需接入工程调度中心集控自动化系统平台，以实现引洮供水工程的整体远程集中控制，现地一体化闸门测控单元的核心控制器应满足闸门所有监控功能，应采用标准化模件集成，和引洮供水运行管理信息系统无缝对接，完美兼容。