江 涛，邓朝仁，刘双美，麻泽龙，李 腾

(1.四川省水利水电工程移民中心，成都，610000；2.四川省水利科学研究院，成都，610072)

0 引言

灌区是农业和农村经济发展的重要基础设施，推进灌区现代化改造并实现节水增效是促进乡村振兴、保障国家粮食安全的重要途径之一[1-2]。作为重要水利工程设施，闸门的智能远程控制和过水精准计量关乎农业水资源的利用效率和效益，是灌区水资源调控不可忽视的重要环节[3-4]。相较于灌区干渠、支渠等大型渠道，斗渠、农渠等中小型渠道易受建设资金、工况环境等因素限制，导致闸门自动化控制、过水计量等设备设施配置率严重不足，成为制约灌区水资源高效利用的瓶颈[5-6]。为此，许多学者围绕测控一体化闸门及其调控技术开展了研究。目前，测控一体化闸门已实现太阳能电源、机械结构、动力系统、感知设备和无线通信模块等组件的一体化集成，但相关研究集中于采用传统的槽闸或板闸进行集成控水，测控一体化闸门在实际运行过程中存在的设备稳定性差、淤积频繁、测水数据偏差、密封性较差等系列问题仍未能很好地解决[7-9]。本研究在充分总结灌区小型渠道输配水控制需求的基础上，设计研发了一种封闭式智能测控一体化闸门系统，以期为促进灌区末端渠系输水智能化控制和精准化计量，提升农业水资源利用效率与管理水平提供技术支撑。

1 封闭式测控一体化闸门系统架构

针对灌区多数渠系末端分水节点面临位置偏僻、交通不便、供电困难、工况环境差、垃圾多易堵塞、难以修建标准渠系断面等使得控水管理困难的问题，本研究基于安全耐用、可靠、操作简捷的原则，研发了一种封闭式测控一体化闸门系统。系统由封闭式闸井、太阳能电源、视频监控、过水计量设施、测控系统等关键功能器件组成。封闭式闸井采用集多功能为一体的封闭式闸室结构，使所有功能器件运行使用均在箱体完成。系统采用太阳能光伏系统以解决供电问题、选用电磁流量仪实现流量精准计量、采用物联网方式进行网络传输，测控系统可实现各单元数据采集、汇总、上传，移动和PC端无线远控。系统架构见图1。

图1 系统架构

2 封闭式测控一体化闸门系统设计

2.1 封闭式闸井结构设计

封闭式闸井外部结构由底座、标准节和顶节组成，闸室、闸井及井盖采用玄武岩纤维制作，避免锈蚀。顶节盖板门采用液压撑杆式门钺，采用扫描二维码开锁和密码开锁两种模式进行封闭式管理，实现防盗和设备保护；系统采用封闭式闸井预制件以整体成型的方式制作，便于现场安装。闸井内部可集成包括进水管、出水管、闸门组和启闭机组和流量计等设备，所有功能器件均在箱体内运行，为设备提供安全、稳定的运行环境；闸井内水流通过管道流出使得井内干燥无水，设备不易受锈蚀等影响，进一步提升运行稳定性；进出水管道间采用波纹管连接，便于检修和清淤。闸井结构见图2。

图2 闸井结构

2.2 测流方案选择

已有研究中，针对闸门测流的方案较多，包括雷达流速仪法、超声波时差法、上下游水位法等，不同的测流方法在输配水工程应用示范研究中取得了一定的效果，但由于不同厂商设备的种类、测流控制方式及渠系环境多种多样，产品质量和技术要求参差不齐，且目前国家没有测控一体化闸门的相关技术标准，导致在灌区实际运用中，用水测量精度很难得到供需水双方的认可[10-11]。因此，在闸井机械结构设计过程中，分水口分水采用圆形管道过水方式便于过水计量。按照《灌溉渠道系统量水规范》(GB/T 21303-2017)要求，管道宜采用管道流量计法进行过水流量测量。因此，本研究选用取得原国家质量技术监督局认定计量许可的测流设备“电磁流量仪”进行流量测量，流量计安装在出水管末端长直管道位置，实现过水流量精准计量。

2.3 电器设计

系统采用PLC控制器实现闸门的启闭控制，在具备必要的权限(通信、软件权限、用户权限)情况下，操作人员可通过PC端或手机移动APP端下达闸门远程控制命令以控制现场闸门启闭。硬件系统主要由PLC控制器、电气元器件、传感器等设备构成。PLC负责数据采集和控制功能实现，闸门的开度通过专用传感器设备与PLC进行通讯，PLC模块通过网口与管理中心上位机进行通讯。系统采用物联网卡作为通讯方式，以提供系统运行指令发送、数据信息采集所需流量。考虑到测控一体化闸门系统多安装于野外，渠系供电不便，因此，采用太阳能光伏供电方式供电，选用高效光伏板和蓄电池，根据闸门启闭功耗、数据采集频次等计算用电功率、选择光伏板和蓄电池参数并留足余量，确保阴雨天气闸门系统仍能稳定运行。为实现闸控的远程操控和无人值守的目的，系统集成闸旁视频监控系统接口并建立视频监控系统，实现除采集闸控系统运行状态参数外，还通过闸井旁视频监控，为管理者操控设备提供优越的视觉解决方案，并有效地防止事故及人为破坏事件发生。

2.4 控制管理平台设计

为满足试验和小团体用户使用要求，本研究设计了小规模控制管理平台，平台主要支持数据实时查看、远程控制、报警接收、数据处理等功能，实现手机APP客户端和PC端远程实时信息查阅和管控。系统支持各闸控站闸位、开度、流量及视频监控数据实时查询；支持设定流量控制功能，用户可以根据需要流量调节闸门开度，从而调节闸后流量到需要的数值；支持远程报警接收与管理功能，数据、设备异常时通过手机APP、手机短信、邮件方式自动报警；支持数据管理，根据用户需要管理的数据分析和图表系统按照设定自动生成“日报表”“月报表”，并定期发送邮件给指定的管理者或责任人，帮助运管单位掌控渠道信息。此外，考虑用户个性化需求，平台支持对灌区其他功能数据提供对接接口，便于进行功能拓展和升级，以更好地发挥系统效益。

3 工程应用示范

3.1 试点基本情况

东风渠灌区地处成都平原腹心地带，灌溉面积19.448万hm2，承担着四川省成都、眉山两市二十个县(市、区)的农田灌溉与成都市生活、工业及环境供水任务。经过多年建设，目前灌区干、支渠重要闸门已基本实现自动化控制，对规模以上取用水户实现了用水实时计量。但由于灌区内水利枢纽工程数量较多，取水节点较为庞杂，渠系末端自动化设备配置缺失严重。灌区目前渠系末端分水洞多为管道式下穿渠堤引水，通过安装在渠道内坡的手动螺杆式启闭机配套铸铁闸门进行调节，启闭机放置于闸房、闸井或者露天中，闸门止水效果差，缺少计量设施，末端渠系输配水控制与计量已成为当前灌区管理的痛点问题。

3.2 示范成效

针对试点区域存在的问题，本研究在东风渠管理处灌区选取了20个分水口站点进行测控一体化闸门示范。结果表明：封闭式闸井设计为设备提供了较好的运行环境、增加了安全防护能力，系统在野外现场条件下能够长期稳定运行；通过模块式拼装，到现场可以直接安装，简化安装程序，降低了土建成本；系统运行维护频率和技术要求较低，运行成本低；管理者可通过PC端和手机APP客户端实现信息查阅和闸门远程控制，可显著减少人力成本，提升管理效率。该系统在中小型渠道尤其是分水洞的输配水控制和水量计量方面具有较好的推广应用价值。图3为测控一体化闸门安装实现。

图3 测控一体化闸门现场安装

4 结语

(1)封闭式闸井实现了闸门、计量设施、电气设施等功能器件在闸室内集成，提升了设备运行的稳定性和安全性。

(2)运用管道过水方式，便于水量计量，同时确保井内设备处于无水运行状态，可延长闸室内设备的使用寿命，便于维护管理。

(3)系统集成了控制、传输、计量、监控等功能于一体，具有功能齐全，操作简单的特点，适用于中小型渠道输配水管理。

(4)为确保其在应用中对供需水双方的公信力，本研究选用了电磁流量计进行过水流量计量，下一步宜开展实验室试验和现场应用试验验证流量测量精度。