阀式自动控制闸在灌区现代化改造的优势探讨

　　摘 要：灌区存在大量过流能力 0.1m3/s 以下的小型取水口，往往由于闸门设施简陋、管理粗放、缺少监控而产生严重的水资源浪费。农业水价综合改革要求计量用水到户，传统的小型取水口闸难以满足这一要求。本文基于江西锦北灌区小型取水口的管理现状和问题，讨论分析国内外现代化自动控制闸的适用性，提出自主研发阀式远程自动控制闸的方案。该闸型技术功能强而成本低、易于量产，可集成自动量水、远程控制与视频监控的一体化自动监控系统，便于安装与维护，运行管理效率高，在小型取水口大面积自动化改造方面优势明显，具有推广价值。

　　关键词：阀式闸;自动测控;小型取水口;灌区

　　引言

　　锦北灌区地处江西省西北部的宜春市，横跨锦河南北两岸，覆盖面积 1 624.35km2，主要灌溉高安、上高、宜丰、奉新一市三县境内 21 个乡镇与农场耕地共计3.62 万 hm(254.37 万亩)。锦北灌区属于多库多坝蓄、引水大型灌区，由锦河拦河抬水坝 1 座、大(2)型水库 1座、中型水库 3 座、小型水库 103 座、山塘坝 338 座、引水陂闸 4 座和锦惠干渠渠首进水闸组成，明渠系统含 16条引水干渠、55 条支渠和 535 条斗农渠，现有 0.1m3/s流量以下取水口 13 932 座。锦北灌区管理局编制人员和管理经费受到多种限制，目前难以做到对灌区水利工程全部监管到位，在技术上主要负责干渠工程管理，而干渠以下的支、斗、农渠及田间工程管理均交由归地方政府管辖。

　　由于各支、斗、农渠的取水口缺乏高效的监控设施，用水管理较为粗放，用水矛盾突出，水资源浪费严重。随着农业水价综合改革的不断深入，灌区的水资源管理越来越需要精细化、信息化，亟需改变渠系末端取水口及田间工程缺乏计量装置的现状，在不增加人员规模的情况下解决好取水口用水过程自动计量、自动控制问题，实现灌区高效管理。为此，本文即根据此项专利提出采用阀式自动控制闸进行取水口监控设施改造的方案。

　　1 现状与问题

　　锦北灌区现状取水口均为传统的人工螺杆式启闭平板闸门或手提式平板闸门，在实际运行管理过程中存在较多弊端，主要体现在以下几个方面：

　　(1)平板闸门设施容易损坏。传统的人工螺杆式启闭平板闸门或手提式平板闸门均为上升式开启，导致螺杆或提杆长期外露，又因缺少保护装置，容易被人为破坏变形使闸门无法正常启闭。已经提升的螺杆在关闭下行时，受行程极限影响，也容易发生螺杆顶撞弯曲变形，使闸门闭合不严。

　　(2)闸门启闭难以管控。传统闸门采用人力方式启闭，没有启闭机保护设施，用水户可随意自由控制闸门的启闭，往往管用不管建、管开不管关，渠水长期出流造成浪费。由于专业管理人员数量十分有限，难以对大量取水口实施长期值守监管，水资源漏失率居高不下。

　　(3)维修保养难度大。螺杆式启闭闸的材料主要是铸铁与钢板，常年裸露在外或淹没在水下，极易锈蚀，需经常上油保养，闸门也需要定期涂抹油漆防腐。闸门结构部件多为螺丝等锁固件，维修时更换配件过程繁琐。为防止盗失，手提式闸的闸板封闭在闸槽内。因此，一旦闸门损坏，必须将闸室拆除后才能取出闸板进行维修或更换，然后又要重建新的闸室，费时费力。

　　(4)升级改造成本高。原有的螺杆式启闭机均为手摇式启闭机，未进行电动配套。如需升级改造成远程控制设施，需增设电动机、远程控制系统、电源系统等装置[1]。此外，原取水口均无计量装置，在升级改造时，还需增设管道或量水槽以及水位或流量自动采集系统，要配备电源。因此，将现有取水口的控制闸升级改造成自动计量及远程控制闸将耗费较高的成本。以现行市场价计算，一座取水口闸的改造成本接近 3.5 万元。

　　2 升级改造方案

　　比选为了改变灌区用水管理粗放、水闸调控计量设备简陋的局面，同时解决现有取水口闸升级改造成本高的问题，锦北灌区管理部门积极调研升级改造方案。根据当前国内外的技术发展水平和灌区的实际情况，有几种方案可选，各有利弊。第一种方案是引进国外先进设备。

　　发达国家渠道取水口自动测控起步早、设备先进，已经广泛应用物联网技术，总体上实现了数字化、精细化管理[2]。其中，可供引进的代表性产品有澳大利亚潞碧垦(Rubicon)公司的一体化测控槽闸，该设备集精确的流量计量、高精度的闸门控制、全太阳能驱动和无线通讯功能于一体，在自由出流或淹没出流条件下，监控系统均可以通过自身测得的上下游水位和闸门开度计算出流量[3]。

　　第二种方案是采购国内成熟的测控闸门产品。近10 年来，国内的现代化水闸技术也快速发展，出现了一批较为成熟的产品。目前推广最多的现代化水闸，以新型一体化测控闸为主导。这种测控闸是在传统的螺杆式启闭闸上进行改良得到的，具有集精准流量计算、高精度闸门控制、全太阳能驱动和无线通讯功能于一体的特点[4]。第三种方案是从灌区的实际情况出发自行研制组装水闸监控系统，即借鉴国内外现有的技术进行自主研发，形成在灌区适用性更强的装备，并实现量产推广。

　　在方案的选择上，成本控制是一个关键因素。不管是进口国外的一体化测控闸，还是使用国内厂家生产的新型一体化测控闸，都存在价格偏高、性价比偏低的问题。这些装备结构精巧、材料昂贵，但安装之后要长期裸露在野外，安全风险高，后期维护需要追加大量经费。如果对设施进行严格保护，则需要修建封闭式管理房，增加基建成本。国外设备供货周期长、后期配套服务繁琐，很难从根本上解决灌区的实际问题[3]。灌区管理局通过反复调研，对市场现行各种信息化设备进行分析、研究，总体上认为需要采用第三种方案，才能既实施灌区大面积范围的闸口测控设施改造，又达到成本可控。

　　当然，自主研发对灌区管理部门的技术把控能力也是较大的挑战。近年来，灌区管理局组织相关技术力量，联合国内的软、硬件制造企业，进行了阀式远程自动控制闸的研发探索，取得了初步的经验，并在 2020 年将自主研发的阀式自动控制闸取得了国家专利。本次自主研发的小型水闸测控系统，主要期望达到以下目标：

　　(1)具有自动化功能。通过集成自动量水、自动启闭、自动数据采集与传输、视频监控等功能，使该闸型具备远程控制及测报数据显示功能，可实现自动化操作与管理，解决用水量不清楚、无记录、难计量问题。

　　(2)易于量产和维护运行。通过水闸各配件的模块化、标准化，为实现量产提供便利，设备结构更实用、操作更简单、维修更方便，从而降低维护成本。通过配套信息化技术，增加手机客户端远程控制及数据显示功能，实现多级自动化操作与监控，提高管理效率。

　　(3)非接触式管理、减少用水纠纷。用水户通过手机客户端远程配置闸门作息制度，自由选择供水时间、调配用水量节约用水费用。管理单位则通过系统终端，远程监控水闸及用水量，进行总体控制、精细调配。这种管理运行方式能够实现制度公开、数据共享，减少了用水户与管理者的田间现场接触，避免了主观情绪导致的纠纷。

　　(4)关键设备隐蔽封装、具有较高安全性。作为关键设备的水闸启闭机，采用全封闭模式，设备不外露，一般人员只能通过授权的无线信号启闭闸门。因设备隐蔽且有封闭保护装置，不易遭受破坏，保障了闸门的长期安全运行。(5)建设成本低。将现有水利工程小型渠道取水口常用的平板闸门改为为阀式闸门，集成数据自动采集系统，通过工艺完善、材料精选和量产降低设备成本。单套设备的总体预期成本小于市场同类设备，价格降低 2 万元左右。

　　3 阀式远程自动控制闸的技术特点

　　3.1 闸门阀式远程自动控制闸

　　采用旋转式闸门组件，放弃现有的平板钢闸门结构。其闸门组件由四通式外壳、筒式闸门、连接杆等三个部件组成，材质可采用铸铁、不锈钢、塑胶等。其主要技术特点是：水平旋转，连接杆非上下移动，不外露;闸门可自由从外壳内取出，便于维护。

　　3.2 闸室阀式远程自动控制闸

　　为可拆分、拼装式一体闸，其闸室主要由底板、闸门基座、胸墙、启闭台、翼墙、盖板组成。其主要技术特点是：模板、混凝土工程量少，易施工;既可将原闸拆除重建，也可在原闸基础上改造，建设成本低。

　　3.3 控制终端阀式远程自动控制

　　闸控制终端主要由控制箱、电机、齿轮、水位计、行程开关、继电控制开关、RTU 等组成。其主要技术特点是：(1)水位计为自主研发数字式水位计，该水位计为触压式水位计，由压力传杆进行触水式传导，其余部件与水分离，保证了水位计各电子部件的使用寿命;(2)RTU 为自主研发采集终端，该 RTU 组合了继电控制开关、水位计、监控等设备模块的数据采集与传输，可按用户要求进行相关功能设备的自由组合;(3)控制终端为手、自两用控制，当控制终端无电源供应或局部设备损坏造成闸门不能自动启闭时，无需拆除自动控制装置即可手动控制闸门启闭。

　　3.4 监控阀式远程自动控制

　　闸外置监控设备，其主要技术特点是：立杆式外置监控摄像头，采用区域内红外线移动触感拍摄、RTU 数据出错报警拍摄技术，使监控摄像头条件式工作，以减少其用电功耗。

　　3.5 远程控制系统

　　阀式远程自动控制闸可与管理单位的终端控制软件和手机客户端软件通讯，以进行数据与视频资料的采集，实现远程控制和自动化管理。其主要技术特点是：

　　(1)多级权限管理，其中最高级管理权限可对所有阀式远程自动控制闸进行控制及数据查询，普通管理权限可对设定区域内的所有阀式远程自动控制闸进行控制及数据查询，用户端管理权限仅对其个体使用的阀式远程自动控制闸进行预用水量上报、缴费、控制及数据查询;(2)可视化闸门开度、即时用水量、总用水量、预设用水量控制、报警监控。

　　4 阀式远程自动控制闸的优势分析

　　根据推广趋势及应用成熟度来判断，新型一体化测控闸是目前国内外较为流行的技术。从功能上看，阀式自动控制闸也属于一种新型一体化测控闸。为了明确阀式自动控制闸在本灌区的适用性，先将其与市面上典型的新型一体化测控闸(箱式平板闸、弧型槽式翻板闸，结果显示阀式自动控制闸在功能上不输于其它新型一体化测控闸，而且具有更多优势，更适合于灌区取水口的大面积改造升级，具体可总结为以下几点：

　　(1)结构简单。阀式自动控制闸部件模块化明显，且均为拼装式，除控制箱需锁固于启闭台上，其它部件均无需各种锁固件，结构简单，便于安装。另外，其运行与传动方式简单，无需太多传动结构，仅有一根连接杆和两个变速齿轮，无需油料养护，维护十分便捷。

　　(2)单体重量轻。阀式自动控制闸可采用三种材质制作，其中塑胶材质的最为轻便，整体重量不超过20kg，不锈钢材质的也只有 50kg 左右，铸铁材质的相对要重一些，但相比新型一体化测控闸的最轻 100kg 也相差不大，而且由于是拼装式，各相关部件单体重量不会超过 50kg，十分便于安装。

　　(3)成本低廉。新型一体化测控闸的两种型式由于其型号较多，价格有所不同，价格为综合平均价，阀式自动控制闸价格有两种，其中 14 000 元的是不锈钢材质价格(塑胶材质的价格相差不大)，24 000 元的是铸铁材质价格。从对比中可以发现，阀式自动控制闸相比价格低廉，更符合灌区取水口升级改造需求。

　　(4)施工简便。新型一体化测控闸的两种型式均为闸孔自由出流设计理念，故对上、下游连接渠道均有一定的要求，要求闸体上、下游渠道水流平顺并尽量减少下游水跃形成，在施工过程中需对上、下游连接渠道进行硬化衬护处理。阀式自动控制闸的设计理念为有压管道出流，无需对上、下游连接渠道进行硬化衬护也能准确测出取水口流量，故对上、下游连接渠道没有要求，施工所需条件简单。

　　5 应用前景

　　阀式自动控制闸是为改变管理力量不足、灌区0.1m3/s 流量以下取水口无自动计量和无远程控制等问题而研发的一种新型一体化测控闸。它的主要应用方向就是小型取水口闸，而小型取水口闸又是灌区内数量最为庞大的闸群，如锦北灌区就有近 14 000 座。近几年农业水价综合改革快速推进，要求计量用水到户，各灌区均面临将这些小型取水口闸进行升级改造的问题。目前，通用自动化设备在市场缺少针对小型取水口闸的产品，现有设备价格较高而性价比较低，不适用于大面积灌区的闸群改造。

　　阀式自动控制闸着眼于小型取水口闸的特点，其成本低廉但功能完善、易于量产，可以大大提高自动控制闸的性价比。考虑小型取水口闸的集群特性，在实施改造过程中还可采用物联网技术、LORA 局域网技术和集中供电方式，将各取水口闸打包成闸群管理，以节省网络通讯、独立供电、搭建运管平台等各方面的费用开支，使灌区农业灌溉用水像城市供水一样达到自动计量、自动缴费、智能管理，真正实现农业水价综合改革目标。因此，阀式远程自动控制闸是灌区现代化改造中值得推广的一种技术。

　　参考文献：

　　[1] 张文渊. 灌区水闸的自动控制管理技术 [J]. 广西水利水电，1999(04)：54-56.

　　[2] 朱 蕾，赖 剑，罗 强. 一体化测控智能闸门在灌区中的应用[J]. 中国水利，2018(18)：50-51.

　　[3] 马乐平，刘 磊，陈兴国. 疏勒河灌区闸门精准远程自动化控制技术研究[J]. 中国水利，2017(14)：58-59+42.

　　[4] 史中兴，张师玮，张彦蕊，等.大型灌区渠道闸门一体化测控系统[J]. 灌排机械工程学报，2020，38(02)：145-151.

　　作者：王亚立，张正林