徐永兵，孫水英（山東省水利勘測設計院，山東濟南250013）

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南水北調東線一期工程山東段調度運行管理系統(tǒng)需求分析與設計實現

徐永兵，孫水英
（山東省水利勘測設計院，山東濟南250013）

南水北調東線工程是一項旨在緩解山東、天津等北方省市水資源短缺的國家戰(zhàn)略性調水工程。山東段調度運行管理系統(tǒng)是山東段干線工程運營管理的支撐系統(tǒng)，對山東段干線工程的高效運行、可靠監(jiān)控、科學調度和安全管理起著至關重要作用。本文從調度運行系統(tǒng)的需求入手，就系統(tǒng)用戶、輸水工程特點及系統(tǒng)功能等方面展開分析，明確了系統(tǒng)設計原則，梳理了系統(tǒng)設計思路，進行了系統(tǒng)總體架構的設計。本文還就輸水控制關鍵技術方案展開了論證，建議目前采用分三階段進行輸水控制方式，待今后條件成熟時再實行實時閉環(huán)自動控制方式。

南水北調；運行管理系統(tǒng)；需求分析；輸水控制；關鍵技術

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.008

南水北調東線一期山東段工程主干線自蘇魯省界進入韓莊運河，經臺兒莊、萬年閘、韓莊泵站提水進入南四湖的下級湖，由二級壩泵站提水進入上級湖，經湖內航道進入梁濟運河，由長溝、鄧樓泵站提水進入柳長河，再由八里灣泵站提水入東平湖，經東平湖后，分兩路分別向黃河以北和膠東地區(qū)供水。向黃河北供水線路，經穿黃隧洞過黃河，自流進入小運河至臨清，一期經七一、六五河進入大屯水庫；二期經穿衛(wèi)樞紐工程向河北省、天津市供水［1］。向膠東地區(qū)供水線路，由東平湖渠首閘引水，經膠東輸水干渠輸水，向濟南市及其以東地區(qū)供水。工程在山東境內分為南北、東西兩大輸水干線，形成“T”字形輸水大動脈，干線長1191.81km。

針對山東段工程具有線路長、供水范圍大、用水戶多、控制性建筑物多、水質污染源多、影響調水計劃的因素多、運行管理機構地域分布廣和層次多、管理復雜、系統(tǒng)龐雜的特點，需采用先進的信息采集［2］、信息處理，自動化控制、通信和計算機網絡、視頻監(jiān)視、數據庫及信息管理技術以及現代化的運營、維護、管理理念，建設一套完善的、先進的調度運行管理系統(tǒng)來對工程進行運營、維護和管理，確保山東段干線輸水安全、可靠、長期、穩(wěn)定、經濟運行［3］。

1 需求分析

圍繞著實現供水目標，分析工程調度特點和業(yè)務流程，系統(tǒng)總體需求歸納為：全線水量統(tǒng)一調度，全線輸水分段閉環(huán)自動控制，保障全程調水安全、保障工程運行安全，快速響應突發(fā)事件、進行調度會商科學決策。

1.1 系統(tǒng)用戶分析

（1）主管上級用戶：能夠了解調水工作情況、水事件處理情況、審批調水指標和計劃，協(xié)調處理相關事宜，具有與上級主管部門聯(lián)網和交換數據信息的功能。

（2）會商決策用戶：對調水方案進行決策會商，面對突發(fā)事件進行分析決策，系統(tǒng)提供的決策信息環(huán)境盡可能地再現現場或者仿真未來情形，為決策者做出正確的決定提供依據。

（3）調度作業(yè)用戶：從事調水運行方案制定、調度計劃編制、實施調水計劃監(jiān)控、工程運行監(jiān)測與日常管理。

（4）普通員工用戶：需要進行日常辦公、公文及文件處理、各種信息查詢和互聯(lián)網信息瀏覽。

（5）社會公眾用戶：需要了解供水水質信息、水量信息，以及用戶取水許可、用水申請、繳納水費等內容。

1.2 輸水工程調度分析

1.2.1 輸水工程特點

時空差異大：山東段三片輸水時間不同，其中魯南片從南四湖、東平湖引水，引水時間為240天；膠東片從膠東干線引水，引水時間按膠東干線總體水量調度方案設置；魯北片從魯北干線引水，引水時間122天。時空差異大決定了調水控制方式，要求最終應具有全線實時閉環(huán)自動控制功能和分三片實時閉環(huán)自動控制功能。

調水過程控制復雜：工程調水與防洪、排澇、灌溉和航運等功能相互結合，而且沿線跨越的河流及道路眾多，各類水工建筑物眾多，沿線取水口門眾多，輸水過程復雜；東平湖以南采用梯級泵站提水方式輸水，魯北和膠東地區(qū)采用節(jié)制閘、分水口門控制方式自流輸水，需要考慮聯(lián)調聯(lián)控，由于采取分區(qū)供水、按時供水，輸水控制方式復雜。

水資源分配復雜：東線工程存在本地水與客水的混合配置問題，在供水區(qū)內存在現有的跨流域調水和新增的調水并存情況，水資源調配比較復雜。

水質安全隱患多：沿線周邊經濟快速增長帶來排污量的日益增加，城鎮(zhèn)、船舶生活污染還沒有得到有效控制，加之突發(fā)性污染事故時有發(fā)生，水質監(jiān)測任務艱巨。要有實時的、有效的水質監(jiān)測手段和水質信息收集手段對輸水沿線河道、湖泊、水庫和各支流匯入輸水河道的水質進行監(jiān)測［4］。

渠道安全隱患多：山東段有不少河流是用于防洪、排澇的，工程安全較易受洪水影響。冰期輸水使得工程安全問題尤為突出，需要全面收集工程運行信息，準確分析判斷、及時預警，以保障工程的安全運行。

系統(tǒng)龐大復雜：東線工程是一項跨流域的長距離特大型調水工程，跨越區(qū)域廣、工程規(guī)模大、建筑物多、實時控制性強，工程運行調度管理非常復雜，需要先進的自動化調度系統(tǒng)作支撐。

1.2.2 輸水工程分類

正常調度：根據各分水口門的供水計劃，確定各段的輸水流量。

非常調度：供水運行的非常調度情況有以下幾個方面：冰期輸水、渠道局部檢修、計劃停水檢修、應急調水、突發(fā)事故。

1.3 輸水調度建設重點

（1）開發(fā)建設內容全面、概化與模型適用范圍基本獨立的水量分配調度模型；開發(fā)建設以此模型為基礎的、功能完善、適用方便的水調業(yè)務處理系統(tǒng)，是實現本工程調水目標的核心。為保證水調業(yè)務處理系統(tǒng)的運行，需要閘站監(jiān)控、視頻監(jiān)視、水質監(jiān)測、工程安全監(jiān)測、綜合辦公等一系列功能的支持。

（2）建設完善的信息采集系統(tǒng)是水量調度運行管理系統(tǒng)的基礎，包括自動采集、人工上報、外單位接入的各類信息，信息種類包括受水區(qū)社會、經濟、生活、氣象、水文、需水、用水信息，東線全線氣象、水情、工程運行、工程安全、視頻監(jiān)視、水質信息、黃河、淮河、相關防汛信息等［5］。

（3）建設穩(wěn)定可靠、安全快捷的閘（泵）站監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控的對象類型較多，包括泵站、閘站、分水口門、退水閘等，對泵、站、分水口門、退水閘實時進行監(jiān)測和控制將是泵工程實現正常輸水后的日常工作任務。

1.4 系統(tǒng)功能及數據需求分析

總體功能需求包括正常情況下如何調水、緊急情況下如何調水、遇到重大問題時有決策會商環(huán)境、用于調水的輔助功能及滿足企業(yè)運營管理的相關功能等。山東段調度運行管理系統(tǒng)的功能需求如圖1所示。

根據對調度運行管理的功能需求分析，系統(tǒng)所需要的數據包括如下幾類：水量調度數據、閘（泵）站監(jiān)控數據、工程安全監(jiān)測數據、水質監(jiān)測數據、水情監(jiān)測數據、工程管理數據、視頻監(jiān)視數據、水量調度仿真數據等。

1.5 系統(tǒng)性能及接口需求分析

要求系統(tǒng)功能齊全、響應速度快、人機界面友好、易操作、易維護、具有較強的容錯能力，與相關系統(tǒng)、平臺、數據等的接口設計全面清晰，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全可靠。

本系統(tǒng)是一個涉及區(qū)域廣、龐大的業(yè)務系統(tǒng)，需要獲得外部水情、雨情、洪水預報信息，以充分利用社會資源［6］；同時，向外部提供調水有關信息服務社會，主要接口：

（1）主管部門：國調辦、水利部、省水利廳等上級主管部門，系統(tǒng)向上報送、請示，或回報情況，其接口可以是遠程終端，也可能是專線應用系統(tǒng)級的聯(lián)網。

（2）有關部委：如：國家防辦、省氣象部門、國土資源局、國家地震局等有關業(yè)務部門，相互之間互通信息，保障水量調度業(yè)務的正常運行，其接口可以是專線數據聯(lián)網。

圖1 南水北調東線工程山東段調度運行管理系統(tǒng)的功能需求分析示意圖

（3）沿線防汛部門：與省水利廳（省防辦）等單位互通需水信息或者防汛信息，其接口可以是專線數據聯(lián)網。

（4）淮委、黃委、海委等流域機構，相互之間互通信息，其接口可以是專線數據聯(lián)網。

（5）國家級業(yè)務系統(tǒng)，南水北調山東段調度運行管理系統(tǒng)在國民經濟中占有重要的地位，反恐、水質、安全等方面將與國家級應急響應系統(tǒng)相協(xié)調一致。

2 總體設計方案

2.1 設計原則

（1）堅持設計的科學性、合理性和公正性。

（2）堅持設計的統(tǒng)一性、完整性和先進性。

（3）堅持“實用先進、高效可靠”的原則。

（4）遵循“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標準、統(tǒng)一設計、統(tǒng)籌實施”的建設原則。

（5）要從各個層面進行安全系統(tǒng)設計，確保系統(tǒng)和網絡、可靠、安全運行。

2.2 設計思路

在對項目的特點、難點進行深入分析和全面理解的基礎上，緊緊圍繞著水量調度運行管理特點，分析研究系統(tǒng)建設的關鍵問題，以調水業(yè)務為核心，以全線自動控制為重點，統(tǒng)籌考慮工程運行管理、綜合辦公要求，開發(fā)建設能夠應對各種調水突發(fā)事件和調度決策的會商系統(tǒng)，滿足水量調度以及相關業(yè)務的用戶需求；進行數據采集、傳輸、存儲系統(tǒng)建設，做到采集數據全面、傳輸及時、數據暢通、信息共享，為調度決策提供功能強大的支持環(huán)境。充分考慮系統(tǒng)建設的開放性、可靠性、可維護性和可擴展性。

2.3 系統(tǒng)總體設計

山東段調度運行管理系統(tǒng)是一個作業(yè)運行性強、決策支持要求高、用戶眾多的復雜系統(tǒng)。以水調業(yè)務為主，涉及設備控制、圖像監(jiān)控、工程安全監(jiān)測，水質監(jiān)測、工程防洪預警、運行維護、自動化辦公和綜合會商等各個方面。具有空間跨度大，控制節(jié)點多，工程運行管理控制復雜，自動化、集成化要求高的特點。其系統(tǒng)建設內容十分廣泛，涉及到信息采集、傳輸、存儲、信息標準與管理、應用系統(tǒng)等的建設。整個項目將運用先進的水利和信息技術，以數據的自動采集、泵/閘站的遠程自動控制、虛擬現實與模型仿真、寬帶網絡、大容量數據存取和處理、智能化信息提取、動態(tài)互操作、地理信息系統(tǒng)等為技術基礎，全面、及時地采集所需數據，快速進行數據傳輸，安全可靠地進行數據存儲管理。并以業(yè)務流程為主線，采用多層結構化軟件系統(tǒng)技術架構開發(fā)應用系統(tǒng)的方式進行建設，為水量調度、信息監(jiān)測與管理、工程管理、綜合辦公、綜合會商等業(yè)務提供數字化的操作平臺和決策支撐環(huán)境。在該系統(tǒng)的支持下，全面提高水量調度等各項業(yè)務的處理能力，實現調水過程的自動化，保證全線調水安全，并運用綜合信息管理系統(tǒng)實現企業(yè)管理現代化。

系統(tǒng)邏輯構成包括：應用系統(tǒng)、閘（泵）站監(jiān)控系統(tǒng)、應用支撐平臺、數據資源管理平臺、信息采集系統(tǒng)、計算機網絡系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、系統(tǒng)實體運行環(huán)境、安全體系、標準規(guī)范體系、建設運行管理體系等十一部分，系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 南水北調東線山東段調度運行管理系統(tǒng)總體框架圖

3 輸水控制關鍵技術方案論證

一期工程南四湖下級湖和上級湖均具有輸水和調蓄功能［7］，但上級湖在調蓄時不允許抬高上級湖的正常蓄水位，在達到正常蓄水位時，要求調水在南四湖上級湖進出平衡；東平湖的大汶河來水已在黃河水資源中分配，不再作為供水水源，只考慮其對調水水位的影響。東平湖擔負著重要的防汛任務，雖有調蓄能力，但在輸水期間調蓄能力不利用，即東平湖輸水期間沒有調蓄職能，要求調水隨進隨出［8］。因此可以將南四湖上級湖和東平湖看作是特殊輸水河道。其輸水方式如圖3所示。

圖3 南水北調東線山東段輸水形式示意圖

3.1 分三階段進行輸水控制

與東平湖連接的魯北段、膠東段及八里灣泵站至鄧樓泵站段，在輸水期間都不能進行調蓄，對輸水控制都有實時性要求，而東平湖在南水北調輸水期間也不起調蓄作用，因此，上述圍繞東平湖三段輸水應采用實時閉環(huán)自動控制方式。

由于二級壩泵站至韓莊泵站段之間有下級湖調蓄，二級壩泵站至鄧樓泵站段之間的梁濟運河也有一定的槽蓄作用，對輸水控制的實時性要求不高，但有及時性要求。韓莊運河調蓄能力較小，要求3座泵站聯(lián)動控制。另外三段之間還需進行統(tǒng)一調度控制，以保證開放式河道輸水，引調水水量不流失。詳見圖4。

圖4 分三階段進行輸水控制方式示意圖

3.2 分兩階段進行輸水控制

東平湖、南四湖上級湖、梁濟運河在達到正常蓄水位時輸水按過水河道考慮，要求由下級湖經二級壩泵站抽上來的北調水及時輸走，不能再占用上級湖、東平湖的庫容，因此，魯北段、膠東段、兩湖段以及二級壩泵站采取實時閉環(huán)集中控制方式。

由于南四湖下級湖有調蓄作用，上級湖與韓莊運河之間可以分片區(qū)進行輸水控制。兩片區(qū)之間雖對實時性要求不高，但有及時性要求，因此，兩段之間還需進行聯(lián)動控制，以保證開放式河道輸水，引江北調水水量不流失。詳見圖5。

圖5 分兩階段進行輸水控制方式示意圖

3.3 實時閉環(huán)自動控制

不管采用三段控制還是兩段控制，為保證開放式河道輸水，調水水量不流失，段間還需要統(tǒng)一調度、聯(lián)動控制。因此，方案三采用全線實時閉環(huán)自動控制方式，這也是“無人值班，少人值守”最終目標。詳見圖6。

圖6 實時閉環(huán)自動控制方式輸水控制方式示意圖

3.4 論證結果

由于實時閉環(huán)自動控制方式對閘泵站監(jiān)控系統(tǒng)的安全可靠性和網絡的安全性要求較高，要求雙路由，設備雙備份，因此投資比較大。一般用于沒有調蓄設施的自流輸水方式。因若實時閉環(huán)自動控制方式出現問題，即閘門監(jiān)控系統(tǒng)出現問題極易造成水溢渠壩、漫堤、渠堤坍塌、潰堤等事故，不僅造成設備損毀、水泵損壞，還會給周邊地區(qū)人民生命財產帶來損失，因此必需確保自流輸水時閘站監(jiān)控系統(tǒng)的安全可靠性和網絡的安全可靠性。目前泵站、水庫等現地采用“有人值班，少人值守”、節(jié)制閘及分水口門等采用“無人值班，少人值守”的運行方式，考慮工期緊，為保證按時完工、節(jié)省工程投資、降低運維費用，采用分三階段進行輸水控制方式。待今后條件成熟時或在二期中再進行升級。

4 結語

山東段調度運行管理系統(tǒng)是山東段干線工程運營管理的支撐系統(tǒng)，對山東段干線工程的高效運行、可靠監(jiān)控、科學調度和安全管理起著至關重要作用。系統(tǒng)將為南水北調東線山東干線水量調度自動化、決策科學化、企業(yè)管理現代化奠定基礎，也為今后南水北調東線全線聯(lián)網實現自動化調度奠定了基礎。我們根據調度運行系統(tǒng)需求，進行了系統(tǒng)方案的總體設計。根據南水北調東線山東段工程特點，建議目前采用分三階段進行輸水控制方式，待今后條件成熟時再實行實時閉環(huán)自動控制方式。

［1］江守鈺，陳希媛，彭順風.南水北調東線第一期工程調度運行管理系統(tǒng)概述［J］.水利水文自動化，2007（01）：15-17.

［2］王根喜.南水北調東線一期工程管理信息系統(tǒng)設計［J］.水利規(guī)劃與設計，2005（01）：72-74.

［3］閆國福，辛貴升，辛紅.南水北調東線第一期工程調度運行管理系統(tǒng)設計［J］.水利水電工程設計，2008（02）：26-28.

［4］矯桂麗，朱麗麗，祖晶.南水北調東線山東段水質監(jiān)測站點的布設［J］.水利規(guī)劃與設計，2013（06）：48-50.

［5］周洲，祁潔，沈醉云.大型調水工程運行管理系統(tǒng)的應用設計［J］.水利信息化，2014（05）：54-55.

［6］晉成龍，王根喜，方國材.南水北調東線一期工程通信網絡系統(tǒng)設計［J］.水利信息化，2013（05）：60-63.

［7］劉長余，趙培青.論南水北調東線山東段工程規(guī)劃［J］.水利規(guī)劃與設計，2007（02）：4-6.

［8］趙培青，武瑞鎖，王俊杰.南水北調東線南四湖～東平湖段輸水結合航運梯級方案研究［J］.水利規(guī)劃與設計，2007（02）：7-9.

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1672-2469（2016）01-0019-06

2015-09-02

徐永兵（1981年—），男，工程師。