(陜西省地下水管理監(jiān)測局，陜西 西安 710003)

陜西省有兩百多個中小型灌區(qū)，大部分灌區(qū)存在梯級泵站輸水的情況，目前泵站信息化建設大多處于自動化階段，對于怎么進行聯(lián)調(diào)聯(lián)控目前還處于研究階段，在某些灌區(qū)也進行了試點建設嘗試，但由于建設單位都是以自動化建設為要務，如何管好水、用好水方面沒有進行過水力學、機電設備方面的考慮，所以效果不佳。當前絕大多數(shù)灌區(qū)的站群信息化都是以泵站為單元進行的自動化建設，在進行泵站自動化建設中沒有進行灌區(qū)級別的信息化考量，故此，存在站與站之間的流量銜接關系不夠明晰，各個泵站之間的停啟泵時間基本依賴人工操作，這就給生產(chǎn)帶來一定風險并增加了管理難度。如何解決這個問題成為了擺在灌區(qū)信息化方面的一個顯著的難點

本文以陜西省內(nèi)的港口灌區(qū)為例，進行各級泵站之間乃至整個站群的聯(lián)調(diào)聯(lián)控，以解決在大型灌區(qū)、中型灌區(qū)及需要長距離輸水時候的水量調(diào)度的問題。

1 港口抽黃灌區(qū)信息化建設現(xiàn)狀

港口抽黃灌區(qū)共建成各級(最高5級)泵站13座，3個灌溉管理站，管理設施面積7 200 m2，安裝抽水機組50臺套，總裝機容量2.63萬 kw，累計最高揚程294.57 m，加權平均揚程256 m。水源站港口站設在黃河潼關水文站上游800 m處，引水流量為7.15 m3/s，備用水源站零級站位于港口站上游2 km處，引水流量3.38 m3/s，泵站運行情況良好。港口灌區(qū)在前多年的信息化建設過程中，已經(jīng)實現(xiàn)了各個泵站的自動化。該信息化主要集中在單個泵站的自動化建設，經(jīng)過多個廠家的建設，目前已經(jīng)能夠做到泵站的數(shù)據(jù)采集、遠程測控、統(tǒng)計報表以及報警管理。但是要成為一套完善的梯級泵站聯(lián)調(diào)、聯(lián)控的信息化平臺，還有很多工作需要進行。借助于已有信息化基礎，充分考慮梯級泵站聯(lián)調(diào)、聯(lián)控信息平臺建設，爭取實現(xiàn)研究范圍內(nèi)所有泵站的聯(lián)調(diào)、聯(lián)控，努力將港口灌區(qū)打造為一個技術先進、管理規(guī)范的灌區(qū)信息化平臺。

灌區(qū)的水費和生產(chǎn)成本倒掛，實現(xiàn)對水量進行合理分配，對能耗進行有效調(diào)節(jié)，對設備運轉進行適時控制，以達到現(xiàn)代化灌區(qū)的基本要求。同時在聯(lián)調(diào)聯(lián)控的基礎上實現(xiàn)灌區(qū)的精細化管理，實現(xiàn)從需水到配水，從人工操作到電子化管理，從模糊概念到數(shù)字管理的一系列現(xiàn)代化管理措施。以期做到灌溉管理方面的實時性和有效性。同時在經(jīng)濟指標性能的基礎上，進一步監(jiān)測設備的生產(chǎn)運轉情況，將安全生產(chǎn)和經(jīng)濟運行相結合，打造一個經(jīng)濟運轉、可靠運行、管理先進的現(xiàn)代化灌區(qū)。

2 梯級泵站聯(lián)合調(diào)度信息系統(tǒng)研究內(nèi)容

該系統(tǒng)主要建成以灌區(qū)管理局為中心，覆蓋灌區(qū)各管理站和信息點，集遙測、遙信、遙調(diào)和遙控為一體的水資源利用和管理網(wǎng)絡，借助信息化系統(tǒng)，通過對泵站的聯(lián)控、聯(lián)調(diào)，優(yōu)化灌溉水資源的配置，最終實現(xiàn)灌溉增效，可持續(xù)發(fā)展的目標。主要是要基于信息化基礎上，充分利用現(xiàn)有自動化成果，搭建一套既能滿足現(xiàn)有需求，又要考慮后期建設；既要適應現(xiàn)代管理人員基本情況，又要采用新型信息化技術。在整體規(guī)劃的基礎上進行分步實施，以保證現(xiàn)有信息化成果和后期現(xiàn)代化灌區(qū)的要求(圖1)。

圖1 梯級泵站聯(lián)合調(diào)度信息系統(tǒng)總體布置圖

2.1 信息平臺建設

按照陜西省水利信息化頂層設計，結合港口抽黃灌區(qū)發(fā)展實際，以更加關注標準化規(guī)范化、資源共享利用、統(tǒng)一平臺建立、最新技術應用、安全措施增強、服務能力提升為出發(fā)點，基于面向服務的SOA架構，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)、視聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、智能化、可視化等新技術的作用，構建港口抽黃灌區(qū)信息化總體結構。

港口抽黃灌區(qū)信息化邏輯層次框架由物聯(lián)網(wǎng)絡層、基礎設施層(IaaS)、數(shù)據(jù)管理層(DaaS)、支撐平臺層(PaaS)、應用服務層(SaaS)，安全保障、運維管理、標準規(guī)范、政策法規(guī)體系所構成，如圖2所示。

圖2 港口抽黃灌區(qū)信息化邏輯層次框架

以物聯(lián)網(wǎng)、視聯(lián)網(wǎng)、基礎設施技術為基礎，按照統(tǒng)一標準、廣泛的感知手段、泛在的通信網(wǎng)絡，逐步建成完善的水利信息化綜合監(jiān)控體系。

以云計算技術為基礎，建設以灌區(qū)數(shù)據(jù)中心為核心的基礎設施公用云平臺，推進灌區(qū)基礎設施平臺建設。

以大數(shù)據(jù)技術為基礎，滿足全灌區(qū)水利數(shù)據(jù)資源共享、數(shù)據(jù)分析挖掘服務，以滿足灌區(qū)各項業(yè)務需求。

基于面向服務的SOA架構，建設面向全灌區(qū)業(yè)務系統(tǒng)的云平臺，滿足各類水利信息資源、通用業(yè)務應用組件的高度共享，以及部署灌區(qū)業(yè)務與事務管理信息化系統(tǒng)的需求。

以中等粒度、可廣泛復用、具有獨立應用功能的組件開發(fā)為基礎，逐步形成應用組件資源庫和灌區(qū)業(yè)務應用構建模型庫，基于“一張圖”，建立可定制、可重組的個性化服務系統(tǒng)，全面滿足宏觀決策、微觀分析、服務公眾的應用需求。

2.2 站級網(wǎng)絡通信

根據(jù)港口現(xiàn)場情況，目前各個泵站自動化建設已經(jīng)建成，但是各級泵站之間沒有有效的通信手段，所以解決通信問題是本次信息化建設的基礎，需要將各個泵站的信息化相關聯(lián)，為聯(lián)控聯(lián)調(diào)打下良好的通信基礎。通信建設主要將零級站、一級站、望遠溝站、試驗站、凹里站、李家莊站等六個提水泵張進行光纖對接。

2.3 站級聯(lián)調(diào)聯(lián)控

關于大型梯級泵站優(yōu)化調(diào)度的研究由來己久，但是受理論方法、計算能力等方面的限制，相關研究大多集中于以抽水成本(抽水電費)最小為目標建立優(yōu)化調(diào)度模型，模型相對簡單，求解算法也不夠準確，且往往側重于抽水成本是否經(jīng)濟，對工程運行安全性以及工程運行的維修成本等方面涉及較少。而大型梯級泵站調(diào)度運行的合理性不僅僅涉及到工程運營的經(jīng)濟性，對沿線管渠的安全性和水泵機組本身的工作效率、使用壽命等也具有一定程度的影響。調(diào)度運行的失誤不僅容易引起工程沿線流量變化，導致水力過渡過程現(xiàn)象出現(xiàn)，輕則致使渠道水位驟升、驟降，造成渠道襯砌破壞、渠道滑坡、漫提，重則可能毀閘、淹沒泵房；同時，以抽水成本為目標的優(yōu)化調(diào)度模型，在一定程度上將導致機組頻繁啟動以及運行工況的頻繁變化，加劇了機組振動，惡化了運行條件，這不僅增加了機組啟動失敗幾率，加劇了機組零部件的損耗，縮短了水泵使用壽命，也提高了機組故障幾率，增加了維修成本。

基于數(shù)字通信網(wǎng)絡，對各級泵站數(shù)據(jù)進行接入，接入數(shù)據(jù)內(nèi)容包含：水泵運行數(shù)據(jù)、機電設備數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)視圖像等，同時建立以調(diào)度為目標的視頻會商系統(tǒng)。同時解決各站之間的語音通話問題，建設數(shù)字語音通信系統(tǒng)，使得控制中心與各級泵站實現(xiàn)可靠的語音通信。梯級泵站運行需要解決的最突出的問題就是各級泵站之間的調(diào)配水關系，如果解決不好這個問題，那么會給生產(chǎn)帶來安全風險和經(jīng)濟性能低下，在本次建設中充分考慮各個泵站之間的調(diào)配水關系和泵站點擊運行情況，在數(shù)據(jù)采集的基礎上結合灌區(qū)用水需求，使得各個泵站處于高效、安全的運行曲線范圍內(nèi)。

2.4 業(yè)務應用軟件

信息化建設除了進行設備數(shù)據(jù)的采集、遠程控制之外，他的內(nèi)涵主要體現(xiàn)在業(yè)務應用軟件層面。

業(yè)務應用涉及到管理平臺、信息采集、泵站調(diào)度等方面的業(yè)務軟件建設，各軟件須基于SOA架構，形成統(tǒng)一訪問接口，業(yè)務軟件除了滿足自身功能需求意外，須能夠相互之間進行靈活的數(shù)據(jù)接口訪問機制。

2.5 應用環(huán)境搭建

應用環(huán)境涉及到中心建設、分站建設等方面的內(nèi)容。應用環(huán)境建設主要承載各個系統(tǒng)的運行保障任務。要能夠滿足各個部門工作人員的工作需求和灌區(qū)的宣傳需求。滿足管理局中心承載著調(diào)度中心的需求，在規(guī)劃上考慮大屏、沙盤、視頻會商能夠有機結合，為灌區(qū)日常工作提供一個功能強大的數(shù)據(jù)及調(diào)度中心(圖3)。

圖3 數(shù)據(jù)及調(diào)度中心規(guī)劃圖

3 泵站與站群調(diào)度系統(tǒng)關鍵技術分析

泵站與站群調(diào)度系統(tǒng)是根據(jù)各需水單位的用水申請計劃，綜合考慮干渠調(diào)水的聯(lián)合運用，制定調(diào)水計劃和實時調(diào)度指令，并通過監(jiān)控系統(tǒng)實施水量調(diào)度管理。要實現(xiàn)供水目標，需要對全線進行用水管理站群進行統(tǒng)一的調(diào)度和運行管理。

系統(tǒng)功能主要分為基本應用功能和高級應用功能兩部分，其中基本應用功能是指數(shù)據(jù)采集、人機交互、報表日志、系統(tǒng)管理等為系統(tǒng)提供底層應用平臺的功能，高級應用功能則是基于基本應用功能之上的實現(xiàn)水電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的專業(yè)性決策支持系統(tǒng)。

支持系統(tǒng)主要考慮以下幾方面的要素：節(jié)能降耗、節(jié)約水資源、安全生產(chǎn)、應急處理等。

節(jié)能降耗主要根據(jù)各級泵站的需水情況進行水電聯(lián)和考慮，根據(jù)當?shù)仉娏η闆r進行錯峰抽水。在需水時間、需水量一定的情況下對各個泵站進行水量調(diào)配，同時考慮設備運轉情況，進行泵站操作指令適時下發(fā)。

節(jié)約水資源主要根據(jù)需水情況，適量抽水，在綜合考慮作物需水、氣象要素、機電設備等各方面要素的情況下對泵組開機臺數(shù)及開機時長進行優(yōu)化，利用水力模型計算進行調(diào)配，使得各級泵站做到“零棄水”。

安全生產(chǎn)主要是對于各個機電設備的運行參數(shù)進行分析，對于采集到的機電設備電壓、電流、轉子溫度、噪音等參數(shù)進行分析，要使各個機電設備都運行在經(jīng)濟曲線之內(nèi)。并對各機電設備在運行狀況不佳的情況下采取及時檢修。

應急處理是各個灌區(qū)所需要考慮的關鍵要素，系統(tǒng)建立起一套完善的應急處理智庫，為各種應急狀況提供有效的經(jīng)驗支持，并對各種模型進行指標評價，逐步積累灌區(qū)應急指揮知識庫，為后期應急方案提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

4 技術和經(jīng)濟環(huán)境效益分析

4.1 經(jīng)濟效益分析

(1)科學調(diào)配，節(jié)約用水。實施灌區(qū)泵站站群聯(lián)調(diào)、聯(lián)控系統(tǒng)，是灌區(qū)實現(xiàn)動態(tài)計劃用水、科學調(diào)配、提高經(jīng)濟效益的重要途徑。系統(tǒng)的實施可顯著提高干渠的有效水利用系數(shù)、擴大灌溉面積、提高年生產(chǎn)效益。

(2)節(jié)能降耗，增加效益。在對于各個泵站運行參數(shù)采集的基礎上，對各個機組運行狀況進行數(shù)學分析，根據(jù)每臺機組的能耗進行變頻操作，同時使得各臺機組運行在最佳工況下，以節(jié)約設備單耗，降低單方水的能源消耗。

(3)優(yōu)化水沙調(diào)度方案，減少干渠泥沙淤積。灌區(qū)在引黃河水的同時，必然會引入大量泥沙，造成輸水干渠泥沙淤積嚴重，影響了灌區(qū)效益的正常發(fā)揮。該方案的研究可對渠道運行狀況實時監(jiān)測，進行趨勢分析，通過管理軟件可進行優(yōu)化配水，提供最佳的水沙調(diào)配方案，實現(xiàn)遠距離輸沙，減少干渠泥沙淤積，節(jié)約清淤費用及人力，為灌區(qū)帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。

4.2 社會效益分析

以洪澇災害頻發(fā)、水資源緊缺、生態(tài)環(huán)境惡化、水土流失嚴重為特征的水問題已制約了水資源的可持續(xù)利用。通過水資源的聯(lián)調(diào)、聯(lián)控和優(yōu)化調(diào)度，從而實現(xiàn)減少水污染、提高江河水體自凈化能力、合理配置生活、生態(tài)和工農(nóng)業(yè)用水的目標，加強水資源的調(diào)控能力，提高水資源可持續(xù)利用水平。

4.3 環(huán)境效益分析

隨著氣候變暖、降雨減少、人類活動的增加，水資源短缺狀況在不斷加劇。水資源稟賦的變化和極端事件的發(fā)生，對灌區(qū)供水、糧食安全、水環(huán)境質量等構成嚴重威脅，多次采用臨時水資源調(diào)度或管制應急措施。由于水資源缺乏統(tǒng)一的現(xiàn)代化管理，各自為政，在實行計劃供水和節(jié)約用水時，缺乏必要的科學化、定量化管理手段，造成大水漫灌、無序引水、無度引水等現(xiàn)象。通過現(xiàn)代高科技手段，建設水資源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)增加可供水量、提高水資源利用率、改善生態(tài)環(huán)境的目標，為通過水資源的有效利用促進環(huán)境逐步改善，生態(tài)逐步恢復的灌區(qū)生態(tài)發(fā)展規(guī)劃提供有力支撐。

5 結語

通過對港口灌區(qū)泵站站群的聯(lián)調(diào)、聯(lián)控及信息化系統(tǒng)的研究，為灌區(qū)供水管理提供科學的信息、實施平臺支撐和應急響應體系，及時監(jiān)測水資源的變化，掌握和協(xié)調(diào)國民經(jīng)濟用水，制定供水應急措施，減緩氣候變化和其他人為因素導致的水資源變化對人民日常生活的不利影響，提高了快速反應能力，從而減少災害損失。本工程的實施將加強灌區(qū)管理處、調(diào)度管理分中心與各泵站之間信息的互通，加強管理調(diào)度中心對各泵站的直接管理，特別是對泵站合理化調(diào)度提供有力的數(shù)據(jù)支撐，由此而產(chǎn)生的經(jīng)濟效益、社會效益將是巨大的。

(1)能實時掌握水情狀況，為灌區(qū)工程的正常運行提供了第一手資料。眾所周知，水位的陡漲陡落、超標準的冒險運行都將對渠堤工程造成負面影響，尤其是渠堤不允許有溢水現(xiàn)象發(fā)生，一旦出現(xiàn)渠水溢堤的現(xiàn)象，將會導致潰堤事故，造成的后果是不堪設想的。在信息技術不發(fā)達的年代，調(diào)度人員、管理人員控制灌區(qū)工程的正常運行比較困難。應用信息系統(tǒng)以后，可實時掌握灌區(qū)各控制斷面的水位變化狀況以及各測站的降雨過程，為調(diào)度人員的安全調(diào)度提供了依據(jù)，有利于灌區(qū)工程的防汛保安，能有效地防止因運行不當而導致潰堤等影響區(qū)內(nèi)自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境及社會安定的惡性事件的發(fā)生。

(2)通過工情信息采集，能及時掌握工程的病變狀況，為制定維修和治理方案提供依據(jù)，做到提前預防和治理，避免或減少因工程隱患而導致渠道停水失修現(xiàn)象的發(fā)生。由于能及時發(fā)現(xiàn)工程的異?，F(xiàn)象，從而可以采取切實措施防止灌區(qū)工程突發(fā)性事件的發(fā)生。信息化技術的應用，能較好地收集灌區(qū)重要建筑物的運行數(shù)據(jù)，掌握其運行狀況，為制定建筑物的維修養(yǎng)護計劃提供依據(jù)。這三個方面的共同結果，均是提高灌區(qū)工程正常運行的保證率，減少灌區(qū)工程停水搶修的機率，有利于確保灌區(qū)工程效益的發(fā)揮，這對于提高灌區(qū)工程社會環(huán)境效益將起到極大的作用。

(3)灌區(qū)水管理信息化系統(tǒng)的建立與應用，對于提高灌區(qū)水利工程的社會環(huán)境效益有著積極的作用。要實現(xiàn)灌區(qū)水資源優(yōu)化配置、優(yōu)化調(diào)度、優(yōu)化利用的水管理目標，需要應用系統(tǒng)工程學理論。而系統(tǒng)工程技術也只有在環(huán)境條件非常清楚的情況下才能確定其最優(yōu)方案。顯而易見，要實現(xiàn)優(yōu)化的水管理目標，灌區(qū)管理人員必須要及時掌握灌區(qū)水資源狀況、工程運行狀況、氣象狀況、農(nóng)作物需水狀況、各用戶對水資源的需求狀況等基本資料。這在人工管理手段的條件下是無法做到的，只有應用現(xiàn)代信息技術才能滿足這一管理條件。水資源優(yōu)化配置、優(yōu)化調(diào)度、優(yōu)化利用的結果，不僅提高了灌區(qū)工程的社會效益，而且提高了水管單位的內(nèi)部經(jīng)濟效益?？梢?，灌區(qū)水管理信息化系統(tǒng)的應用，對區(qū)內(nèi)社會環(huán)境的正面影響是可觀的。

(4)通過信息系統(tǒng)的應用推進灌區(qū)建設與管理人員的IT水平，進而提高建設與管理的效率。信息技術在灌區(qū)水管理工作中的應用，是信息技術與水管理技術有機結合的體現(xiàn)。處于信息化時代的管理人員，如果不掌握或基本掌握相應信息技術，就難以適應現(xiàn)代灌區(qū)管理的要求。隨著灌區(qū)改革的深入，競爭機制的引進，新技術的應用，水管理人員的素質將會得到全面的提高。在管理人員素質提高的情況下，灌區(qū)水管理水平也會相應地提高。