賀 磊

(鳳臺(tái)縣永幸河灌區(qū)管理處，安徽 鳳臺(tái) 232100)

1 灌區(qū)簡介

1.1 地理概況

鳳臺(tái)縣永幸河灌區(qū)位于安徽省淮北平原南端，范圍包括鳳臺(tái)縣境內(nèi)淮河以北，茨淮新河以南的地區(qū)。灌區(qū)地形總趨勢是西北高東南低，坡降萬分之一左右。地面最高高程為24.5 m，最低為21.0 m，地貌特征為崗灣(洼)交錯(cuò)的平原河谷型地貌。灌區(qū)主要有3個(gè)自然水系：一是位于灌區(qū)西北部的港河流域，面積約為300 km2。二是灌區(qū)北部的泥河流域，面積約為80 km2。三是灌區(qū)南部的架河流域，面積約為220 km2。在港河與架河的下游有姬溝湖和城北湖兩個(gè)洼地，湖底高程為16.0 m，常年積水水位17.5 m，面積約10 km2。

鳳臺(tái)縣永幸河是1條橫亙在淮北平原，西臨利辛縣界，東貫入淮的人工開挖的引、排水骨干河道，是鳳臺(tái)縣水利建設(shè)史上規(guī)模最大、效益最佳的一項(xiàng)綜合治理工程。永幸河全長42.63 km，設(shè)計(jì)流量120 m3/s，與其溝通的15條大溝，總長155 km，將永幸河分別與灌區(qū)周邊的淮河、茨淮新河和西淝河溝通；另有中溝169條，總蓄水能力700萬m3，組成了灌區(qū)的主要排灌水網(wǎng)，形成了“北水南濟(jì)、南水北調(diào)、排灌自如”的水利網(wǎng)絡(luò)。灌區(qū)現(xiàn)有一級(jí)排灌站14座，總裝機(jī)47臺(tái)套，容量22 964 kW，灌溉最大提水能力100.1 m3/s，最大抽排能力203.71 m3/s；二級(jí)灌溉站710多處，總裝機(jī)容量3.2萬 kW。全灌區(qū)總面積600 km2(占全縣面積62%)，內(nèi)轄13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，農(nóng)業(yè)人口31萬人?？筛?5萬畝(占全縣總耕地64%)，有效灌溉面積50萬畝。

1.2 氣象與水文

灌區(qū)位于暖溫帶向亞熱帶氣候過渡的半濕潤地帶，距海洋近，季風(fēng)明顯，四季分明，氣候溫和，降水充沛，日照充足，無霜期長。在氣候特點(diǎn)上，春季多陰雨，春夏之交局部時(shí)有大風(fēng)、冰雹；夏季多雨，常出現(xiàn)洪澇，夏秋之交，時(shí)遇伏旱；冬季雨水偏少。

歷年平均降水量897.8 mm，但降水在年際和年內(nèi)分布不均，年最高降水量達(dá)1 242.2 mm，年最低降水量僅514.4 mm；最高最低降水年份相差727.8 mm，每年平均降水107 d。夏季降水集中在6～7月，占全年降水量的51%，月最大降水與月最小降水倍比為8～10倍。年平均氣溫15.2 ℃，年際變化在14～16 ℃之間，80%年份在15 ℃以上，年平均日照時(shí)數(shù)為2 323.1 h，變化幅度在2 000～2 600 h之間，全年10～20 ℃之間的平均氣溫日數(shù)為177 d，積溫4 133.5 ℃，多年平均無霜期216 d。多年平均蒸發(fā)量為1 613.2 mm，蒸發(fā)量為4.18億m3，有70%的降水耗于蒸發(fā)，最大和最小蒸發(fā)量為2 008.1 mm和710.7 mm。

2 系統(tǒng)組成

鳳臺(tái)縣永幸河灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)由中心站、通訊網(wǎng)絡(luò)和遙測遙控站組成。

2.1 中心站設(shè)備組成

灌區(qū)中心站位于灌區(qū)管理處辦公樓，主要由網(wǎng)絡(luò)防火墻、通訊服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、工作站、交換機(jī)、路由器等設(shè)備構(gòu)成(見圖1)。

圖1 灌區(qū)中心站計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)

2.2 遙測遙控站的設(shè)備組成

灌區(qū)的遙測遙控站主要選址建設(shè)在排灌站和節(jié)制閘處，并且以排灌站為主要監(jiān)測控制對(duì)象。在每個(gè)新建遙測遙控站內(nèi)配置1臺(tái)掛壁式50寸的高清液晶數(shù)字監(jiān)視器，作為值班信息顯示和聲光告警裝置；現(xiàn)地控制計(jì)算機(jī)通過RS232/RS—485接口與RCU測控終端單元連接，讀取排灌站的水情和工情信息，驅(qū)動(dòng)排灌站大屏監(jiān)視器的信息顯示和聲光告警。RCU采集各種水情和工情傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)支持超短波和GPRS遙測信道，與監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，并響應(yīng)中心站的數(shù)據(jù)采集召測指令。

站點(diǎn)內(nèi)配置翻斗式雨量計(jì)、浮子式水位計(jì)、全量程格雷碼式閘位傳感器、泵機(jī)溫度傳感器、智能電量傳感器，通訊模塊、站控計(jì)算機(jī)、RCU單元和防雷供電單元等測控設(shè)備集成在一體化的排灌站RCU柜內(nèi)(見圖2)。

圖2 遙測遙控站設(shè)備組成結(jié)構(gòu)

3 測控通信組網(wǎng)

3.1 通信信道分析

近年來，由于灌區(qū)內(nèi)工礦企業(yè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展，火力發(fā)電廠及煤礦等高大建筑物大量建設(shè)，原系統(tǒng)采用的超短波信道已經(jīng)存在超短波信道余量嚴(yán)重惡化問題，灌區(qū)中部和西北部遙測信道條件變差，信道衰減和電磁干擾情況嚴(yán)重。

目前，中國移動(dòng)的GSM網(wǎng)已經(jīng)完全覆蓋灌區(qū)，由于原系統(tǒng)的南部地區(qū)沿淮河的遙測站超短波信道運(yùn)行正常，因此選擇中國移動(dòng)GPRS作為排灌站測控主遙測信道，原超短波為備用信道的通訊組網(wǎng)方案，雙信道互為備份，提高了系統(tǒng)的兼容性、可靠性。

3.2 通訊網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用230 MHz超短波/GPRS混合通信組網(wǎng)方案，設(shè)計(jì)的通訊網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議滿足以下技術(shù)要求(見圖3)：

(1)兼容原系統(tǒng)230 MHz超短波遙測信道和SL61—2015的通訊協(xié)議，支持超短波/GPRS/光纖寬帶遙測信道互相兼容，同步工作的功能。

(2)兼容原系統(tǒng)的寬帶光纖水利專網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)通訊功能，實(shí)現(xiàn)新老系統(tǒng)中的工情遙控站、中心站之間的聯(lián)網(wǎng)，保障聯(lián)網(wǎng)信息的安全和兼容性。

圖3 系統(tǒng)通訊組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)主要功能

4.1 中心站的功能

(1)兼容原灌區(qū)已建的HIS—2000水利信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、通訊傳輸、信息處理與應(yīng)用功能。

(2)支持超短波、GPRS、SMS多遙測信道及其通訊協(xié)議，接收遙測遙控站發(fā)送來的水情、工情自報(bào)數(shù)據(jù)，分析、處理該類信息，存入實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)庫。

(3)遙測信道支持自報(bào)和招測應(yīng)答兼容體制，接收遙測遙控站發(fā)送來的自檢和工作狀態(tài)信息，可遠(yuǎn)程監(jiān)管各站遙測設(shè)備及通訊信道的運(yùn)行狀態(tài)和故障維護(hù)，并提供遙測遙控站設(shè)備遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置調(diào)整和排灌站輔助裝置的遙控功能。

(4)在大型拼屏綜合信息顯示墻上，以背景地圖、值班表等模式組合式輸出各類水情、工情實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、等值線和歷史數(shù)據(jù)過程曲線，提供完善的灌區(qū)信息年、月、日報(bào)表打印輸出功能。

(5)在大型拼屏綜合信息顯示墻上，集成集中顯示灌區(qū)已建各閘門遙控系統(tǒng)、排灌站泵機(jī)控制系統(tǒng)、工情視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功能，并且預(yù)留其他多媒體系統(tǒng)的顯示接入口。

(6)顯示系統(tǒng)各站遙測設(shè)備和各排灌站的閘門、泵站設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)控信息，提供故障診斷、報(bào)警和運(yùn)維保障功能。

(7)提供灌區(qū)數(shù)據(jù)庫信息檢索、統(tǒng)計(jì)、發(fā)布功能，以及灌區(qū)調(diào)度功能的多媒體演示，動(dòng)畫仿真、調(diào)度決策支持功能。

(8)支持灌區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和水利工程圖文資料等信息查詢功能。

4.2 排灌站的遙測遙控功能

(1)支持超短波、GPRS等多遙測信道和通訊協(xié)議，自報(bào)和應(yīng)答兼容工作體制。

(2)具有多路脈沖、狀態(tài)、數(shù)字、模擬量接口，多路RS232和RS485智能接口，自動(dòng)采集并傳輸各路傳感器的數(shù)據(jù)。

(3)支持對(duì)RCU的現(xiàn)地PC機(jī)、遠(yuǎn)程SMS、手機(jī)APP三種編程控制模式。

(4)具有終端自檢、供電電壓、運(yùn)行溫度、信號(hào)強(qiáng)度監(jiān)測和工作狀態(tài)自報(bào)功能。

(5)RCU終端機(jī)的接口、通訊、設(shè)備地址、時(shí)鐘校時(shí)、運(yùn)行模式等工作參數(shù)支持現(xiàn)場人工設(shè)置和中心站遠(yuǎn)程設(shè)置。

(6)響應(yīng)中心站遠(yuǎn)程下發(fā)的控制指令。

(7)支持大容量SD卡固態(tài)存儲(chǔ)，全部接口數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)1 a以上。

(8)支持基于“水位—流量”關(guān)系模型庫的渠道流量計(jì)算功能。

(9)支持站控計(jì)算機(jī)RS—232/RS—485通訊接口，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地監(jiān)控、數(shù)據(jù)顯示和告警。

5 灌區(qū)管理功能和效益分析

5.1 灌區(qū)管理功能

鳳臺(tái)縣永幸河灌區(qū)信息化系統(tǒng)的建設(shè)，為灌區(qū)的信息監(jiān)測、控制和調(diào)度提供了先進(jìn)的技術(shù)手段，具有以下管理功能：

(1)排灌站。灌區(qū)中心站管理者可以集中監(jiān)控各排灌站的水情工情信息，獲得實(shí)時(shí)的降雨量、內(nèi)外河水位、閘位、泵機(jī)的電量和運(yùn)行溫度等信息。監(jiān)測各排灌站的水量、流向等灌溉信息，監(jiān)控各站的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，通過歷史數(shù)據(jù)分析排灌站運(yùn)行效率，歸納事故概率，提高灌區(qū)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效率，完善設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理水平。

排灌站現(xiàn)地管理者可以通過站控計(jì)算機(jī)及值班大屏，監(jiān)視全站的水情信息以及工情設(shè)備運(yùn)行信息，掌控全站水工設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。在站控RCU發(fā)布閘泵設(shè)備運(yùn)行自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警的情況下，及時(shí)排除故障，提高值班管理工作環(huán)境條件。

(2)閘控站。灌區(qū)中心站管理者可以集中監(jiān)控各閘控站的水情工情信息，獲得實(shí)時(shí)的降雨量、內(nèi)外河水位、閘位等信息，監(jiān)測各閘控站的水量、流向等灌溉信息，監(jiān)控各站的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，通過歷史數(shù)據(jù)分析事故概率，提高灌區(qū)運(yùn)行的效率，完善設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理水平。

(3)信息化系統(tǒng)。灌區(qū)中心站管理者可以集中監(jiān)控各測控站RCU的運(yùn)行狀態(tài)，遠(yuǎn)程組態(tài)配置各站參數(shù)，實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)測和及時(shí)維護(hù)，提高信息化系統(tǒng)測控設(shè)備的管理效率。

5.2 效益分析

項(xiàng)目的實(shí)施將灌區(qū)有限的水資源進(jìn)一步優(yōu)化配置、優(yōu)化調(diào)度，特別是通過各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的水位情況及時(shí)調(diào)度分配，每年可利用汛期澇水1 200萬m3，每年節(jié)約農(nóng)業(yè)用水1 650萬m3；按照灌區(qū)供水成本價(jià)0.089元/m3計(jì)算，以上兩項(xiàng)每年節(jié)約254萬元。通過灌區(qū)雨量點(diǎn)的監(jiān)測，提前對(duì)旱澇災(zāi)害進(jìn)行預(yù)判，及時(shí)調(diào)度關(guān)鍵涵閘的開啟，有力減少了旱澇災(zāi)害對(duì)灌區(qū)帶來的損失。同時(shí)，將灌區(qū)有限的人力資源從水位、雨量測報(bào)及閘門、泵站監(jiān)測等工作中解放出來，為灌區(qū)節(jié)省了大量的人力物力。

6 發(fā)展及展望

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，國家大力倡導(dǎo)基于互聯(lián)網(wǎng)+的信息技術(shù)發(fā)展方向。目前，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及智能移動(dòng)終端等信息平臺(tái)技術(shù)逐步成熟，阿里云、中國移動(dòng)OneNET云等一批信息服務(wù)已經(jīng)開始商業(yè)推廣應(yīng)用，基于5G技術(shù)的高速無線通訊平臺(tái)進(jìn)入初步試點(diǎn)建設(shè)階段。灌區(qū)信息化系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展和建設(shè)，必須在以下幾個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)拓展：

(1)將傳統(tǒng)的RTU、PLC為核心的測控終端整合為以RCU(遠(yuǎn)程測控單元)為核心的灌區(qū)遙測遙控站，支持物聯(lián)網(wǎng)通訊平臺(tái)，具有排灌站現(xiàn)地采集及可編程控制功能。

(2)RCU采取高可靠性低功耗黑匣子設(shè)計(jì)理念，其應(yīng)用及管理采用智能移動(dòng)終端APP操作化，支持現(xiàn)地及遠(yuǎn)程操作管理。

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理及服務(wù)租用云計(jì)算平臺(tái)，逐步減少或取消灌區(qū)中心站的網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等硬件建設(shè)，降低系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)的經(jīng)濟(jì)及人力成本，提高系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)的可靠性。

(4)建立以專業(yè)水文、水工、水環(huán)境應(yīng)用模型為基礎(chǔ)的大數(shù)據(jù)處理軟件平臺(tái)，為灌區(qū)的水利、水工、水資源及水生態(tài)環(huán)境調(diào)度決策提供高級(jí)技術(shù)支撐。

(5)基于B/S模式的客戶端計(jì)算機(jī)離散配置及個(gè)人移動(dòng)終端管理模式，提高灌區(qū)信息化應(yīng)用的靈活性、實(shí)用性和高效性，降低管理平臺(tái)建設(shè)的軟硬件及維護(hù)服務(wù)成本。

7 結(jié) 語

鳳臺(tái)縣永幸河灌區(qū)信息化建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，突破傳統(tǒng)的灌區(qū)管理模式，極大地增加了灌區(qū)管理的科技含量。灌區(qū)有限的水資源得到優(yōu)化配置、優(yōu)化調(diào)度，在汛期可將多余洪水及時(shí)進(jìn)行調(diào)度分配，減少了汛期棄水。對(duì)灌區(qū)情況進(jìn)行科學(xué)的分析和預(yù)測，可減少農(nóng)作物用水量，將節(jié)約的農(nóng)業(yè)用水用于工業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)用水。項(xiàng)目的實(shí)施將通過灌區(qū)水量控制，提高用水效率，增加配水的均勻性和及時(shí)性，從而提高農(nóng)民收入，促進(jìn)社會(huì)穩(wěn)定。同時(shí)，通過節(jié)約用水，將節(jié)余的水轉(zhuǎn)向工業(yè)和城市居民生活用水等部門，提高灌區(qū)的經(jīng)濟(jì)收入，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)的經(jīng)濟(jì)自立，穩(wěn)定水利職工隊(duì)伍，促進(jìn)灌區(qū)管理水平的進(jìn)一步提高。

灌區(qū)信息化系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用，可有效減少用水調(diào)度管理的隨意性，減少用水戶的水事糾紛，增加了量水的公正性、配水的均勻性，使灌區(qū)整體效益提高。無論是從保障人民生存的基本權(quán)利，還是從社會(huì)穩(wěn)定、提高農(nóng)民收入來講，信息化管理必將極大地提高灌區(qū)管理水平，提高水的利用率和利用效率，增加糧食單產(chǎn)和總產(chǎn)，提高作物品質(zhì)，將有力促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和“三農(nóng)”產(chǎn)業(yè)鏈的形成。