大寧調(diào)蓄水庫信息化建設(shè)實踐與思考

(北京市南水北調(diào)大寧管理處，北京 102442)

水庫信息化監(jiān)測調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)可實現(xiàn)對水庫水情、水量調(diào)度、水位等水文要素的自動采集和報送，直接為洪水預(yù)報與調(diào)度、水資源管理服務(wù)，實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置，為水資源高效利用提供科學(xué)的決策依據(jù)，是實現(xiàn)水庫現(xiàn)代化管理的重要手段[1-2]。通過水庫信息化建設(shè)，提高水庫管理水平，對于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會穩(wěn)定至關(guān)重要。大寧調(diào)蓄水庫是南水北調(diào)中線干渠進(jìn)入北京的首個調(diào)蓄水庫，對提高北京市南水北調(diào)來水的調(diào)蓄能力，保障城市供水安全有著重要的作用[3]。其信息化建設(shè)水平更是關(guān)系到北京市生活用水安全和社會穩(wěn)定。建立和健全大寧調(diào)蓄水庫信息化體系，對提升水庫管理水平，穩(wěn)定和改善調(diào)蓄水庫運(yùn)行環(huán)境安全，保障首都居民生活飲用水安全具有重大社會意義，同時，對其他水庫進(jìn)行信息化建設(shè)也有一定的借鑒意義。

1 水庫信息化研究現(xiàn)狀

水庫信息化建設(shè)是水利信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，它在水庫防洪興利、水環(huán)境保護(hù)、水資源優(yōu)化配置等方面起著重要作用。我國的水利信息化建設(shè)起步較晚，在20世紀(jì)90年代后期，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，才逐步開展水利系統(tǒng)信息收集、傳輸、接受、處理和監(jiān)視等環(huán)節(jié)的信息化建設(shè)。2001年，水利部成立了信息化工作領(lǐng)導(dǎo)小組，水利信息化才進(jìn)入快速發(fā)展期，與此同時，水庫的信息化建設(shè)也有了長足的進(jìn)步。水庫的信息化就是依托計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)水庫監(jiān)測系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)的信息共享，達(dá)到監(jiān)控、決策、管理統(tǒng)一的目的。目前，水庫的信息化系統(tǒng)包括大壩的安全監(jiān)測系統(tǒng)、洪水預(yù)報系統(tǒng)、水情監(jiān)測系統(tǒng)、供水管理系統(tǒng)、閘門控制系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等，根據(jù)水庫承擔(dān)功能的不同，對各個系統(tǒng)的建設(shè)各有側(cè)重。賀新春等[4]通過對國內(nèi)外水庫信息化建設(shè)的歷史、現(xiàn)狀和存在的問題以及水庫信息化建設(shè)面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)的分析，在對水庫信息化的內(nèi)涵及其建設(shè)原則進(jìn)行論述的基礎(chǔ)上，提出了水庫信息化建設(shè)對策。殷蓬[5]對水庫信息化系統(tǒng)建設(shè)模式進(jìn)行了初步探索。孫靜[6]、孫慶鋒等[7]分別對崗南水庫、黃壁莊水庫信息化建設(shè)經(jīng)驗進(jìn)行了總結(jié)，論述了各自水庫較為適宜的信息化建設(shè)方法。盡管不同水庫情況千差萬別，水庫有著不同的功能定位，個體差異決定了其信息化建設(shè)的特殊性，對單個水庫而言，信息化建設(shè)有著不同的側(cè)重點(diǎn)，但無可置疑的是水庫信息化建設(shè)受到越來越多水利管理部門的重視，是未來水庫管理重要的發(fā)展方向。

2 大寧調(diào)蓄水庫工程概況

北京是我國的政治、經(jīng)濟(jì)中心，但北京人均水資源已降至200m3左右，不足全國人均的1/10，本地水資源量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能支撐北京市龐大的用水規(guī)模，外調(diào)水逐步成為北京市重要的供水水源。2008年南水北調(diào)中線工程京石段建成通水，同年，位于海河流域子牙河子流域的崗南水庫、黃璧莊水庫，大清河子流域的王快水庫、西大洋水庫和安各莊水庫開始向北京市應(yīng)急供水。2014年12月，南水北調(diào)中線全線貫通，丹江口水庫正式向北京市供水，大寧調(diào)蓄水庫則是南水進(jìn)京的第一道閘門，外水進(jìn)京改變了北京市的水資源格局，成為北京水資源的重要組成部分。

大寧調(diào)蓄水庫位于小清河上，北起京周路，南連稻田水庫，西至京港澳高速公路主路，東至永定河中堤路。大寧調(diào)蓄水庫設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)200年一遇。正常蓄水位56.40m，校核洪水位61.21m。水庫工程主要由主、副壩和泵站等建筑物組成，主、副壩均為兩布一膜斜墻土壩，主壩最大壩高15m，壩頂長568.50m，頂寬7m，壩頂高程62.50m；副壩最大壩高10m，壩頂長711.10m，壩頂寬7m；泵站裝機(jī)容量3200kW，最大庫容4611萬m3，是一座以防洪、調(diào)蓄為主，兼顧供水等功能的2級、Ⅱ等中型水庫工程。

南水北調(diào)中線通水前，大寧水庫的作用主要是配合永定河流域蓄滯洪水，和南面的稻田水庫、馬廠水庫共同組成了永定河蓄滯洪區(qū)。南水北調(diào)中線工程通水后，南水北調(diào)工程輸水管線從大寧水庫庫區(qū)穿過，大寧水庫通過暗涵與南水北調(diào)總干渠大寧調(diào)壓池相連。大寧水庫除了肩負(fù)防洪等常規(guī)任務(wù)外，又增加了調(diào)蓄功能。大寧調(diào)蓄水庫是南水北調(diào)中線干渠進(jìn)入北京的首個調(diào)蓄水庫，也是距城市中心最近的一個中型調(diào)蓄水庫。它的建設(shè)對提高北京市南水北調(diào)來水的調(diào)蓄能力，保障城市供水安全，促進(jìn)北京市西南地區(qū)發(fā)展有著重要意義[8]。

3 大寧調(diào)蓄水庫信息化建設(shè)實踐

大寧調(diào)蓄水庫目前承擔(dān)的主要任務(wù)有防洪和供水兩方面，供水為主要任務(wù)。大寧調(diào)蓄水庫主要解決南水北調(diào)來水與本地用水流量不匹配，以及南水北調(diào)工程故障或檢修時的調(diào)蓄問題，是北京市供水安全的重要保障。因此，大寧調(diào)蓄水庫信息化建設(shè)以“供水安全”和“實時可控”為目標(biāo)。大寧調(diào)蓄水庫信息化建設(shè)過程中汲取了其他水庫信息化建設(shè)的良好經(jīng)驗，現(xiàn)有信息化監(jiān)控管理系統(tǒng)于2015年建成，主要包括視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測子系統(tǒng)、自動控制子系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)以及相關(guān)報表、報警等功能(見圖1)，系統(tǒng)的建成和使用，極大地方便了水庫的管理，提升了調(diào)蓄水庫的運(yùn)行管理水平。

圖1 大寧調(diào)蓄水庫信息化監(jiān)控管理系統(tǒng)

3.1 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

大寧調(diào)蓄水庫視頻監(jiān)控子系統(tǒng)在水庫橡膠壩管理房院內(nèi)、中堤路北口、中堤路圍網(wǎng)內(nèi)、副壩觀望臺圍網(wǎng)內(nèi)、退水節(jié)制閘、泵站周邊、西堤扶壁擋墻邊及泵站控制中心內(nèi)配置了16組攝像監(jiān)控設(shè)備。視頻監(jiān)控主機(jī)位于水庫中控室內(nèi)，通過光纖網(wǎng)絡(luò)將實時圖像反映到控制中心服務(wù)器終端，實現(xiàn)24小時不間斷監(jiān)控和錄像功能。同時，能夠?qū)崟r畫面?zhèn)鬏斀o上級調(diào)度中心，實現(xiàn)與上級單位的數(shù)據(jù)共享(見圖2)。

圖2 大寧調(diào)蓄水庫視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

3.2 大壩安全監(jiān)測子系統(tǒng)

水庫工程因設(shè)計及施工缺陷、運(yùn)行管理不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致其帶病運(yùn)行，在各種荷載作用、多種自然因素的影響下，工程安全性態(tài)隨時都在變化，有些是正常變化，是設(shè)計和安全運(yùn)行許可的，但有些則可能是異常的。安全監(jiān)測是及時發(fā)現(xiàn)工程安全隱患的一種有效途徑，通過安裝監(jiān)測儀器對工程進(jìn)行系統(tǒng)的觀測和測試，可以及時掌握工程性態(tài)，獲取工程安全相關(guān)信息，從而采取應(yīng)對措施保證工程安全運(yùn)行。庫水位監(jiān)測共設(shè)置4個監(jiān)測點(diǎn)，分別位于ZD1+250、泵站擋墻、XD1+500、泵站南側(cè)的水中。地下水位監(jiān)測分為3類，分別為滲壓計監(jiān)測、水位觀測井監(jiān)測和測壓管監(jiān)測，本工程31個斷面埋設(shè)滲壓計72支(其中防滲墻內(nèi)部3支、外部69支)、水位觀測井9眼、測壓管12支(主壩8支、調(diào)節(jié)池4支)。防滲墻及主副壩沉降監(jiān)測共設(shè)30個，其中中堤6個、西堤4個、倒虹吸1個、泵站4個、主壩堤頂4個、副壩堤頂11個。主壩壩坡沉降監(jiān)測點(diǎn)10個，水平位移監(jiān)測點(diǎn)10個，泄洪閘沉降監(jiān)測點(diǎn)11個。西堤扶壁式擋墻變形監(jiān)測，埋設(shè)沉降監(jiān)測點(diǎn)28個、水平位移監(jiān)測點(diǎn)6個、傾斜計5支。內(nèi)觀監(jiān)測設(shè)備為應(yīng)變計和無應(yīng)力計，共72支。通過傳感器采集各滲壓計、應(yīng)力應(yīng)變計的數(shù)據(jù)，經(jīng)過程序計算，將結(jié)果反映到系統(tǒng)中并在軟件示意圖中顯示出來。經(jīng)過分析后的數(shù)值自動保存在數(shù)據(jù)庫中，可以以報表或曲線的形式體現(xiàn)出來，如果有超出設(shè)定預(yù)警值的數(shù)據(jù)出現(xiàn)，系統(tǒng)會自動報警，第一時間提示操作者處理，提高反應(yīng)速度，有效地保障大壩安全(見圖3)。

圖3 大寧調(diào)蓄水庫大壩安全監(jiān)測子系統(tǒng)

3.3 自動控制子系統(tǒng)

大寧調(diào)蓄水庫自動控制子系統(tǒng)具有水庫泵站、橡膠壩、節(jié)制閘等的監(jiān)視控制功能?，F(xiàn)地控制采用西門子可編程控制器(PLC)，控制中心設(shè)置西門子控制機(jī)和自帶監(jiān)視系統(tǒng)軟件。能夠?qū)崟r監(jiān)控泵站、橡膠壩、退水節(jié)制閘的實際運(yùn)行狀態(tài)并及時顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，可根據(jù)上級指示和實際需要遠(yuǎn)程實現(xiàn)泵站機(jī)組啟停、閘門啟閉等操作。系統(tǒng)自動采集、記錄相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以報表或曲線的形式反映出設(shè)備設(shè)施運(yùn)行狀況，出現(xiàn)異常及時報警，使操作者能夠第一時間發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行調(diào)整(見圖4)。

圖4 大寧調(diào)蓄水庫自動控制子系統(tǒng)

3.4 水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)

大寧調(diào)蓄水庫水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備包括Hydrolab(多參數(shù)分析儀)一臺、COD-203自動檢測儀一臺，以及NPW160(總氮總磷分析儀)一臺，電腦每周設(shè)定固定時間進(jìn)行水質(zhì)試驗。水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)自動將試驗數(shù)據(jù)采集入數(shù)據(jù)庫并將部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示到交互界面內(nèi)，試驗數(shù)據(jù)超過預(yù)定極值將自動報警，操作者可根據(jù)需要進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)曲線的繪制和報表處理，也可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)出進(jìn)行深度分析處理(見圖5)。

4 大寧調(diào)蓄水庫信息化建設(shè)存在的主要問題

大寧調(diào)蓄水庫信息化系統(tǒng)中的監(jiān)控系統(tǒng)在一定程度上提升了水庫的運(yùn)行管理水平，但仍存在一些不足，主要表現(xiàn)在部分監(jiān)測系統(tǒng)智能化程度低，上、下游業(yè)務(wù)單位信息化建設(shè)聯(lián)動較弱，缺乏持續(xù)的信息化建設(shè)投入等方面。

4.1 部分監(jiān)測系統(tǒng)智能化程度低

對于基層的水庫管理人員來說，優(yōu)秀的監(jiān)測系統(tǒng)一定具有直觀、方便、穩(wěn)定的特點(diǎn)，水庫管理人員不需要完全了解系統(tǒng)的內(nèi)在機(jī)理和計算方法，因此，監(jiān)測系統(tǒng)的可視化表達(dá)方式一定要直觀、明顯、易懂，并且操作方便。在大寧調(diào)蓄水庫監(jiān)測系統(tǒng)實際使用過程中發(fā)現(xiàn)部分監(jiān)測系統(tǒng)的智能化程度較低，操作不便，比如自動控制系統(tǒng)顯示報警，原因是退水閘出現(xiàn)故障，雖然此處安裝有攝像頭，卻不能直接在自動控制報警的界面下通過點(diǎn)擊直接顯示出監(jiān)控實時畫面。大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)畫面顯示方式中的虛擬水平面不能夠隨水位變化而表現(xiàn)出高低變化，不能在直觀感覺上表現(xiàn)出水位變化對壩后滲壓計乃至浸潤線的影響。系統(tǒng)的智能化程度低限制了管理人員的積極性，易造成水庫信息化建設(shè)中“重設(shè)備、輕運(yùn)用”的現(xiàn)象。這些問題并非不可解決，而是系統(tǒng)開發(fā)時沒有充分調(diào)研基層的需求，系統(tǒng)開發(fā)者應(yīng)建立一套用戶反饋機(jī)制，及時根據(jù)用戶的反饋改進(jìn)產(chǎn)品性能。

4.2 上、下游業(yè)務(wù)單位信息化建設(shè)聯(lián)動較弱

水利信息化建設(shè)的目標(biāo)之一就是實現(xiàn)多部門的信息溝通共享機(jī)制，就目前而言，大寧調(diào)蓄水庫供水調(diào)度、運(yùn)行管理等業(yè)務(wù)與上游單位，即南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局相銜接，工程建設(shè)、受水協(xié)調(diào)等業(yè)務(wù)涉及北京市水務(wù)局多個下屬單位以及長陽鎮(zhèn)、長辛店鎮(zhèn)、盧溝橋街道、城市管理等多個單位。不同單位對水庫及周圍環(huán)境的定位不同，管理目標(biāo)也不一樣，在幾年的調(diào)水運(yùn)行實踐中發(fā)生過因溝通聯(lián)動不暢引發(fā)的問題。因此，應(yīng)規(guī)劃建立一個統(tǒng)一的調(diào)度信息共享平臺，加強(qiáng)上、下游業(yè)務(wù)單位的信息聯(lián)通。

4.3 缺乏持續(xù)的信息化建設(shè)投入

信息化建設(shè)耗資巨大，一次性投資并不現(xiàn)實，需要制定合理的信息化建設(shè)規(guī)劃，按照實際需求的緊迫程度分批次建設(shè)，先建設(shè)急需的功能，一步步深入和提升，將每年有限的投入做好計劃，采取漸進(jìn)式的建設(shè)模式，穩(wěn)步推進(jìn)，步步為營，使財政資金發(fā)揮出最大效益。大寧調(diào)蓄水庫信息化系統(tǒng)建設(shè)取得了一定成績，但對未來的信息化建設(shè)工作缺乏中長期規(guī)劃，也沒有持續(xù)的投入保障。未來大寧調(diào)蓄水庫信息化建設(shè)應(yīng)邀請行業(yè)專家把脈，聘請專業(yè)的機(jī)構(gòu)對水庫的信息化建設(shè)做出合理的規(guī)劃，多渠道落實建設(shè)資金，實現(xiàn)水庫信息化建設(shè)的高效運(yùn)作。

5 大寧調(diào)蓄水庫未來信息化發(fā)展建議

大寧調(diào)蓄水庫上游為南水北調(diào)中線干渠，惠南莊泵站的運(yùn)行情況，大寧調(diào)壓池向南干渠、團(tuán)城湖方向輸水情況，周邊流域調(diào)水信息直接影響到向水庫退水的水量。因而建立一個包含上下游業(yè)務(wù)單位的調(diào)度信息共享平臺，及時快速地反映調(diào)水指令和信息是十分必要的[9]。

北京市南水北調(diào)工程運(yùn)行管理相關(guān)單位，如大寧管理處、南干渠管理處、團(tuán)城湖管理處、東干渠管理處均涉及調(diào)水運(yùn)行管理，建設(shè)一個標(biāo)準(zhǔn)化的日常管理信息系統(tǒng)，完成水庫、泵站、橡膠壩、閘門等設(shè)備設(shè)施運(yùn)行數(shù)據(jù)的記錄、查閱、提取，能夠方便同系統(tǒng)內(nèi)部的交流、監(jiān)督、檢查和管理，是信息化建設(shè)的要求，也是大勢所趨，現(xiàn)階段北京市南水北調(diào)工程已經(jīng)實現(xiàn)了日常管理系統(tǒng)的基本建設(shè)任務(wù)[10]。

從長遠(yuǎn)管理需求考慮，水庫應(yīng)建立水情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，利用遙感、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，對全流域各類信息進(jìn)行數(shù)字化存儲，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測。利用基于GIS的技術(shù)平臺對全流域進(jìn)行河道水情模擬、洪水分析、突發(fā)水污染事件演變模擬等深層次的信息融合、挖掘和綜合分析，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供支持。并且，為提高信息化管理水平，水庫應(yīng)實現(xiàn)專家比對功能。智能專家比對是指操作者按照自己的要求和規(guī)則定義數(shù)據(jù)庫，將以往的經(jīng)驗數(shù)據(jù)以及特定的公式輸入到系統(tǒng)中，將采集的現(xiàn)有數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行比對并進(jìn)行簡單的計算分析，找到新數(shù)據(jù)反映的趨勢和問題，這樣的好處在于能夠使操作者和管理者較早地進(jìn)行情景預(yù)判，更好地做好運(yùn)行管理工作。

針對大寧調(diào)蓄水庫信息化建設(shè)存在的不足，本著需求合理、實用高效、穩(wěn)步提升的原則，在現(xiàn)有監(jiān)控管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，完善監(jiān)控管理系統(tǒng)顯示方式，直接化、實用化地改進(jìn)大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)表現(xiàn)形式，提升南水北調(diào)大寧調(diào)蓄水庫信息化建設(shè)水平。比如可按以下順序每年完成一項信息化建設(shè)工作：日常管理信息→調(diào)度信息共享平臺→水情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)→智能專家比對(見圖6)。

圖6 未來大寧調(diào)蓄水庫信息化管理系統(tǒng)

6 結(jié) 語

大寧調(diào)蓄水庫信息化建設(shè)是一項長期、艱巨、復(fù)雜的系統(tǒng)工程，同時又是一項投資大、具有長遠(yuǎn)效益的社會公益事業(yè)。應(yīng)從社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度出發(fā)，充分認(rèn)識大寧調(diào)蓄水庫信息化監(jiān)控管理系統(tǒng)完善工作的緊迫性、重要性和艱巨性，必須思想高度統(tǒng)一，不斷提高認(rèn)識，進(jìn)一步加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo)和部門協(xié)調(diào)，建立健全大寧調(diào)蓄水庫信息化管理的規(guī)章制度和監(jiān)督管理體系，逐步加大投入，拓寬投融資渠道，探索積累經(jīng)驗并加以推廣，確保大寧調(diào)蓄水庫及有相關(guān)需求的水庫信息化建設(shè)工作穩(wěn)步提升。