水利信息化在城區(qū)供水中的應(yīng)用
——以天水市城區(qū)引洮供水工程為例

周正強(qiáng) ，趙國榮

（1. 甘肅省水務(wù)投資有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000；2. 甘肅水務(wù)節(jié)水科技發(fā)展有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

天水市城區(qū)供水水源單一且調(diào)節(jié)能力差，完全依賴地下水，而天水市的地下水由于長期過度開采，地下水位持續(xù)下降，可供應(yīng)水量不斷減少，供水保證程度低，每年 4—7 月用水緊張時，城區(qū)只能采取分區(qū)段限時供水方式[1]。天水市城區(qū)現(xiàn)狀水源已不能滿足城區(qū) 64.8 萬人的生活用水及工業(yè)用水，現(xiàn)狀年需水量約為4882萬 m3，缺水量為1052萬 m3，缺水率為 22%[2]。天水市城區(qū)水資源的短缺已成為制約天水市經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問題，為保障水源，針對天水市供水開建了城區(qū)引洮供水工程，該工程總投資為 14.82億元，設(shè)計流量為 2.1 m3/s，年供水量為5548萬 m3，建成后將成為天水市城區(qū)主要供水水源。

1 信息化需求及建設(shè)目標(biāo)

1.1 需求分析

天水市城區(qū)引洮供水工程從引洮二期四干渠末端取水，主要建設(shè)內(nèi)容有渠道工程、隧洞工程、輸水管道工程和調(diào)蓄水池工程等，其中上游渠道工程長為 14.630 km，中、下游管道工程長為 69.051 km，同時工程包含藉口鎮(zhèn)楊家灣調(diào)蓄水池及相應(yīng)進(jìn)出水構(gòu)筑物[3]。由于該項目供水線路長，控制節(jié)點多，布局分散，傳統(tǒng)的管理模式對關(guān)鍵節(jié)點的控制和計量難度都很大，耗費大量的人力和物力，故只能利用現(xiàn)代化的手段，安裝先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集終端，通過信息調(diào)度的方式實現(xiàn)工程的現(xiàn)代化管理[4]。

1.2 建設(shè)目標(biāo)

天水市城區(qū)引洮供水工程運行管理信息化系統(tǒng)通過集成閘門（閥門）調(diào)度、應(yīng)急樞紐的自動監(jiān)控、工程關(guān)鍵節(jié)點的視頻監(jiān)控及調(diào)度管理決策等系統(tǒng)，依托信息化的體系建設(shè)，配套以生產(chǎn)調(diào)度、調(diào)配水管理及相應(yīng)的安防體系，建成覆蓋天水市城區(qū)引洮供水工程項目的水利信息化管控平臺，為供水工程的生產(chǎn)管理提供決策支持，達(dá)到工程安全運行、降低運營成本、提高供水效率的目的[5]。

2 解決方案

天水市城區(qū)引洮供水工程運行管理信息化系統(tǒng)主要包括供水管道壓力和流量自動測報、檢修閥和閘門自動遙控等系統(tǒng)。整個系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)為開放型分層分布式結(jié)構(gòu)，中心即為工程調(diào)度管理中心站，若干閥控、管道流量和壓力監(jiān)測子站為其輻射點。中心站設(shè)在秦州管理所，集工程調(diào)度、監(jiān)測等為一體。沿供水管道設(shè)若干測站，分別位于各閥門控制點，形成遙測（管道壓力、流量等）及遙控子站（閥門等）。中心站通過通訊系統(tǒng)對子站進(jìn)行直接監(jiān)控，主要對閥門、管道壓力、流量等進(jìn)行監(jiān)控，在調(diào)度監(jiān)控中心建立集中監(jiān)控和信息管理網(wǎng)絡(luò)平臺，建立閥門監(jiān)控平臺、管道流量和壓力監(jiān)控調(diào)度平臺，每一個監(jiān)控子站采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息，并上傳調(diào)度中心站，同時接受調(diào)度中心站發(fā)出的控制命令，控制現(xiàn)場設(shè)備。

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

天水市城區(qū)引洮供水工程運行管理信息化系統(tǒng)架構(gòu)具體如圖1所示。

圖1 天水市城區(qū)引洮供水工程運行管理信息化系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

天水市城區(qū)引洮供水工程運行管理信息化系統(tǒng)采取縱向分層、橫向分區(qū)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在控制區(qū)縱向上，分為3級：1）中心級，即天水調(diào)度中心；2）管理所級，即武山洛門、秦州籍口管理所；3）現(xiàn)地級，即沿線閘控與觀測現(xiàn)地站，主要包括4處檢修閥監(jiān)控、8 處調(diào)壓閥監(jiān)控、19 處管道壓力監(jiān)測、8 處管道流量監(jiān)測、4 處倒虹吸進(jìn)出口閘門監(jiān)控（包含 1，2，3# 倒虹吸進(jìn)出口）、2 處應(yīng)急自流引水工程樞紐閘門監(jiān)控、42 km 管道壓力檢測及70km供水管道安全監(jiān)測等，具體如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)組成

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體采用層次化設(shè)計，分為3 層：調(diào)度中心作為核心節(jié)點，管理所作為匯聚節(jié)點，各現(xiàn)地控制單元作為現(xiàn)地接入節(jié)點。

2.2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)實際需求，在調(diào)度中心布置視頻工作站及軟件平臺等中心站設(shè)備，并建設(shè)6路高清網(wǎng)絡(luò)視頻攝像頭，接入會商中心、武山洛門管理所，以及倒虹吸和 2# 洞進(jìn)出口、水池等的視頻監(jiān)視系統(tǒng)，在調(diào)度中心可分別同時調(diào)度接入各處的任意攝像頭畫面，并可控制現(xiàn)地球機(jī)。在會商中心和武山洛門管理所分別建設(shè)6路高清網(wǎng)絡(luò)視頻攝像頭，并部署硬盤錄像機(jī)和視頻工作站，6 處倒虹吸和 2# 洞進(jìn)出口、水池等共部署18路高清網(wǎng)絡(luò)視頻攝像頭和9處硬盤錄像機(jī)，接入本地視頻信號，并保存30d 視頻圖像。

圖2 天水市城區(qū)引洮供水工程運行管理信息化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)以秦州籍口調(diào)度中心為核心，通過專用計算機(jī)廣域網(wǎng)絡(luò)連接各現(xiàn)地站監(jiān)控點，實施對現(xiàn)地的閘站、觀測站周邊和閘室環(huán)境和設(shè)備狀況進(jìn)行全方位的視頻監(jiān)控，該設(shè)備主要包括攝像機(jī)及鏡頭（電動變焦）、攝像機(jī)防護(hù)罩、支架等，配套傳輸線路和電源電纜組成。該系統(tǒng)在功能上，它不僅為閘站監(jiān)控運行管理服務(wù)，還為其它應(yīng)用系統(tǒng)和專業(yè)運行管理人員提供支持，以實現(xiàn)工程建成后運行期控制節(jié)點的無人或少人值守。

2.2.3 閘閥控制系統(tǒng)

引洮供水天水城區(qū)供水工程渠線較長，沿線設(shè)有較多的分水閘、分水閥、節(jié)制閘、退水閘等，建設(shè)高效完善的閘/閥門綜合自動監(jiān)控系統(tǒng)成為工程運行管理系統(tǒng)安全可靠運行的重要基礎(chǔ)。通過配置智能型 PLC 設(shè)備，利用先進(jìn)的計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)地閘/閥門通過流量控制運行，并實現(xiàn)調(diào)度中心及管理站的遠(yuǎn)程控制，通過系統(tǒng)將閘門開度、荷重、閥門狀態(tài)等信號送至 PLC，PLC 將相關(guān)參數(shù)發(fā)送給現(xiàn)地工控機(jī)控制開度。

2.2.4 視頻會商系統(tǒng)

天水城區(qū)供水工程總干渠全線為100多 km，調(diào)度、會商中心與現(xiàn)地管理站地理位置分布分散，且距離較遠(yuǎn)，在需要各站多人參與會議會商時有很大局限性，但隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，會議會商系統(tǒng)的出現(xiàn)可以有效地解決會商、調(diào)度中心與各管理站的會議會商與決策的問題。在秦州籍口調(diào)度中心為主會場配置視頻會商系統(tǒng) MCU 及錄播服務(wù)器，武山洛門為分會場配置視頻會議終端設(shè)備，實現(xiàn)遠(yuǎn)程會議功能。

2.2.5 供水管道安全監(jiān)測系統(tǒng)

供水管道沿途地形地貌、氣候條件復(fù)雜多樣，管線需要穿越溪渠、溝壑、道路、農(nóng)田等各類野外地質(zhì)區(qū)域，大大增加了管線監(jiān)控的難度，同時一些人工作業(yè)往往會直接對管道造成破壞，導(dǎo)致突然停水和管道爆裂，因此實時提供管線運行過程中的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)、漏水噪聲監(jiān)測，以及管道內(nèi)的壓力和流量變化，通過分布式光纖技術(shù)和流量計、壓力計等實現(xiàn)實時的監(jiān)測并進(jìn)行統(tǒng)一管理，達(dá)到異常報警，管理人員及時維修，避免重大事故發(fā)生的目的。

2.2.6 安全支撐系統(tǒng)

調(diào)度中心、管理所設(shè)置動環(huán)系統(tǒng)，對溫度、濕度、煙霧、漏水、圖像及機(jī)房動力設(shè)備（智能高頻開關(guān)電源、UPS）進(jìn)行全面監(jiān)控，實現(xiàn)電源監(jiān)測、機(jī)房環(huán)境及管理所安全監(jiān)測。同時以等保護(hù)安全框架為依據(jù)和參考，在滿足國家法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系的前提下通過一中心兩防護(hù)的安全設(shè)計，形成網(wǎng)絡(luò)安全綜合防護(hù)體系，體系化地進(jìn)行安全方案設(shè)計，全面滿足等保安全需求及項目網(wǎng)絡(luò)安全戰(zhàn)略目標(biāo)。

2.2.7 應(yīng)用支撐系統(tǒng)

應(yīng)用系統(tǒng)采用集中部署方式，集中部署在天水市秦州區(qū)，武山洛門管理所和秦州籍口管理所通過配置客戶端進(jìn)行各類業(yè)務(wù)應(yīng)用的使用?，F(xiàn)地管理站設(shè)置閘門監(jiān)控、視頻監(jiān)控的客戶端應(yīng)用。應(yīng)用支撐平臺負(fù)責(zé)為各類應(yīng)用提供服務(wù)和支撐，根據(jù)告警規(guī)則和策略進(jìn)行告警的智能分析判斷，并支持多種告警方式，包含綜合報表、統(tǒng)計與查詢、發(fā)布等綜合信息應(yīng)用，具有對系統(tǒng)實現(xiàn)統(tǒng)一的監(jiān)視與管理、發(fā)布平臺通信消息的機(jī)制。

該系統(tǒng)配備的應(yīng)用軟件主要包括可顯示實時信息的 GIS 展示功能，同時包括閘閥的實時狀態(tài)信息、管線實時流量、壓力、視頻、水質(zhì)及供水管道等安全監(jiān)測信息[6]。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值指標(biāo)時，系統(tǒng)自動以閃爍、聲音等方式報警的動力環(huán)境監(jiān)測，并配備有分析功能的工程、調(diào)度管理軟件和實時反饋信息的移動互聯(lián)應(yīng)用。

3 結(jié)語

由于該工程點多線長，在目前的人力、物力條件下，已經(jīng)不能像傳統(tǒng)的供水方式那樣，在所、段、站配置相應(yīng)的人員進(jìn)行水量的計量和調(diào)配，只能使用現(xiàn)代化的手段，使得傳統(tǒng)的管理方式逐步向計算機(jī)信息化、智能化轉(zhuǎn)變，通過應(yīng)用自動化報表，提高數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析、匯總的效率，提高數(shù)據(jù)采集和提取的精確性和可靠度。通過6個月的試運行，在整個工程信息化的推廣應(yīng)用過程中，改善了工作環(huán)境，提高了灌區(qū)工作人員的管理水平和工作質(zhì)量，還提高了水資源調(diào)度調(diào)配能力和用水效率，實現(xiàn)了從渠首到用戶水情信息的實時監(jiān)測和記錄，可隨時隨地掌握工程運行情況，提高了水資源調(diào)度的準(zhǔn)確性、時效性。

天水市城區(qū)引洮供水工程運行管理信息化系統(tǒng)的成功應(yīng)用表明，水利信息化已經(jīng)成為現(xiàn)代長距離供水工程管理的必然趨勢，尤其在點多線長的城區(qū)供水工程中重要性及實用性尤為突出，這使得類似甘肅省等水資源匱乏地區(qū)，通過供水解決水資源短缺問題的同時不增加管理成本成為可能，也將為類似省份進(jìn)行水利信息化改革提供寶貴的實踐和技術(shù)經(jīng)驗。