德州市中心城區(qū)智慧調(diào)水建設(shè)與應(yīng)用

劉吉貴

（德州市水利局，山東 德州 253014）

智慧調(diào)水是智慧水利建設(shè)的重要內(nèi)容，也是提高調(diào)水效能、提升水資源利用率的必由之路。近兩年來(lái)，德州市水利局蘆家河揚(yáng)水站管理處以德州市中心城區(qū)調(diào)水工程為研究對(duì)象，從信息采集系統(tǒng)建設(shè)、自動(dòng)控制系統(tǒng)建設(shè)、決策支持系統(tǒng)建設(shè)三方面著手，同步開展硬件和軟件建設(shè)，努力探索智慧調(diào)水、一鍵調(diào)水的路子，取得初步成效。

1 基本情況

溝盤河水庫(kù)是德州市中心城區(qū)第三水廠的主要水源地。引黃調(diào)水線路為：黃河水由潘莊引黃總干渠進(jìn)入馬頰河，在李家橋閘上由辛店閘進(jìn)入沙楊河，經(jīng)程官屯泵站、穿減河涵洞進(jìn)入九龍溝、兄弟干渠、橫河，經(jīng)蘆家河泵站進(jìn)入溝盤河水庫(kù)。其中蘆家河揚(yáng)水站管理處管理的工程包括辛店閘、沙楊河8.2 km、程官屯泵站、九龍溝—兄弟干渠—橫河10 km、蘆家河泵站，是一個(gè)既包括水閘、河道，又包括泵站的復(fù)雜調(diào)水系統(tǒng)。

該工程每年調(diào)水9次左右，每次持續(xù)6 d左右，自提啟辛店閘起，2段河道運(yùn)用、2個(gè)泵站啟閉及3個(gè)閘門（辛店閘、程官屯泵站自流閘、蘆家河泵站自流閘）的啟閉均是憑經(jīng)驗(yàn)操作，調(diào)度人員和值班人員24 h察看水情、工情，并根據(jù)水情調(diào)度工程，既缺乏安全性，又極易造成水資源的浪費(fèi)，智慧調(diào)水建設(shè)勢(shì)在必行。

2 智慧調(diào)水建設(shè)主要內(nèi)容

2020年以來(lái)，德州市投資700余萬(wàn)元開展“智慧調(diào)水”工程建設(shè)，主要包括信息采集系統(tǒng)建設(shè)、自動(dòng)控制系統(tǒng)建設(shè)、決策支持系統(tǒng)建設(shè)3部分。

2.1 信息采集系統(tǒng)建設(shè)

信息采集系統(tǒng)建設(shè)即監(jiān)測(cè)體系建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)水過(guò)程中水量、水位、流量及設(shè)備狀況等全要素的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，提升信息捕捉和感知能力。

1）河道水位測(cè)報(bào)系統(tǒng)。建設(shè)辛店閘前水位、沙楊河水位、橫河水位、溝盤河水庫(kù)水位等7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可隨時(shí)對(duì)調(diào)水時(shí)河道水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2）河道流量測(cè)報(bào)系統(tǒng)。建成沙楊河辛店軌道式測(cè)流站、頭屯干渠三十鋪軌道式測(cè)流站、程官屯泵站及自流閘超聲波測(cè)流、蘆家河泵站及自流閘超聲波測(cè)流4個(gè)測(cè)流點(diǎn)。調(diào)水時(shí)軌道式測(cè)流站每天上午9點(diǎn)和下午4點(diǎn)各測(cè)量1次，關(guān)鍵時(shí)刻加密測(cè)量頻次，泵站及自流閘流量隨時(shí)測(cè)量。

3）工程監(jiān)控系統(tǒng)。安裝監(jiān)控?cái)z像頭84個(gè)，所有水閘、泵站、管理院落實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控全覆蓋。特別是在水位、設(shè)備等關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)立監(jiān)控，方便對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的人工驗(yàn)證，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

4）設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。包括泵站、水閘運(yùn)行時(shí)的電壓、電流等數(shù)據(jù)，并對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。

2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)建設(shè)

1）自動(dòng)閘控系統(tǒng)。調(diào)水線路上的辛店閘、程官屯泵站自流閘、蘆家河泵站自流閘和調(diào)水所涉及的頭屯渠首閘、程官屯閘、劉茂莊閘等6座水閘實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制。

2）自動(dòng)泵控系統(tǒng)。重建低壓配電設(shè)施和自動(dòng)化控制設(shè)施，實(shí)現(xiàn)程官屯泵站和蘆家河泵站的遠(yuǎn)程泵控。

2.3 決策支持系統(tǒng)建設(shè)

1）建立德州市中心城區(qū)調(diào)水指揮中心。在程官屯管理所建設(shè)德州中心城區(qū)引黃調(diào)水信息中心，設(shè)2 m×5 m的LED顯示屏1塊，各水閘、泵站、電流、電壓、流量、水位、監(jiān)控畫面等信息全部匯總到調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、集中處理及異常報(bào)警。

2）建立德州市中心城區(qū)調(diào)水信息系統(tǒng)。因水位、流量等硬件設(shè)施信息均由不同軟件展示，如果不能集中到一起，監(jiān)測(cè)、使用均不方便。按照集中統(tǒng)一原則，建設(shè)德州市中心城區(qū)調(diào)水信息系統(tǒng)，包括數(shù)字孿生模型和工程設(shè)備數(shù)據(jù)報(bào)表等。其中數(shù)字孿生模型包括程官屯泵站、蘆家河泵站、辛店閘、劉茂莊閘4個(gè)，在模型上可隨時(shí)顯示相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并能實(shí)時(shí)操作。數(shù)據(jù)報(bào)表包括水位、流量、水量等所有數(shù)據(jù)信息，并能生成圖表，一目了然。

3）建立德州市中心城區(qū)調(diào)水模型。智慧調(diào)水的核心是建設(shè)調(diào)水模型。2019年以來(lái)，集中業(yè)務(wù)骨干力量，同時(shí)聯(lián)合濟(jì)南大學(xué)，梳理10余年的調(diào)水?dāng)?shù)據(jù)，開展調(diào)水模型研究。根據(jù)河道及泵站運(yùn)用控制條件，運(yùn)用HEC-RAS軟件進(jìn)行模擬調(diào)水運(yùn)行過(guò)程的水面線，建立模擬圖像。

依據(jù)模型水位、流量等變化，可計(jì)算各水閘及泵站啟閉時(shí)間，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)水，同時(shí)建立了軟件程序，基本實(shí)現(xiàn)了調(diào)水全過(guò)程的模擬。目前正開展兩項(xiàng)工作，一是將調(diào)水軟件與信息化系統(tǒng)對(duì)接，建設(shè)全自動(dòng)調(diào)水模式。二是加強(qiáng)調(diào)水模型的實(shí)際模擬，進(jìn)一步修正相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。

3 應(yīng)用效益

3.1 操作方便快捷

通過(guò)此次建設(shè)，辛店閘、劉茂莊閘全部通電，并且實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。溝盤河水庫(kù)入庫(kù)閘位于水庫(kù)內(nèi)，每次提閘都是依靠職工爬上梯子進(jìn)行閘上操作，非常不安全，現(xiàn)在在控制室里即可操作。同時(shí)，由于一些水閘位置偏遠(yuǎn)，過(guò)去提落閘指令發(fā)布后，即使迅速組織人員，至少需要1 h到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)在指令發(fā)布后即可操作，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度指令的“零延遲”。

3.2 提高調(diào)水安全性

原來(lái)設(shè)備管理及河道管理主要通過(guò)人員巡查的方式，受巡查頻次、巡查人員能力等影響，一些問(wèn)題不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，存在一定安全隱患。現(xiàn)在通過(guò)全過(guò)程的流量、水位、電流、電壓的預(yù)警及監(jiān)控，特別是預(yù)警界面的出現(xiàn)和聲音提示，可以使值班人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)泵站、水閘及河道運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，迅速采取措施，更好地提高調(diào)水安全性。

3.3 節(jié)約水資源

工程改造前主要依靠人工觀察各河道水位、憑調(diào)水經(jīng)驗(yàn)提閘、開泵，調(diào)水管理比較粗放，造成水資源浪費(fèi)。此次信息化改造后，可以利用大數(shù)據(jù)對(duì)調(diào)水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)各河道水位變化情況、水量損失進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)算，能夠?qū)崿F(xiàn)提閘或落閘、開泵或關(guān)泵時(shí)間更精細(xì)化，用多少水調(diào)多少水，實(shí)現(xiàn)了水資源的節(jié)約利用。

4 建議

4.1 不斷優(yōu)化調(diào)水模型

調(diào)水模型是智慧調(diào)水成敗的關(guān)鍵。在實(shí)際調(diào)水過(guò)程中，不確定因素較多，如農(nóng)業(yè)灌溉期和非灌溉期，河道水量損失差異在20%以上。調(diào)水間隔時(shí)間不同，河道剩余水量及水質(zhì)不同，對(duì)下次調(diào)水也有影響，特別是冬季和汛期往往2~3個(gè)月不調(diào)水，河道生態(tài)與經(jīng)常性調(diào)水時(shí)差別較大。為此，必須對(duì)調(diào)水模型的干擾因素考慮周全，不斷地修正和完善模型，同時(shí)堅(jiān)持在實(shí)際工作中真正運(yùn)用，使之不斷優(yōu)化，更好地指導(dǎo)實(shí)踐。

4.2 提高現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集精度

智慧調(diào)水的基礎(chǔ)是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。目前超聲波水位計(jì)數(shù)據(jù)容易受水面漂浮物影響，電磁流量計(jì)在計(jì)量涵洞過(guò)水量時(shí)不穩(wěn)定，河道上軌道式測(cè)流站數(shù)據(jù)受含沙量等影響也較大。測(cè)量數(shù)據(jù)誤差必然導(dǎo)致決策偏差。為此，在不斷升級(jí)設(shè)備的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)信息采集設(shè)備維護(hù)，時(shí)刻保持良好運(yùn)轉(zhuǎn)，最大程度地減少測(cè)量干擾，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和精度，更好地輔助決策。

4.3 高度關(guān)注安全生產(chǎn)問(wèn)題

由于不能在現(xiàn)場(chǎng)觀察，遠(yuǎn)程操作必須配合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施，并制定嚴(yán)格的操作規(guī)程，避免安全事故發(fā)生。對(duì)于閘門、啟閉機(jī)、鋼絲繩等提閘前需檢查的項(xiàng)目應(yīng)定期檢查維護(hù)，時(shí)刻保持設(shè)備良好狀態(tài)。對(duì)提閘前需觀察的閘前、閘后狀態(tài)等應(yīng)利用監(jiān)控系統(tǒng)仔細(xì)觀察，并進(jìn)行語(yǔ)音提醒，特別是觀察有無(wú)人員進(jìn)入，確保不發(fā)生人身安全問(wèn)題。同時(shí)，調(diào)水系統(tǒng)運(yùn)行原則上采用專線通信，減少與外網(wǎng)的聯(lián)接，并強(qiáng)化安全防范，堅(jiān)決避免黑客入侵等問(wèn)題。

4.4 注重職工素質(zhì)提升

現(xiàn)代化工程需要現(xiàn)代化思維及專業(yè)化操作能力的人員。目前，基層水利管理單位往往存在人員不足、人員老化等問(wèn)題，年輕人少、大學(xué)生少、信息化專業(yè)人才更少，習(xí)慣于原有的操作辦法，對(duì)新形勢(shì)、新操作、新要求難以適應(yīng)。為此，人才問(wèn)題是制約智慧水利建設(shè)和發(fā)展的首要問(wèn)題，基層水利管理單位應(yīng)當(dāng)制定政策，大力引進(jìn)專業(yè)人才，強(qiáng)化現(xiàn)有人員培訓(xùn)，努力鍛造一支學(xué)歷高、創(chuàng)新能力強(qiáng)的專業(yè)隊(duì)伍，更好地滿足智慧調(diào)水工程建設(shè)的需要。