大型水庫工程運行管理信息化建設(shè)構(gòu)思

馮海源，張森

(臨朐縣冶源水庫運行維護中心,山東 臨朐 262605）

大型水庫是水利工程中的主體部分，它是通過修建蓄水建筑物來實現(xiàn)抗洪防汛功能，在此基礎(chǔ)上，大型水庫還可以被利用在水力發(fā)電、供水、灌溉、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖等用途。在科技水平與工程技術(shù)不斷提高的新時代背景下，水利工程行業(yè)對大型水庫建設(shè)提出了新的要求：即以問題需求為導(dǎo)向，在信息化技術(shù)的輔助下，做好防洪供水工程和生態(tài)修復(fù)工程。

1 大型水庫信息化建設(shè)的主要實現(xiàn)功能

1.1 汛期雨情自動預(yù)警功能

水庫是以人工修建的蓄水池形式，結(jié)合可以控制開合的閘門來實現(xiàn)對下游徑流流速流量的控制目的的工程。在汛期降雨時，大型水庫蓄水防止過量的降雨導(dǎo)致的洪災(zāi)給下游農(nóng)業(yè)種植與生活帶來不利影響；在汛期結(jié)束時，通過開閘泄洪的方式，改善下游河流的水情。但以往的大型水庫管理運行模式，過度依賴水庫管理人員的日常巡查，與氣象部門的偵查預(yù)警，經(jīng)過向防汛辦公室以及上級部門層層上報審批，最終才能形成確認(rèn)開閘的意見，管理與運行流程中人力成本過高且效率不高。因此大型水庫現(xiàn)代化建設(shè)首先要實現(xiàn)的功能，便是汛期雨情的自動預(yù)警功能，通過應(yīng)用信息化技術(shù)實現(xiàn)水庫自動全天候預(yù)報即將來臨的汛期雨情，在汛情來臨前能夠有充足的時間準(zhǔn)備抗洪防汛工作。

1.2 可靠的通信聯(lián)動與自檢功能

除了自動預(yù)警功能的實現(xiàn)以外，信息化建設(shè)的大型水庫框架還要具備一定的通信與聯(lián)動功能的穩(wěn)定性。一旦預(yù)警到有汛期來臨，可以做到快速反映，將預(yù)計降水量與持續(xù)時間等重要信息及時傳輸給水庫工程的控制中心，這要依靠技術(shù)相對成熟的通信系統(tǒng)來實現(xiàn)。另一方面，在大型水庫的信息化運行管理建設(shè)中，由于水庫的閘門與其它水泵的機械設(shè)施都是通過智能系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)控制的，其中涉及多種傳感器以及電子元件設(shè)備，它們的運行穩(wěn)定性要得到有效保證，通過技術(shù)優(yōu)化將理論的故障率降到最低，此外整個信息化運行管理系統(tǒng)中，還要有自檢程序，可以針對水庫的重點部位進行動態(tài)監(jiān)測，防止系統(tǒng)故障或者水庫結(jié)構(gòu)損壞的現(xiàn)象發(fā)生，確保發(fā)現(xiàn)問題可以第一時間修復(fù)。

1.3 遵循經(jīng)濟適用原則

此外大型水庫信息化建設(shè)要遵循經(jīng)濟適用原則，建設(shè)需要的所有電子元件以及儀器設(shè)備應(yīng)當(dāng)盡量以天然能源作為供應(yīng)能源，不能因電力能源問題等再次加重大型水庫的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)與環(huán)境負(fù)擔(dān)，可以在自有的水力發(fā)電或者太陽能發(fā)電上拓寬思路進行設(shè)計。另外，還要求信息化工程建設(shè)中所選用的材料以及電子元件在造價成本上具有一定經(jīng)濟優(yōu)勢，且便于維修與拆換。

2 大型水庫運行管理信息化建設(shè)基本框架與原理

2.1 供電系統(tǒng)

大型水庫信息化建設(shè)首先要解決的是供電問題，由于大型水建設(shè)的地點大多數(shù)并不具備市電供應(yīng)的條件，因此整個信息化水庫運行管理系統(tǒng)采用太陽能供電板與自有水力發(fā)電相結(jié)合的方式作為供電方式。我國大部分的大型水庫選址具備充足的太陽光照條件，內(nèi)陸地區(qū)平均日照量均在6kWh/m2d以上，因此可以選用2組80W以上的太陽能光伏發(fā)電板，依靠太陽能發(fā)電作為信息化水庫運行管理系統(tǒng)的主要供電手段。為了應(yīng)對偶發(fā)的連續(xù)陰雨等極端情況，要求水庫運行管理系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)以大型水庫自有的水力發(fā)電系統(tǒng)作為備用供電方式，太陽能供電板連接的蓄電裝置容量要在100AH以上，要保證光照條件不佳的情況下，系統(tǒng)至少可以運行30天以上。

2.2 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

大型水庫的通信系統(tǒng)采用4G/5G通信作為主要的通信信道，為了防止突發(fā)強雷雨天氣干擾因素，還要有衛(wèi)星通信信道作為備用信道以保證水文水情的信息傳遞通暢，一旦遭遇惡劣天氣，通信信道可以自動從4G切換至衛(wèi)星信道。在應(yīng)用信息化水庫運行管理系統(tǒng)時，一旦發(fā)生蓄水池的水位與降雨量超過設(shè)定的預(yù)警閾值時，采用兩種協(xié)議方式，在LoRa網(wǎng)絡(luò)上分別將情況上報給市縣級與省級兩級水利分管中心。在框架結(jié)構(gòu)上，分為五個部分：由大型水庫管理部門的信息化水庫運行管理系統(tǒng)構(gòu)成核心控制單元，通過4G/5G信道與衛(wèi)星信道兩種網(wǎng)絡(luò)信道模式分管水庫安全監(jiān)測站、汛期自動預(yù)警系統(tǒng)、閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)與水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。除了在控制室操作運行管理系統(tǒng)對水庫分管項目進行控制外，還能通過Wifi與4G/5G連接移動端進行遠(yuǎn)程控制。

2.3 三種控制模式動態(tài)切換的閘門控制系統(tǒng)

閘門是水庫實現(xiàn)泄洪與調(diào)節(jié)下游水位與水量的關(guān)鍵部位，為了確保它運行狀態(tài)正常，在信息化大型水庫的建設(shè)中配備了動態(tài)切換模式的閘門控制系統(tǒng)。第一種控制方式是智能邏輯控制，通過閘口上方安裝的雷達水位計與傳感裝置，加上一個運行開關(guān)組成的回路，在智能邏輯控制模式中，一旦水位超過了雷達水位計的預(yù)警范圍，會通過傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，輸入到控制線路中，就會啟動閘門的控制開關(guān)進行開閘泄洪，這樣就實現(xiàn)了根據(jù)水位動態(tài)自動控制閘門的功能。第二種是遠(yuǎn)程手動控制模式，通過主控制室的系統(tǒng)操作，遠(yuǎn)程控制閘門升降，用于汛期結(jié)束后對下游進行水情調(diào)節(jié)時使用。第三種是本地手動控制模式，通過閘門終端安裝的制動開關(guān)來實現(xiàn)閘門的開合控制，保留本地手動控制模式的原因主要有兩個，其一是作為極端情況以上兩種控制模式均出現(xiàn)故障時，作為應(yīng)急保險控制；第二個是方便日常對閘門進行現(xiàn)場調(diào)試與檢修，以上三種控制模式在閘門制動開關(guān)處，水庫主控制室和移動端均可進行切換。

2.4 智能監(jiān)測分析系統(tǒng)

除了閘門處的雷達水位計外，在水庫的周邊還配備有型號為LD-YLJC-降雨量監(jiān)測設(shè)備，通過傳感器將這兩個智能設(shè)備所記錄信息回傳給水庫運行管理系統(tǒng)進行后臺分析，就可以提供給水庫管理部門可靠的降雨量、降雨強度、降雨時間、水庫水位情況等信息作為水雨情分析的基本依據(jù)，水庫管理部門可以根據(jù)具體的汛情和雨情制定開閘泄洪與抗洪防汛的各項計劃安排。信息化水庫運行管理系統(tǒng)的計算能力十分強大，它可以自動儲存歷史記錄的監(jiān)測信息，并統(tǒng)計分析出大型水庫滲壓、水位與雨量的變化幅度、歷史最高值、年平均值等水情信息，在后臺會自動生成一份水情趨勢變化曲線，以供水庫管理部門以及分管防汛部門進行分析判斷。而水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，是通過在水庫周邊設(shè)置浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測儀的方式來采集水質(zhì)信息的，浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測儀能夠動態(tài)監(jiān)測出水庫蓄水池及下游地區(qū)的水溫、導(dǎo)電率、PH值、氨氮含量和溶解氧等水質(zhì)情況，水庫管理部門可以隨時根據(jù)水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的報告，制定合理的水庫蓄水用途以及凈化處理方法。

2.5 異常監(jiān)控報警系統(tǒng)

在大型水庫工程運行管理的信息化建設(shè)中，還包含了水庫的異常監(jiān)控報警系統(tǒng)，主要是對兩個方面進行監(jiān)控報警。

（1）最主要的水庫本身的結(jié)構(gòu)監(jiān)控報警：通過在大壩附近的一處可靠參照點上安裝形變監(jiān)測雷達傳感器的方式，來動態(tài)監(jiān)控水庫大壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定情況，形變監(jiān)測雷達傳感器可監(jiān)測出大壩的縱向與橫向位移量、撓度、接縫位移情況。在大壩上還安裝了環(huán)境傳感裝置來監(jiān)測大壩動態(tài)的滲水量、水壓應(yīng)力與氣溫等外在因素變量。當(dāng)其中任意一個傳感器監(jiān)測出水庫大壩的運行穩(wěn)定性存在安全隱患時，能夠在第一時間進行預(yù)警，使水庫管理部門有充足的時間對攔洪大壩進行除險與工程修復(fù)。除了傳感器進行動態(tài)監(jiān)控以外，在水庫周邊各個位置還安裝了高清監(jiān)控探頭，監(jiān)控探頭支持自由轉(zhuǎn)動視角與調(diào)節(jié)焦距，對閘門的運行狀況、水庫結(jié)構(gòu)與水情等進行全天候監(jiān)控，在非汛期水庫大壩運行穩(wěn)定的情況下，可以以此來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡查，減輕水庫運行管理的人力負(fù)擔(dān)。

（2）信息化系統(tǒng)線路的自檢報警，在整個信息化水庫運行管理系統(tǒng)中，任意一處監(jiān)測設(shè)備或者聯(lián)動控制裝置出現(xiàn)故障，都能立刻向水庫主控制室發(fā)起報警，水庫管理部門在接收到報警信號后，可以組織專門的工作人員對相應(yīng)位置的設(shè)備裝置進行檢修與拆換，除此之外自檢報警系統(tǒng)還能對系統(tǒng)的供電異常與通信中斷現(xiàn)象原因進行智能分析，第一時間給出解決方案。

以上兩個異常報警系統(tǒng)實現(xiàn)了大型水庫防汛運行的安全監(jiān)測與報警，為水庫除險工程的制定與后續(xù)的防洪調(diào)度指揮工作提供了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)保障。

3 結(jié)語

綜上所述，大型水庫工程建設(shè)信息化已成為了時代發(fā)展的必然趨勢，相關(guān)的建設(shè)單位應(yīng)當(dāng)始終以更好地維護人民財產(chǎn)生命安全與可持續(xù)發(fā)展為工程建設(shè)原則。確保大型水庫工程安全穩(wěn)定的前提下，圍繞大型水庫的實際建設(shè)功能與運行環(huán)境等因素，建設(shè)功能完善的大型水庫信息化工程。通過信息化技術(shù)的輔助，提升大型水庫的運行管理工作效率。