灌區(qū)節(jié)水改造項目信息化設計要點研究

【摘要】灌區(qū)信息化是水利信息化的重要組成部分，為進一步提高灌區(qū)節(jié)水改造項目中的信息化建設水平，文中對實際案例中的灌區(qū)信息化設計內(nèi)容展開研究。對灌渠信息化總體設計進行分析，明確了總體設計思路、系統(tǒng)組成以及數(shù)據(jù)流程，總結(jié)出工程灌區(qū)信息化設計要點。分別對視頻監(jiān)測系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)以及水情監(jiān)測系統(tǒng)等設計節(jié)點的核心內(nèi)容進行系統(tǒng)分析。

【關鍵詞】灌區(qū)工程；信息化技術(shù)；監(jiān)測系統(tǒng)；自動化控制系統(tǒng)

【中圖分類號】TU26 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）05-0037-03

0 引言

目前，全國共有大型灌區(qū)456處，中型灌區(qū)7 316處，小型灌區(qū)205.82萬處，總灌溉面積5 633.3萬公頃，是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主力軍和重要保障，其重要性不言而喻[1-2]。

近年來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，信息化系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)以及智能輔助系統(tǒng)等計算機科學迅速發(fā)展，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠諿3]。信息化技術(shù)能夠大幅度提高灌區(qū)管理水平、實時監(jiān)測水情、保障水工運行安全，能夠讓水利工程發(fā)揮更好的作用，同時在灌區(qū)建設過程中，實現(xiàn)灌區(qū)信息化是水利信息化的具體體現(xiàn)，也是灌區(qū)現(xiàn)代化建設的基礎和標志，是智能化灌區(qū)管理工作的重要環(huán)節(jié)[4]。

現(xiàn)以某渠節(jié)水改造項目信息化設計內(nèi)容為研究對象，對灌區(qū)信息化設計內(nèi)容展開研究，以期明確灌區(qū)節(jié)水改造項目信息化設計要點。

1 工程概況與布置

1.1 工程概說

某縣渠灌區(qū)位于陜西省南部山地間的漢中平川區(qū)。灌區(qū)引水樞紐始建于1939年，于1941年建成通水，為漢江第一壩，屬低壩自流引水。灌區(qū)平面分布大致呈條帶狀，東西長約35.0 km，南北寬約4.8 km，覆蓋了縣城及周邊漢江平川地帶七個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。灌區(qū)設有攔水壩1座，干渠2條，支渠45條，渠系建筑物248座。灌區(qū)設計灌溉面積0.5 萬公頃，有效灌溉面積0.428 萬公頃。工程運行80余年來，對解決當?shù)剞r(nóng)業(yè)缺水問題，保障和促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)，發(fā)展區(qū)內(nèi)經(jīng)濟，改善和促進當?shù)厝嗣裆睿l(fā)揮了巨大的作用。但現(xiàn)狀部分位置由于年久失修，目前破損嚴重，為保障灌區(qū)治理能力，滿足灌溉要求，同時符合灌區(qū)節(jié)水以及生態(tài)文明要求，需要對灌區(qū)整體進行升級改造。

1.2 工程總布置

灌區(qū)改造工程所遵循的原則為盡量采用灌區(qū)現(xiàn)有渠道條件，結(jié)合實際需求，對破損區(qū)域進行修補，并盡量做到工程量較小、造價低廉、施工方便?；诖?，本次改造工程仍沿用原有灌區(qū)平面布局，同時采用新核算的灌溉面積和實際地形情況對渠道設計流量、渠道縱比降等參數(shù)進行重新核算。

項目規(guī)劃渠道襯砌改造總長29.558 km。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)村莊段渠道兩側(cè)設置鐵絲圍欄，圍欄長度10.62 km，警示牌10個，安裝支渠水尺85個，干渠水尺4處。為了緩解現(xiàn)狀農(nóng)橋?qū)Ρ备汕淖杷畤乐厍闆r，北干渠上拆除并重建16座農(nóng)用橋梁，渡槽改造5處，新建分水閘1座，新建北干渠退水閘1座。對渠道三座管理站的瓦屋面進行維修改造。

2 總體設計

2.1 總體設計

工程中工程信息化系統(tǒng)建設目的是實現(xiàn)灌區(qū)自動化管理，優(yōu)化水資源配置方案，在滿足灌區(qū)需求的同時最大程度做到對水資源的合理利用。經(jīng)過改造，信息化系統(tǒng)需要做到在數(shù)字集成平臺和虛擬環(huán)境下，解決、處理和決策協(xié)調(diào)工程管理、行政管理等問題。

信息化系統(tǒng)由上到下分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層、管理應用層等七個層次。灌區(qū)信息化建設系統(tǒng)共分為4個層次，第一層為數(shù)據(jù)采集層。本次信息采集層采集數(shù)據(jù)信息有閘門控制柜運行信息、閘位信息、水位信息、渠道流量信息和視頻等初步信息。第二層為數(shù)據(jù)傳輸層。數(shù)據(jù)傳輸層負責本次信息采集層的數(shù)據(jù)傳輸，工程中所采用的信息傳輸方式主要分為GPRS/3G/微波無線傳輸兩種。第三層為數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)處理層是整個系統(tǒng)中的核心部位，承擔著數(shù)據(jù)的匯總和處理，是本次數(shù)據(jù)匯集管理層，實現(xiàn)灌區(qū)所有數(shù)據(jù)信息的匯集及處理，為業(yè)務實現(xiàn)提供數(shù)據(jù)基礎。第四層為管理應用層。是本次信息化建設的業(yè)務處理核心區(qū)域。利用數(shù)據(jù)資源管理層分析處理的數(shù)據(jù)，進行灌區(qū)的業(yè)務管理及灌區(qū)的日常工作管理。灌區(qū)業(yè)務綜合展現(xiàn)可通過電腦終端等實現(xiàn)業(yè)務展示。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

渠灌區(qū)信息化主要目的是進行灌區(qū)內(nèi)水資源調(diào)度，即根據(jù)實際需求和水量等內(nèi)容將渠道中的水按需分給用水戶。其中，有關實際需求相關信息，需要綜合考慮灌區(qū)所在區(qū)域的氣象變化、水文地質(zhì)條件、土壤含水量以及農(nóng)作物實際生產(chǎn)量等信息。該系統(tǒng)采用預測預報方法和相應的優(yōu)化技術(shù)，對水資源以及灌溉需求等內(nèi)容進行預報，進而分析并制定出符合農(nóng)作物實際蓄水情況的用水制度。

基于上述目的和要求考慮，結(jié)合信息交換等領域內(nèi)容，進行水資源調(diào)度過程中存在著外部信息的交換和管理中心（系統(tǒng)核心）內(nèi)部信息的交換。其中，外部信息主要包括管理機關以及周圍環(huán)境等信息反饋，內(nèi)部信息交換主要是系統(tǒng)核心單位之間所產(chǎn)生的信息流。

3 灌區(qū)信息化設計要點

3.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

渠灌管理中心為信息化系統(tǒng)總控制中心，內(nèi)部配置應用服務器、大屏展示系統(tǒng)、業(yè)務辦公室設施等。其中大屏顯示系統(tǒng)為視頻監(jiān)控系統(tǒng)核心內(nèi)容。用戶信號源、信號切換、信號處理、信號顯示和信號控制等共同組成工程信息化系統(tǒng)中的大屏幕顯示系統(tǒng)。其中，用戶信號源主要指信息化系統(tǒng)服務器所接收到的各類傳感器信號，為信息來源，工程中信號源主要包括攝像頭等視頻信號、RGB信號、相關信息處理節(jié)點輸出的顯示內(nèi)容等。信號處理部分主要是將信號源所接收到的信號進行處理，并將信息展示在顯示器上。信號控制部分主要采用控制軟件或控制系統(tǒng)進行，并在處理大屏幕顯示。

灌區(qū)設置的視頻實時監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有非常好的可擴展性，可以方便擴容和接入其他設備，視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高度集成性、模塊化結(jié)構(gòu)。視頻圖像在前端進行硬件進行壓縮處理，通過微波通道上傳，數(shù)據(jù)包在無線網(wǎng)絡中傳輸，監(jiān)控中心采用軟件解壓縮方式進行圖像觀察，監(jiān)控中心的服務器又作為圖像Wed服務器接入，通過管理軟件對攝像機進行靈活分組控制。該系統(tǒng)可靠性較高，無需日常維護，完全能滿足無人值守的要求，并預留與其他系統(tǒng)的網(wǎng)絡接口。網(wǎng)絡視頻攝像機通過有線（超五類雙絞線）將視頻信號傳輸?shù)綗o線網(wǎng)橋，然后以微波形式將視頻信號上傳灌區(qū)視頻、圖像信息至管理站（處）總控室的灌區(qū)綜合信息管理平臺遠程顯示。

3.2 自動化控制系統(tǒng)

在灌區(qū)信息化系統(tǒng)設計過程中，自動化控制系統(tǒng)是十分重要的部分，主要體現(xiàn)在閘門的遠程控制中，閘門遠程自動控制技術(shù)集成了可編程控制器（PLC）和機電控制設備?？刂七^程中，工作人員在控制中心通過中央計算機下達控制指令，并通過工業(yè)控制微機發(fā)送至可編程控制器，通過電機驅(qū)動閘門啟閉機實現(xiàn)閘門自動升降。

閘門遠程自動控制系統(tǒng)控制邏輯如圖2所示。對于水閘相關控制下系統(tǒng)的設計工作，主要依據(jù)水閘現(xiàn)代化相關標準，采用現(xiàn)場手動控制、現(xiàn)場集中控制即遠程遙控控制的兩地三類控制體系，系統(tǒng)整體控制優(yōu)先級為手動優(yōu)先和下層優(yōu)先。在進行閘門控制單元的設計中需要集成可編程控制器（PLC）和機電控制設備，協(xié)同處理閘門起降工作。

工程采用PLC系統(tǒng)在脫離主控機及網(wǎng)絡后，能對所控制的閘門進行正確無誤操作以及自診斷。任一PLC故障不影響整個閘門自動控制系統(tǒng)的正常工作，能夠滿足安全需求。

3.3 水情監(jiān)測系統(tǒng)

干渠是灌區(qū)渠系中的重要輸水渠道，是灌區(qū)水流的主要通道。干渠和分干渠的水情信息直接影響著灌區(qū)內(nèi)的支、斗渠水情工況。因此，監(jiān)測灌區(qū)干渠和分干渠的水情信息，對于掌握灌區(qū)內(nèi)水情工況非常必要，也是灌區(qū)水情信息的重要數(shù)據(jù)支撐。工程采用雷達技術(shù)對灌區(qū)干渠水情進行檢測控制，控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

根據(jù)項目支、斗渠的特點，選用遙測磁致伸縮水位計作為監(jiān)測設備。遙測磁致伸縮水位計設備首先采集渠道流速信息，并通過GPRS/3G/4G無線通信的方式將渠道水情信息傳遞至項目管理中心，并進行數(shù)據(jù)分析和可視化處理，通過平臺軟件的理論換算功能換算出流量信息，從而在平臺上遠程顯示灌區(qū)水位、流量信息。

4 結(jié)語

以某渠節(jié)水改造項目中信息化設計內(nèi)容為研究對象，對灌區(qū)信息化設計技術(shù)展開系統(tǒng)的研究工作，得出以下兩點結(jié)論。

一是，對某渠信息化設計中的總體設計思路進行分析，明確了該工程信息化設計中的總體布局、系統(tǒng)組成以及數(shù)據(jù)流程等信息化核心內(nèi)容，總結(jié)出了灌區(qū)信息化設計優(yōu)點。

二是，對某渠信息化設計中的視頻監(jiān)測系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)以及水情檢測系統(tǒng)等灌區(qū)信息化設計節(jié)點進行分析，明確了各設計節(jié)點的核心內(nèi)容。此次研究內(nèi)容對后續(xù)灌區(qū)信息化設計工作的開展具有一定借鑒作用。

參考文獻

[1] 高煒.灌區(qū)運行管理中信息化建設現(xiàn)狀及對策探析[J].地下水，2017，39（6）：213-214.

[2] 黃顯峰，邵東國.我國灌區(qū)信息化建設面臨的若干問題與對策[J].水資源保護，2005（2）：69-71.

[3] 陳金水.灌區(qū)信息化發(fā)展[J].中國水利，2003（16）：35-38.

[4] 邊玉國，李積軍，郭志成.大型灌區(qū)信息化系統(tǒng)總體方案設計[J].水利規(guī)劃與設計，2018（7）：15-18.

[作者簡介]田志明（1989—），男，石家莊人，大學本科，研究方向：農(nóng)田灌溉、河道防洪。