江有成

(新疆玛纳斯河流域管理局，新疆 石河子 832000)

玛纳斯河河谷水源地工程位于新疆玛纳斯河出山口低山丘陵区的河谷南山洼地，南山洼地范围东起呼图壁河，西至金沟河，东西长度为100km，南北宽度为11km，面积约为1000km2，南山洼地内沉积着巨厚的第四系砂卵砾石层，渗透性良好，河流通过此带时大量渗漏，在红山嘴第三系隆起低山地带形成天然地下水库[1]。地下水以泉水的形式出露，经过玛纳斯河河谷红山嘴进入北部冲洪积平原区。玛纳斯河多年平均径流量为13.41亿m3，来水量季节分布不均，主要集中在6—8月，春季玛纳斯河灌区农业“卡脖子旱”现象时常发生[2]。

新疆玛纳斯河虽存在地表水资源匮乏的问题，但地下水资源十分可观，如果能够将地下水进行合理调度，并优化分配，则可以有效解决上述问题[3]。在需水过程和系统硬件已定的情况下，水资源优化调度充分利用该地区地下水水位变化的不同步性和各个压力前池库容特性的差异，可最大限度地发挥水资源的综合利用效率。基于该思想，新疆玛纳斯河流域管理局开发建设了玛纳斯河河谷水源地。该水源地采用管井结合井群取水方式，实行远程自动控制和现场控制相结合的运行方式，并建设了远程信息监控系统和井群现地监控单元，以保证需水和供水的有效平衡，同时基于井群现地监控单元采集到的相关信息进行分析和决策，从而实现水资源的优化调度[4-5]。

1 水资源监控系统总体方案

水资源监控系统主要由远程信息监控系统和井群现地监控单元组成，在设计的过程中采用了现代信息采集、优化决策、自动控制等软硬件技术手段，按照“无人值班，少人值守”的设计原则，在高速宽带计算机网络基础平台上，实现远程信息监测及自动控制功能。水资源监控系统总体方案见图1[6-7]。

图1 玛纳斯河河谷水源地水资源监控系统总体方案

远程信息监控系统设置在井群供水管理站和新疆玛纳斯河流域管理局内，可根据水源地机井(压力前池)的水位及总体用水需求情况，调整井群现地监控单元所控设备的运行状态，实现调度管理控制的一体化、自动化。管理人员通过网络即可完全掌握所管理区域内任意一口水源井及供水分水口运行设备的工作状态、机井水位、管道压力、管道流量以及设备故障等信息。该系统不仅能够显示水源地机井和分水出水口的过程参数、趋势图、设备状态等信息，还能对监测数据进行分析，基于模糊控制算法实现对水资源的优化调度。

井群现地监控单元(LCU)主要由PLC作为控制核心，设置于各个机井房内(共计36套)、压力前池(1套)、分水口(1套)。该单元收集各个机井、压力前池和分水口的信息，并执行对潜水泵和阀门的控制，通过工业以太网与远程信息监控系统相连，组成一个分散控制系统，实现对整个供水过程的实时监控，确保整个供水过程的运行安全。通过分散控制、集中管理的思想，对玛纳斯河河谷水源地地下水资源进行合理的分配和调度，可有效解决流域内城市供水和工农业对水资源的不同需求。

2 井群现地监控单元布设及水资源优化调度

2.1 井群现地监控单元整体布设方案和功能

为实现对玛纳斯河水源地地下水资源的优化调度，在其周围建设了36眼机井用于抽取地下水，每眼机井配套建设一套井群LCU，实现水源地的远程监测、监控，并设置视频监视系统对水井进行实时监视，以确保水井及管线安全。36眼机井抽取水后，汇聚至压力前池予以储备。当下游需水量大、压力前池的水位下降时，根据井群监控系统采集到的实时水位数据，按照预设低水位报警值来调节机井控制系统，开启部分机井供水设备，确保下游需水总量。当下游需水量减小，压力前池的水位上升至预设高水位报警值时，则可通过井群监控系统关闭部分机井供水设备，保障前池供水安全，实现水源的优化调度。井群现地监控单元整体布设情况见图2。

图2 井群现地监控单元整体布设

在对单个机井进行抽水的过程中，实时显示当前机井的水位值，如果水位值低于设定值，自动关闭取水井潜水泵，液位恢复后自动开机，从而对地下水进行保护，避免过度取水。且每个LCU都具有对电源状态的监测功能，可以实时采集潜水泵供电电压和电流，并基于内部算法分析电源是否处于正常状态，从而保证设备的安全运行。

LCU采用3种工作方式，实现信息采集及控制功能。采用LCU控制权限优先的设计原则，当现地人员发现设备或系统出现问题时，可通过现场操作及时中断远程控制的进程，保障人员和设备安全。具体工作方式如下：

a.远程控制工作方式。当控制柜的选择开关处于“远程”档时，井群供水管理站或者局调度中心操作员可在监控站控制机井的启停。操作员只需向计算机输入“启动/停止”命令，现地控制单元即可自动启动或停止机井水泵运行。远程控制时，控制柜上的“启动/停止”按钮被锁定不能改变机井运行状态，但机井数据采集系统仍能正常工作，将采集到的数据上传至远程信息监控系统。

b.现地控制工作方式。当控制柜上的选择开关处于“现地”位置时，现场人员可利用控制柜上的“启动/停止”按钮操作机井。在该工作方式下，局调度中心操作员的远程操作指令将被锁定，不能改变机井运行状态。机井数据采集系统不受影响可正常工作，将采集到的数据上传至计算机监控系统。

c.检修锁定方式。锁定“远程”和“现地”两种控制功能，禁止机井启动或停止，实行机井检修作业，确保现场作业人员安全。

2.2 井群监控系统可靠性设计及实现

井群LCU运行处于新疆野外环境时，要求现场操作简单扼要，易于运行维护及故障报警，因此需要将可靠性保障措施贯穿全过程。可靠性设计及实现分析如下：

a.在实施过程中，由于采集仪器是数据的来源，所以采集仪器的可靠性是关键。因此，所有采集仪器设备在选型时，将可靠性作为重点考虑指标。

b.系统实施完毕后，设备之间电气可靠连接是稳定运行的条件之一。因此，需重点考虑仪器设备之间电气部分连接的可靠性，简化处理环节，不附加无用功能，从而大大提高使用寿命和运行的可靠性。

c.采取完善的防雷电措施，各视频监测点安装浪涌避雷装置，以消除电源线引入的雷电干扰破坏。

d.计算机网络设备选用高可靠、高质量、应用成熟的产品，提高网络设备及计算机设备的可靠性，从而提高整个系统的可靠性。

2.3 水资源优化调度设计及实现

为最大化地实现水资源的合理调度，在井群监控管理站基于模糊控制规则设计了优化调度算法，新疆玛纳斯河河谷水资源优化调度原理见图3。

图3 水资源优化调度原理

以下游需求为控制目标，实现对压力前池中的存储水进行优化分配,具体分配原则为按需分配。水资源优化调度的原理和步骤如下：

a.工农业和生活用水需水量，作为水资源优化调度算法的重要输入信息，其准确获取对于进一步采取的优化调度有重要意义，通常需水量由需水部门统计上报，并上传至井群监控管理站。

b.实时采集前池水位信息，作为优化调度算法的第3个输入信息。采用模糊专家经验法构建水资源优化调度模型，具体调度规则见表1。将需水量划分为无、低、中、高4级；将实时监测的水位与阈值比较后的状态设置为2级，1为高于设定阈值，0为低于设定阈值。建立了14条模糊规则，这些规则均可以根据实际情况进行动态调整。

表1 水资源优化调度模糊规则

c.模型构建完成后，将实时获取到的信息1、信息2、信息3输入到表1，进行信息查询，从而获得优化调度的结果，即开启多少机井水泵进行水资源的供给。

3 远程信息监控系统软件功能及实现

远程信息监控系统的软件主要实现信息的准确监测、实时传输，自动接收监控指令，准确计算控制量，在现地小闭环控制系统中，尽可能减少机井水泵的频繁启动，结合供水的特点设计合理的供水模式，实现节能、高效、安全的目标。远程信息监控系统软件功能如下：

a.信息采集：通过各种传感器实时采集水泵工作电压、过压/欠压/缺相、热继电器状态、机井水位、管道压力、出水流量等信息，存储在LCU，为远程控制提供可靠依据，为设备安全运行提供可靠的保证。

b.控制指令发送：远程信息监控系统向LCU发送各种控制指令，LCU按照控制指令准确启停水泵，实现闸阀的控制。

c.控制输出：LCU接收到远程信息监控系统发送的控制指令后，驱动现地控制单元相应的继电器、接触器，控制电动装置完成机井水泵和管道闸阀的远程控制。

d.控制通信单元：完成远程信息监控系统与LCU实时的信息交换，并实时监测通信状况，保证通信畅通。

软件编程完成后，在远程信息监控系统中可以查看整个控制过程，并对采集数据进行存储和分析，对实时、历史趋势也能够进行有效观测，自动生成年报表供水数据，进一步辅助决策部门根据科学的数据分析进行水资源的优化调度。在新疆玛纳斯河河谷水源地井群远程监控系统主界面(见图4)中，可以对36眼机井的运行状态进行实时监视(绿色为运行状态，灰色为停止状态)，同时在“控制窗口”可对当前机井(图4中当前机井为35号机井)进行具体数据的监视和机井控制。

图4 井群远程监控系统主界面

由图5井群远程监控数据界面中可看出，井群远程监控系统可对前池的液位和36眼机井的瞬时流量、累计水量数据进行统一显示和存储，这些数据是后续开展优化调度算法的基础，同时也便于调度人员对整个系统的运行情况进行动态监视。

图5 井群远程监测数据显示

4 结 语

城市的工业和生活用水对供水系统有着非常高的安全保障要求。做好供水水源地井群设备和供水系统的自动监控，及时掌握各种设备设施的运行状况和用水需求，是科学制定供水运行方案，实现水资源的合理配置和统筹调度，确保整个供水系统安全运行的基础。本研究在水源地井群建设的基础上，综合考虑了影响水源地安全供水的各种因素，详细阐述了运用自动化相关技术，以及建设井群远程监控系统的整体思路和运行模式，为工程运行管理单位根据获得的数据进行科学分析、做出调度决策，向城市工农业和居民生活安全平稳供水提供了技术支撑和保障。同时，本文从优化调度的思路出发，解决了传统水资源配置时过分依赖水资源本身的水量进行分配的单一决策和调度方式，实现了工农业和城市用水的优化调度，取得了预期效果，可以推广至地表水源不足、地下水源丰富但不能被充分调度的相似地理和环境背景的地区。