蒲宁海

(金塔县鸳鸯池水库管理所,甘肃 酒泉 735300)

0 引言

鸳鸯大型灌区位于甘肃省酒泉市金塔县,灌区辖8个乡镇89个村委会516个村民小组,有效灌溉面积37.92万亩,是酒泉市金塔县粮、棉、糖生产和林、牧业发展的重要基地。经过60多年的建设运行,形成了1条总干渠(7.202 km)、3条干渠(55.925 km)、3条支干渠(33.317 km)、76条支渠、分支渠(431.450 km)的“长藤结瓜”工程格局。灌区于2008-2010年进行了灌区调度管理中心、地下水位监测等灌区信息化一期建设,于2017年进行了灌区现代化建设与提升,灌区调度管理及灌区现代化系统已经具备一定的现代化手段,为灌区现代化调度管理奠定了基础。但是随着信息技术、计算机技术、网络技术飞速发展,灌区早期建设的部分软、硬件系统及设备设施均无法满足智慧水利与智慧水管理体系建设的标准和要求,故十四五期间对灌区进一步进行信息化建设,逐步建设完善的灌区现代化。

1 信息化建设现状及需求分析

1.1 信息化建设现状

鸳鸯灌区现代化一期工程建设时间是2008-2010年,2017年建设实施了灌区现代化维修养护,更进一步完善了灌区现代化系统。信息化建设现状分述如下。

1.1.1 闸门远程自动控制现状

鸳鸯灌区已建设完成了8处33孔闸门自动远程监控站点,闸门及其启闭系统配置了PLC自动控制系统,33孔闸门所在区域已经建设了光纤网络,可以实现闸门现地及远方自动控制,除此,其余闸门不具备自动控制功能[1],闸门所在区域内仅有4G/3G无线网络覆盖,不具备闸门远程测控功能。

1.1.2 监测灌区现代化现状

水位监测:灌区已建设完成了地表水水位流量自动监测站点15处,实现了灌区小部分干渠、支渠等重要节点处的水位/流量自动监测,据调查统计,目前已建设的15处地表水位监测点,已损坏废弃,需重新考虑建设。

地下水监测系统:灌区现有灌溉机井1 800眼,安装井电双控机井智能化水表及控制设备1 800套,可以实现用水总量控制。灌区共建设有12眼专用监测机井,可以动监测地下水位等参数,自动报送酒泉市水文站后台系统,实施地下水位等的实时自动监测。

网络视频图像监视系统:鸳鸯灌区已在第一分水闸、第二分水闸、共青分水闸等8个重点闸站闸房内都设置安装了16路视频摄像机及后台系统设备,可以实现对分水闸电机及启闭设施,对闸门及渠水及周围环境的监视,为闸门安全运行及调度运行提供了有效保障。

灌区通信传输网络建设:灌区已建设1个信息中心站(水利管理所),11个信息分中心站的计算机网络和电话网络,4个分水闸管理段的电话网络,实现中心站与分站站的基础水利数据的共享,管理段与中心站之间的电话通信。

灌区调度管理系统建设:经过多年的运行,各个管理信息中心、分中心主要自动化设备已存在老旧落后、缺乏配件、功能失效等,已基本不能实现自动化调度、运行及管理,亟待提升改造,尤其是局域网网络结构及管理模式有待整合优化,以满足灌区现代化调度管理要求。

1.2 需求分析

根据灌区的水情、商情、气象等实际情况,结合续建配套与现代化改造[2],从满足水利工程运行监控、水资源配置、行政事务管理、防汛抗旱等方面需求出发,制定灌区现代化的技术方案,以保证灌区现代化建设投资的可行性和长效性。需求分析如下:

(1)功能需求。随着灌区现代化建设的不断加强与持续完善,调度中心现有的硬件系统已经老旧,需要更新换代,存储系统容量也需及时扩容升级。在已建软硬件平台的基础上,基于现有业务应用系统使用实际,进行系统完善优化,建设负载均衡系统;优化办公自动化系统,提升办公自动化使用率;开发灌区水费营收管理,提升水费收缴管理效率;开发生态环境监测系统,共享田间土壤墒情监测等。

(2)性能需求。灌区通过在调度中心的调度管理平台,统一完成各项业务。通过平台发出的指令,完成各项监测及远程监控工作,满足沿线闸门现地监测系统的采集精度、满足数据的实时性、满足系统的可靠性。

(3)安全需求。当前信息系统所面临的安全威胁与日俱增,安全威胁的来源也日益广泛,为了确保灌区在远程控制下,能够安全稳定的运行。应严格执行水利部网信办组织制定的《水利网络安全管理办法(试行)》等安全管理要求,生产控制大区主机操作系统应当进行安全加固。

2 建设方案

2.1 建设目标

结合灌区灌区现代化建设现状及多年灌区现代化建设运行经验,本次灌区现代化改造完成后灌区现代化达到一级水平。结合灌区目前的实际情况,本次现代化总体框架按照“立体感知、自动控制、智慧应用、信息服务和支撑保障”五个方面构建,将灌区现代化建设框架确定为五层四体系,即立体感知体系、自动控制体系等五层,各层应遵循基础支撑系统、标准规范系统、建设运行维护管理体系和网信安全保障体系等四体系,共九部分,总体框架如图1所示。

图1 鸳鸯灌区灌区现代化建设总体框架图

2.2 建设方案

2.2.1 立体感知体系建设

结合灌区实际,继续完善灌区立体感知体系建设,主要建设任务包含灌区调度自动化系统建设、斗口水量在线监测系统建设等内容。

1)灌区地下水监测

对灌区现有井电双控机井智能化水表及控制设备融合接入灌区调度管理系统,同时对12眼监测机井的监测成果,融合接入至新建的灌区调度自动化系统。

2)灌区水位监测系统建设

灌区总干渠、干渠、支干渠共有175个分水口,灌区规划范围内需要水量计量的灌溉分水口有70个,本次考虑建设安装36套水位流量监测站点;灌区支渠共有1 419个分水口,本次考虑建设安装6套水位流量监测站点,水位计量站点监测数据通过现有的4G/3G无线网络传输至其后台监测系统,再集成融合至灌区调度管理系统,为灌区调度管理提供决策依据。

考虑到本工程主要监测对象为灌区来水,综合考虑水位精度和现场安装环境等要求,且为节省投资、便于设备的统一配置与管理,对总干渠、干渠、支干渠建设的所有水位计统一采用雷达水位计,对支渠建设的所有水位计统一采用超声波水位计,对渠道进行适当的断面标准化处理后,通过采集水位信息,结合断面率定方式自动计算流量。

本次建设的水位流量监测站点,均处于无线公共网络覆盖范围内,监测设备需配置4G通信模块,配置SIM数据卡等,便于通过无线公网接入调度管理系统。水位流量监测设备用电量相对很小,本次设计中,考虑配套采用交流电源供电方式,水位流量监测设备还需配置安装支架、电线电缆、辅助设备等辅助材料,便于工程实施。

3)灌区水量计量系统建设

水量计量和水位监测采用同一套设备,即自动监测水位,同时又换算出流量(水量)。水位计量及流量监测是将雷达水位计(或超声波水位计)、数据采集器、通信模块、交流电源供电、安装附件集成而成的成套系统设备,流量是在标准断面上,通过采集水位信息,结合断面率定方式自动计算流量,进而自动计量水量,为调度管理系统提供决策依据。

2.2.2 自动控制体系建设

1)分控水设施测控系统改造

对总干渠、干渠、支干渠的33孔节制闸,在闸门及启闭机系统改造的同时,改造其PLC闸门自动控制系统。对总干渠、干渠、支干渠的48孔分水闸,在闸门及启闭机系统改造的同时,改造其PLC闸门自动控制系统。通过对闸门及其启闭系统配置了PLC自动控制系统的升级改造,可以实现闸门现地及远方自动控制。

2)网络视频图像监视系统

本次暂不考虑增设视频监控系统设备,但需要将原有视频监控系统设备进行梳理、优化、整合,集成融合至新建的灌区综合调度管理信息系统中。

2.2.3 智慧应用与信息服务平台体系建设

可考虑在灌区调度中心硬件平台的基础上,对现有业务应用系统进行升级完善,提升业务系统的稳定性与可靠性。建设内容如下:

1)水量调度管理系统

调度中心的建设是整个灌区现代化建设的重点和关键,灌区现代化调度管理系统具备一定的现代化手段,可对本灌区相关系统实现统一调度、运行、管理。本次考虑原有基础上进行必要的升级改造,对已有的水位流量监测站点的接入及后台处理,提高调度管理自动化、现代化水平。

2)灌区水量分配系统

灌区水量分配计划系统的功能是依据灌区自开灌以来的实际运行资料,分析灌区内经济社会各部门水资源需求,进行灌区的水量分配,同时可根据水量调度修正配水计划。

3)灌区水费计收管理系统

根据具体的收费业务流程和结算管理对象的不同,在保证系统的先进性、可靠性、可扩展性和安全性的前提下,水费计收管理系统使用了组件设计,模块开发以及事务处理等先进的软件设计开发技术[3],以适应不同灌区的业务处理模式、满足需求的变化以及保护现有投资的需要。灌区水费计收管理利用PDA、智能手机、网络和数据库等技术,同时研发水费微信公共平台将相关信息向公众发布。

根据水费计收业务需要,灌区水费征收管理系统包括用水协会管理、定价管理、水费计算、收费管理、统计分析[4]。

4)信息综合管理系统完善

在对灌区调度中心硬件平台升级的基础上,对现有业务应用系统进行升级完善,提升闸控业务系统的稳定性与可靠性,实现现地闭环自调节运行。开发服务于灌区的综合管控平台,建设灌区专用数据库,对数据进行实时分析、存储、备份,根据灌区业务需求,基于“水利一张图”定制开发能服务于全灌区水信息管理等业务的应用系统。考虑到国家、省、市建设统一范围平台的需要,水信息综合管理系统应预留通用接口,以便将来和上级系统的对接。

2.2.4 支撑保障体系建设

结合灌区实际需求,拟对改造提升灌区调度管理基础支撑平台建设、调度指挥中心等内容。主要是在灌区原有调度管理系统建设基础上,新增及提升相关的软硬件系统,尤其是水量计量系统等必需软硬件系统,并完成集成安装调试,相关系统融合接入等;并为纳入国家、省、市远景发展建设的统一信息管理平台预留接口,同时考虑灌区已建相关系统的融合接入,包括但不限于地下水监测系统、水质监测系统等。

1)灌区调度管理系统建设

本次设计拟建设高效的现代化灌区调度管理系统,即:取消原来的1个信息中心站、11个信息分中心站、4个分水闸管理段的网络结构及管理建设模式,改为集中建设1座信息总中心及1座分中心,就可对灌区进行综合自动化调度管理。本次灌区调度综合管理系统方案如下:

(1)在鸳鸯灌区水利管理所建设鸳鸯灌区调度管理总中心,在金塔县水务局建设鸳鸯灌区调度管理分中心。

(2)鉴于原有总中心及各个分中心的综合调度自动化管理系统配置偏低、功能不够完善、设备老化、缺失配件等,本次新建的调度管理总中心、分中心及各个闸站点,均新建自动化系统设备软硬件系统。具体任务是:在调度总中心配置工作站、服务器、核心及汇聚工业以太网交换机、高性能存储器等硬件设施,在分中心仅配置主机工作站及一体化应用终端等主要设备系统;在调度管理总中心配置灌区办公综合自动化系统、灌区工程管理系统、灌区工程综合调度运行管理信息系统、数据库管理系统等软件系统,同时考虑现有灌区视频监视系统集成融合等建设任务。

(3)在本次闸门改造时升级改造配置闸门PLC控制系统的站点、原有完好的闸门PLC控制系统且本次敷设光缆已联通的闸门站点,均配置工业以太网交换机;其它已配置PLC控制系统的闸门,暂时不能实现光缆连接的闸门站点,考虑闸门的手动/电动操作方式、在闸室PLC控制柜(箱)上实现闸门的就地自动控制方式,不考虑在调度总中心实现闸门的远程无线控制。

2)灌区通信传输网络建设

灌区原有自建光缆均为6芯,且有部分光缆通路采用租用电信网络通道,本次所采用新建光缆(自建采用16芯光缆),包括灌区水利管理所、0#分水闸、第一分水闸、第二分水闸、第三分水闸、中坪分水闸、顶闸分水闸、榆树沟分水闸、平交道分水闸、共青分水闸等9处站点,实现调度总中心对上述9处重要站点的闸门远程控制;而灌区水利管理所调度总中心与金塔县水务局调度管理分中心之间,则租用电信网络VPN通道方式,从而实现在灌区调度总中心、分中心及主要闸站之间通过光缆有线联通,实现调度管理中心对主要闸门的远程调度控制,极大地提高调度管理效率,提高自动化程度,减少人工工作任务。

3 结语

结合鸳鸯灌区目前信息化建设的实际情况和需求,建立了以“立体感知、自动控制、智慧应用、信息服务和支撑保障”五个方面为总体框架的灌区现代化建设方案,优先解决制约鸳鸯灌区现代化改造“卡脖子”工程,后期逐步建设完善的灌区现代化。通过本次方案的实施,有效推进灌区信息化、现代化建设,使灌区服务达到智能化,不断提升灌区水资源的高效利用与高效管理水平。