(陜西省地下水管理監(jiān)測局,陜西 西安 710003)
陜西省有兩百多個(gè)中小型灌區(qū),大部分灌區(qū)存在梯級泵站輸水的情況,目前泵站信息化建設(shè)大多處于自動化階段,對于怎么進(jìn)行聯(lián)調(diào)聯(lián)控目前還處于研究階段,在某些灌區(qū)也進(jìn)行了試點(diǎn)建設(shè)嘗試,但由于建設(shè)單位都是以自動化建設(shè)為要務(wù),如何管好水、用好水方面沒有進(jìn)行過水力學(xué)、機(jī)電設(shè)備方面的考慮,所以效果不佳。當(dāng)前絕大多數(shù)灌區(qū)的站群信息化都是以泵站為單元進(jìn)行的自動化建設(shè),在進(jìn)行泵站自動化建設(shè)中沒有進(jìn)行灌區(qū)級別的信息化考量,故此,存在站與站之間的流量銜接關(guān)系不夠明晰,各個(gè)泵站之間的停啟泵時(shí)間基本依賴人工操作,這就給生產(chǎn)帶來一定風(fēng)險(xiǎn)并增加了管理難度。如何解決這個(gè)問題成為了擺在灌區(qū)信息化方面的一個(gè)顯著的難點(diǎn)
本文以陜西省內(nèi)的港口灌區(qū)為例,進(jìn)行各級泵站之間乃至整個(gè)站群的聯(lián)調(diào)聯(lián)控,以解決在大型灌區(qū)、中型灌區(qū)及需要長距離輸水時(shí)候的水量調(diào)度的問題。
港口抽黃灌區(qū)共建成各級(最高5級)泵站13座,3個(gè)灌溉管理站,管理設(shè)施面積7 200 m2,安裝抽水機(jī)組50臺套,總裝機(jī)容量2.63萬 kw,累計(jì)最高揚(yáng)程294.57 m,加權(quán)平均揚(yáng)程256 m。水源站港口站設(shè)在黃河潼關(guān)水文站上游800 m處,引水流量為7.15 m3/s,備用水源站零級站位于港口站上游2 km處,引水流量3.38 m3/s,泵站運(yùn)行情況良好。港口灌區(qū)在前多年的信息化建設(shè)過程中,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了各個(gè)泵站的自動化。該信息化主要集中在單個(gè)泵站的自動化建設(shè),經(jīng)過多個(gè)廠家的建設(shè),目前已經(jīng)能夠做到泵站的數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程測控、統(tǒng)計(jì)報(bào)表以及報(bào)警管理。但是要成為一套完善的梯級泵站聯(lián)調(diào)、聯(lián)控的信息化平臺,還有很多工作需要進(jìn)行。借助于已有信息化基礎(chǔ),充分考慮梯級泵站聯(lián)調(diào)、聯(lián)控信息平臺建設(shè),爭取實(shí)現(xiàn)研究范圍內(nèi)所有泵站的聯(lián)調(diào)、聯(lián)控,努力將港口灌區(qū)打造為一個(gè)技術(shù)先進(jìn)、管理規(guī)范的灌區(qū)信息化平臺。
灌區(qū)的水費(fèi)和生產(chǎn)成本倒掛,實(shí)現(xiàn)對水量進(jìn)行合理分配,對能耗進(jìn)行有效調(diào)節(jié),對設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行適時(shí)控制,以達(dá)到現(xiàn)代化灌區(qū)的基本要求。同時(shí)在聯(lián)調(diào)聯(lián)控的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)灌區(qū)的精細(xì)化管理,實(shí)現(xiàn)從需水到配水,從人工操作到電子化管理,從模糊概念到數(shù)字管理的一系列現(xiàn)代化管理措施。以期做到灌溉管理方面的實(shí)時(shí)性和有效性。同時(shí)在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)性能的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步監(jiān)測設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)情況,將安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行相結(jié)合,打造一個(gè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)、可靠運(yùn)行、管理先進(jìn)的現(xiàn)代化灌區(qū)。
該系統(tǒng)主要建成以灌區(qū)管理局為中心,覆蓋灌區(qū)各管理站和信息點(diǎn),集遙測、遙信、遙調(diào)和遙控為一體的水資源利用和管理網(wǎng)絡(luò),借助信息化系統(tǒng),通過對泵站的聯(lián)控、聯(lián)調(diào),優(yōu)化灌溉水資源的配置,最終實(shí)現(xiàn)灌溉增效,可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。主要是要基于信息化基礎(chǔ)上,充分利用現(xiàn)有自動化成果,搭建一套既能滿足現(xiàn)有需求,又要考慮后期建設(shè);既要適應(yīng)現(xiàn)代管理人員基本情況,又要采用新型信息化技術(shù)。在整體規(guī)劃的基礎(chǔ)上進(jìn)行分步實(shí)施,以保證現(xiàn)有信息化成果和后期現(xiàn)代化灌區(qū)的要求(圖1)。
圖1 梯級泵站聯(lián)合調(diào)度信息系統(tǒng)總體布置圖
按照陜西省水利信息化頂層設(shè)計(jì),結(jié)合港口抽黃灌區(qū)發(fā)展實(shí)際,以更加關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范化、資源共享利用、統(tǒng)一平臺建立、最新技術(shù)應(yīng)用、安全措施增強(qiáng)、服務(wù)能力提升為出發(fā)點(diǎn),基于面向服務(wù)的SOA架構(gòu),充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)、視聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、智能化、可視化等新技術(shù)的作用,構(gòu)建港口抽黃灌區(qū)信息化總體結(jié)構(gòu)。
港口抽黃灌區(qū)信息化邏輯層次框架由物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層、基礎(chǔ)設(shè)施層(IaaS)、數(shù)據(jù)管理層(DaaS)、支撐平臺層(PaaS)、應(yīng)用服務(wù)層(SaaS),安全保障、運(yùn)維管理、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、政策法規(guī)體系所構(gòu)成,如圖2所示。
圖2 港口抽黃灌區(qū)信息化邏輯層次框架
以物聯(lián)網(wǎng)、視聯(lián)網(wǎng)、基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)為基礎(chǔ),按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、廣泛的感知手段、泛在的通信網(wǎng)絡(luò),逐步建成完善的水利信息化綜合監(jiān)控體系。
以云計(jì)算技術(shù)為基礎(chǔ),建設(shè)以灌區(qū)數(shù)據(jù)中心為核心的基礎(chǔ)設(shè)施公用云平臺,推進(jìn)灌區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施平臺建設(shè)。
以大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ),滿足全灌區(qū)水利數(shù)據(jù)資源共享、數(shù)據(jù)分析挖掘服務(wù),以滿足灌區(qū)各項(xiàng)業(yè)務(wù)需求。
基于面向服務(wù)的SOA架構(gòu),建設(shè)面向全灌區(qū)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的云平臺,滿足各類水利信息資源、通用業(yè)務(wù)應(yīng)用組件的高度共享,以及部署灌區(qū)業(yè)務(wù)與事務(wù)管理信息化系統(tǒng)的需求。
以中等粒度、可廣泛復(fù)用、具有獨(dú)立應(yīng)用功能的組件開發(fā)為基礎(chǔ),逐步形成應(yīng)用組件資源庫和灌區(qū)業(yè)務(wù)應(yīng)用構(gòu)建模型庫,基于“一張圖”,建立可定制、可重組的個(gè)性化服務(wù)系統(tǒng),全面滿足宏觀決策、微觀分析、服務(wù)公眾的應(yīng)用需求。
根據(jù)港口現(xiàn)場情況,目前各個(gè)泵站自動化建設(shè)已經(jīng)建成,但是各級泵站之間沒有有效的通信手段,所以解決通信問題是本次信息化建設(shè)的基礎(chǔ),需要將各個(gè)泵站的信息化相關(guān)聯(lián),為聯(lián)控聯(lián)調(diào)打下良好的通信基礎(chǔ)。通信建設(shè)主要將零級站、一級站、望遠(yuǎn)溝站、試驗(yàn)站、凹里站、李家莊站等六個(gè)提水泵張進(jìn)行光纖對接。
關(guān)于大型梯級泵站優(yōu)化調(diào)度的研究由來己久,但是受理論方法、計(jì)算能力等方面的限制,相關(guān)研究大多集中于以抽水成本(抽水電費(fèi))最小為目標(biāo)建立優(yōu)化調(diào)度模型,模型相對簡單,求解算法也不夠準(zhǔn)確,且往往側(cè)重于抽水成本是否經(jīng)濟(jì),對工程運(yùn)行安全性以及工程運(yùn)行的維修成本等方面涉及較少。而大型梯級泵站調(diào)度運(yùn)行的合理性不僅僅涉及到工程運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性,對沿線管渠的安全性和水泵機(jī)組本身的工作效率、使用壽命等也具有一定程度的影響。調(diào)度運(yùn)行的失誤不僅容易引起工程沿線流量變化,導(dǎo)致水力過渡過程現(xiàn)象出現(xiàn),輕則致使渠道水位驟升、驟降,造成渠道襯砌破壞、渠道滑坡、漫提,重則可能毀閘、淹沒泵房;同時(shí),以抽水成本為目標(biāo)的優(yōu)化調(diào)度模型,在一定程度上將導(dǎo)致機(jī)組頻繁啟動以及運(yùn)行工況的頻繁變化,加劇了機(jī)組振動,惡化了運(yùn)行條件,這不僅增加了機(jī)組啟動失敗幾率,加劇了機(jī)組零部件的損耗,縮短了水泵使用壽命,也提高了機(jī)組故障幾率,增加了維修成本。
基于數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò),對各級泵站數(shù)據(jù)進(jìn)行接入,接入數(shù)據(jù)內(nèi)容包含:水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)、機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)視圖像等,同時(shí)建立以調(diào)度為目標(biāo)的視頻會商系統(tǒng)。同時(shí)解決各站之間的語音通話問題,建設(shè)數(shù)字語音通信系統(tǒng),使得控制中心與各級泵站實(shí)現(xiàn)可靠的語音通信。梯級泵站運(yùn)行需要解決的最突出的問題就是各級泵站之間的調(diào)配水關(guān)系,如果解決不好這個(gè)問題,那么會給生產(chǎn)帶來安全風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)性能低下,在本次建設(shè)中充分考慮各個(gè)泵站之間的調(diào)配水關(guān)系和泵站點(diǎn)擊運(yùn)行情況,在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上結(jié)合灌區(qū)用水需求,使得各個(gè)泵站處于高效、安全的運(yùn)行曲線范圍內(nèi)。
信息化建設(shè)除了進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、遠(yuǎn)程控制之外,他的內(nèi)涵主要體現(xiàn)在業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件層面。
業(yè)務(wù)應(yīng)用涉及到管理平臺、信息采集、泵站調(diào)度等方面的業(yè)務(wù)軟件建設(shè),各軟件須基于SOA架構(gòu),形成統(tǒng)一訪問接口,業(yè)務(wù)軟件除了滿足自身功能需求意外,須能夠相互之間進(jìn)行靈活的數(shù)據(jù)接口訪問機(jī)制。
應(yīng)用環(huán)境涉及到中心建設(shè)、分站建設(shè)等方面的內(nèi)容。應(yīng)用環(huán)境建設(shè)主要承載各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行保障任務(wù)。要能夠滿足各個(gè)部門工作人員的工作需求和灌區(qū)的宣傳需求。滿足管理局中心承載著調(diào)度中心的需求,在規(guī)劃上考慮大屏、沙盤、視頻會商能夠有機(jī)結(jié)合,為灌區(qū)日常工作提供一個(gè)功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)及調(diào)度中心(圖3)。
圖3 數(shù)據(jù)及調(diào)度中心規(guī)劃圖
泵站與站群調(diào)度系統(tǒng)是根據(jù)各需水單位的用水申請計(jì)劃,綜合考慮干渠調(diào)水的聯(lián)合運(yùn)用,制定調(diào)水計(jì)劃和實(shí)時(shí)調(diào)度指令,并通過監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施水量調(diào)度管理。要實(shí)現(xiàn)供水目標(biāo),需要對全線進(jìn)行用水管理站群進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度和運(yùn)行管理。
系統(tǒng)功能主要分為基本應(yīng)用功能和高級應(yīng)用功能兩部分,其中基本應(yīng)用功能是指數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互、報(bào)表日志、系統(tǒng)管理等為系統(tǒng)提供底層應(yīng)用平臺的功能,高級應(yīng)用功能則是基于基本應(yīng)用功能之上的實(shí)現(xiàn)水電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的專業(yè)性決策支持系統(tǒng)。
支持系統(tǒng)主要考慮以下幾方面的要素:節(jié)能降耗、節(jié)約水資源、安全生產(chǎn)、應(yīng)急處理等。
節(jié)能降耗主要根據(jù)各級泵站的需水情況進(jìn)行水電聯(lián)和考慮,根據(jù)當(dāng)?shù)仉娏η闆r進(jìn)行錯峰抽水。在需水時(shí)間、需水量一定的情況下對各個(gè)泵站進(jìn)行水量調(diào)配,同時(shí)考慮設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況,進(jìn)行泵站操作指令適時(shí)下發(fā)。
節(jié)約水資源主要根據(jù)需水情況,適量抽水,在綜合考慮作物需水、氣象要素、機(jī)電設(shè)備等各方面要素的情況下對泵組開機(jī)臺數(shù)及開機(jī)時(shí)長進(jìn)行優(yōu)化,利用水力模型計(jì)算進(jìn)行調(diào)配,使得各級泵站做到“零棄水”。
安全生產(chǎn)主要是對于各個(gè)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析,對于采集到的機(jī)電設(shè)備電壓、電流、轉(zhuǎn)子溫度、噪音等參數(shù)進(jìn)行分析,要使各個(gè)機(jī)電設(shè)備都運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)曲線之內(nèi)。并對各機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行狀況不佳的情況下采取及時(shí)檢修。
應(yīng)急處理是各個(gè)灌區(qū)所需要考慮的關(guān)鍵要素,系統(tǒng)建立起一套完善的應(yīng)急處理智庫,為各種應(yīng)急狀況提供有效的經(jīng)驗(yàn)支持,并對各種模型進(jìn)行指標(biāo)評價(jià),逐步積累灌區(qū)應(yīng)急指揮知識庫,為后期應(yīng)急方案提供有力的數(shù)據(jù)支撐。
(1)科學(xué)調(diào)配,節(jié)約用水。實(shí)施灌區(qū)泵站站群聯(lián)調(diào)、聯(lián)控系統(tǒng),是灌區(qū)實(shí)現(xiàn)動態(tài)計(jì)劃用水、科學(xué)調(diào)配、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。系統(tǒng)的實(shí)施可顯著提高干渠的有效水利用系數(shù)、擴(kuò)大灌溉面積、提高年生產(chǎn)效益。
(2)節(jié)能降耗,增加效益。在對于各個(gè)泵站運(yùn)行參數(shù)采集的基礎(chǔ)上,對各個(gè)機(jī)組運(yùn)行狀況進(jìn)行數(shù)學(xué)分析,根據(jù)每臺機(jī)組的能耗進(jìn)行變頻操作,同時(shí)使得各臺機(jī)組運(yùn)行在最佳工況下,以節(jié)約設(shè)備單耗,降低單方水的能源消耗。
(3)優(yōu)化水沙調(diào)度方案,減少干渠泥沙淤積。灌區(qū)在引黃河水的同時(shí),必然會引入大量泥沙,造成輸水干渠泥沙淤積嚴(yán)重,影響了灌區(qū)效益的正常發(fā)揮。該方案的研究可對渠道運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測,進(jìn)行趨勢分析,通過管理軟件可進(jìn)行優(yōu)化配水,提供最佳的水沙調(diào)配方案,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸沙,減少干渠泥沙淤積,節(jié)約清淤費(fèi)用及人力,為灌區(qū)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
以洪澇災(zāi)害頻發(fā)、水資源緊缺、生態(tài)環(huán)境惡化、水土流失嚴(yán)重為特征的水問題已制約了水資源的可持續(xù)利用。通過水資源的聯(lián)調(diào)、聯(lián)控和優(yōu)化調(diào)度,從而實(shí)現(xiàn)減少水污染、提高江河水體自凈化能力、合理配置生活、生態(tài)和工農(nóng)業(yè)用水的目標(biāo),加強(qiáng)水資源的調(diào)控能力,提高水資源可持續(xù)利用水平。
隨著氣候變暖、降雨減少、人類活動的增加,水資源短缺狀況在不斷加劇。水資源稟賦的變化和極端事件的發(fā)生,對灌區(qū)供水、糧食安全、水環(huán)境質(zhì)量等構(gòu)成嚴(yán)重威脅,多次采用臨時(shí)水資源調(diào)度或管制應(yīng)急措施。由于水資源缺乏統(tǒng)一的現(xiàn)代化管理,各自為政,在實(shí)行計(jì)劃供水和節(jié)約用水時(shí),缺乏必要的科學(xué)化、定量化管理手段,造成大水漫灌、無序引水、無度引水等現(xiàn)象。通過現(xiàn)代高科技手段,建設(shè)水資源管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)增加可供水量、提高水資源利用率、改善生態(tài)環(huán)境的目標(biāo),為通過水資源的有效利用促進(jìn)環(huán)境逐步改善,生態(tài)逐步恢復(fù)的灌區(qū)生態(tài)發(fā)展規(guī)劃提供有力支撐。
通過對港口灌區(qū)泵站站群的聯(lián)調(diào)、聯(lián)控及信息化系統(tǒng)的研究,為灌區(qū)供水管理提供科學(xué)的信息、實(shí)施平臺支撐和應(yīng)急響應(yīng)體系,及時(shí)監(jiān)測水資源的變化,掌握和協(xié)調(diào)國民經(jīng)濟(jì)用水,制定供水應(yīng)急措施,減緩氣候變化和其他人為因素導(dǎo)致的水資源變化對人民日常生活的不利影響,提高了快速反應(yīng)能力,從而減少災(zāi)害損失。本工程的實(shí)施將加強(qiáng)灌區(qū)管理處、調(diào)度管理分中心與各泵站之間信息的互通,加強(qiáng)管理調(diào)度中心對各泵站的直接管理,特別是對泵站合理化調(diào)度提供有力的數(shù)據(jù)支撐,由此而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益將是巨大的。
(1)能實(shí)時(shí)掌握水情狀況,為灌區(qū)工程的正常運(yùn)行提供了第一手資料。眾所周知,水位的陡漲陡落、超標(biāo)準(zhǔn)的冒險(xiǎn)運(yùn)行都將對渠堤工程造成負(fù)面影響,尤其是渠堤不允許有溢水現(xiàn)象發(fā)生,一旦出現(xiàn)渠水溢堤的現(xiàn)象,將會導(dǎo)致潰堤事故,造成的后果是不堪設(shè)想的。在信息技術(shù)不發(fā)達(dá)的年代,調(diào)度人員、管理人員控制灌區(qū)工程的正常運(yùn)行比較困難。應(yīng)用信息系統(tǒng)以后,可實(shí)時(shí)掌握灌區(qū)各控制斷面的水位變化狀況以及各測站的降雨過程,為調(diào)度人員的安全調(diào)度提供了依據(jù),有利于灌區(qū)工程的防汛保安,能有效地防止因運(yùn)行不當(dāng)而導(dǎo)致潰堤等影響區(qū)內(nèi)自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境及社會安定的惡性事件的發(fā)生。
(2)通過工情信息采集,能及時(shí)掌握工程的病變狀況,為制定維修和治理方案提供依據(jù),做到提前預(yù)防和治理,避免或減少因工程隱患而導(dǎo)致渠道停水失修現(xiàn)象的發(fā)生。由于能及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程的異?,F(xiàn)象,從而可以采取切實(shí)措施防止灌區(qū)工程突發(fā)性事件的發(fā)生。信息化技術(shù)的應(yīng)用,能較好地收集灌區(qū)重要建筑物的運(yùn)行數(shù)據(jù),掌握其運(yùn)行狀況,為制定建筑物的維修養(yǎng)護(hù)計(jì)劃提供依據(jù)。這三個(gè)方面的共同結(jié)果,均是提高灌區(qū)工程正常運(yùn)行的保證率,減少灌區(qū)工程停水搶修的機(jī)率,有利于確保灌區(qū)工程效益的發(fā)揮,這對于提高灌區(qū)工程社會環(huán)境效益將起到極大的作用。
(3)灌區(qū)水管理信息化系統(tǒng)的建立與應(yīng)用,對于提高灌區(qū)水利工程的社會環(huán)境效益有著積極的作用。要實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源優(yōu)化配置、優(yōu)化調(diào)度、優(yōu)化利用的水管理目標(biāo),需要應(yīng)用系統(tǒng)工程學(xué)理論。而系統(tǒng)工程技術(shù)也只有在環(huán)境條件非常清楚的情況下才能確定其最優(yōu)方案。顯而易見,要實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的水管理目標(biāo),灌區(qū)管理人員必須要及時(shí)掌握灌區(qū)水資源狀況、工程運(yùn)行狀況、氣象狀況、農(nóng)作物需水狀況、各用戶對水資源的需求狀況等基本資料。這在人工管理手段的條件下是無法做到的,只有應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)才能滿足這一管理?xiàng)l件。水資源優(yōu)化配置、優(yōu)化調(diào)度、優(yōu)化利用的結(jié)果,不僅提高了灌區(qū)工程的社會效益,而且提高了水管單位的內(nèi)部經(jīng)濟(jì)效益??梢?,灌區(qū)水管理信息化系統(tǒng)的應(yīng)用,對區(qū)內(nèi)社會環(huán)境的正面影響是可觀的。
(4)通過信息系統(tǒng)的應(yīng)用推進(jìn)灌區(qū)建設(shè)與管理人員的IT水平,進(jìn)而提高建設(shè)與管理的效率。信息技術(shù)在灌區(qū)水管理工作中的應(yīng)用,是信息技術(shù)與水管理技術(shù)有機(jī)結(jié)合的體現(xiàn)。處于信息化時(shí)代的管理人員,如果不掌握或基本掌握相應(yīng)信息技術(shù),就難以適應(yīng)現(xiàn)代灌區(qū)管理的要求。隨著灌區(qū)改革的深入,競爭機(jī)制的引進(jìn),新技術(shù)的應(yīng)用,水管理人員的素質(zhì)將會得到全面的提高。在管理人員素質(zhì)提高的情況下,灌區(qū)水管理水平也會相應(yīng)地提高。