大寧調蓄水庫信息化建設實踐與思考

(北京市南水北調大寧管理處，北京 102442)

水庫信息化監測調度系統建設可實現對水庫水情、水量調度、水位等水文要素的自動采集和報送，直接為洪水預報與調度、水資源管理服務，實現水資源的優化配置，為水資源高效利用提供科學的決策依據，是實現水庫現代化管理的重要手段[1-2]。通過水庫信息化建設，提高水庫管理水平，對于促進經濟發展、社會穩定至關重要。大寧調蓄水庫是南水北調中線干渠進入北京的首個調蓄水庫，對提高北京市南水北調來水的調蓄能力，保障城市供水安全有著重要的作用[3]。其信息化建設水平更是關系到北京市生活用水安全和社會穩定。建立和健全大寧調蓄水庫信息化體系，對提升水庫管理水平，穩定和改善調蓄水庫運行環境安全，保障首都居民生活飲用水安全具有重大社會意義，同時，對其他水庫進行信息化建設也有一定的借鑒意義。

1 水庫信息化研究現狀

水庫信息化建設是水利信息化建設的重要內容，它在水庫防洪興利、水環境保護、水資源優化配置等方面起著重要作用。我國的水利信息化建設起步較晚，在20世紀90年代后期，隨著計算機技術的發展，才逐步開展水利系統信息收集、傳輸、接受、處理和監視等環節的信息化建設。2001年，水利部成立了信息化工作領導小組，水利信息化才進入快速發展期，與此同時，水庫的信息化建設也有了長足的進步。水庫的信息化就是依托計算機互聯網技術，實現水庫監測系統、決策系統、調度系統、反饋系統的信息共享，達到監控、決策、管理統一的目的。目前，水庫的信息化系統包括大壩的安全監測系統、洪水預報系統、水情監測系統、供水管理系統、閘門控制系統、決策支持系統、視頻監控系統、數據傳輸系統等，根據水庫承擔功能的不同，對各個系統的建設各有側重。賀新春等[4]通過對國內外水庫信息化建設的歷史、現狀和存在的問題以及水庫信息化建設面臨的機遇和挑戰的分析，在對水庫信息化的內涵及其建設原則進行論述的基礎上，提出了水庫信息化建設對策。殷蓬[5]對水庫信息化系統建設模式進行了初步探索。孫靜[6]、孫慶鋒等[7]分別對崗南水庫、黃壁莊水庫信息化建設經驗進行了總結，論述了各自水庫較為適宜的信息化建設方法。盡管不同水庫情況千差萬別，水庫有著不同的功能定位，個體差異決定了其信息化建設的特殊性，對單個水庫而言，信息化建設有著不同的側重點，但無可置疑的是水庫信息化建設受到越來越多水利管理部門的重視，是未來水庫管理重要的發展方向。

2 大寧調蓄水庫工程概況

北京是我國的政治、經濟中心，但北京人均水資源已降至200m3左右，不足全國人均的1/10，本地水資源量已遠遠不能支撐北京市龐大的用水規模，外調水逐步成為北京市重要的供水水源。2008年南水北調中線工程京石段建成通水，同年，位于海河流域子牙河子流域的崗南水庫、黃璧莊水庫，大清河子流域的王快水庫、西大洋水庫和安各莊水庫開始向北京市應急供水。2014年12月，南水北調中線全線貫通，丹江口水庫正式向北京市供水，大寧調蓄水庫則是南水進京的第一道閘門，外水進京改變了北京市的水資源格局，成為北京水資源的重要組成部分。

大寧調蓄水庫位于小清河上，北起京周路，南連稻田水庫，西至京港澳高速公路主路，東至永定河中堤路。大寧調蓄水庫設計洪水標準100年一遇，校核洪水標準200年一遇。正常蓄水位56.40m，校核洪水位61.21m。水庫工程主要由主、副壩和泵站等建筑物組成，主、副壩均為兩布一膜斜墻土壩，主壩最大壩高15m，壩頂長568.50m，頂寬7m，壩頂高程62.50m；副壩最大壩高10m，壩頂長711.10m，壩頂寬7m；泵站裝機容量3200kW，最大庫容4611萬m3，是一座以防洪、調蓄為主，兼顧供水等功能的2級、Ⅱ等中型水庫工程。

南水北調中線通水前，大寧水庫的作用主要是配合永定河流域蓄滯洪水，和南面的稻田水庫、馬廠水庫共同組成了永定河蓄滯洪區。南水北調中線工程通水后，南水北調工程輸水管線從大寧水庫庫區穿過，大寧水庫通過暗涵與南水北調總干渠大寧調壓池相連。大寧水庫除了肩負防洪等常規任務外，又增加了調蓄功能。大寧調蓄水庫是南水北調中線干渠進入北京的首個調蓄水庫，也是距城市中心最近的一個中型調蓄水庫。它的建設對提高北京市南水北調來水的調蓄能力，保障城市供水安全，促進北京市西南地區發展有著重要意義[8]。

3 大寧調蓄水庫信息化建設實踐

大寧調蓄水庫目前承擔的主要任務有防洪和供水兩方面，供水為主要任務。大寧調蓄水庫主要解決南水北調來水與本地用水流量不匹配，以及南水北調工程故障或檢修時的調蓄問題，是北京市供水安全的重要保障。因此，大寧調蓄水庫信息化建設以“供水安全”和“實時可控”為目標。大寧調蓄水庫信息化建設過程中汲取了其他水庫信息化建設的良好經驗，現有信息化監控管理系統于2015年建成，主要包括視頻監控子系統、大壩安全監測子系統、自動控制子系統、水質監測子系統以及相關報表、報警等功能(見圖1)，系統的建成和使用，極大地方便了水庫的管理，提升了調蓄水庫的運行管理水平。

圖1 大寧調蓄水庫信息化監控管理系統

3.1 視頻監控子系統

大寧調蓄水庫視頻監控子系統在水庫橡膠壩管理房院內、中堤路北口、中堤路圍網內、副壩觀望臺圍網內、退水節制閘、泵站周邊、西堤扶壁擋墻邊及泵站控制中心內配置了16組攝像監控設備。視頻監控主機位于水庫中控室內，通過光纖網絡將實時圖像反映到控制中心服務器終端，實現24小時不間斷監控和錄像功能。同時，能夠將實時畫面傳輸給上級調度中心，實現與上級單位的數據共享(見圖2)。

圖2 大寧調蓄水庫視頻監控子系統

3.2 大壩安全監測子系統

水庫工程因設計及施工缺陷、運行管理不當等導致其帶病運行，在各種荷載作用、多種自然因素的影響下，工程安全性態隨時都在變化，有些是正常變化，是設計和安全運行許可的，但有些則可能是異常的。安全監測是及時發現工程安全隱患的一種有效途徑，通過安裝監測儀器對工程進行系統的觀測和測試，可以及時掌握工程性態，獲取工程安全相關信息，從而采取應對措施保證工程安全運行。庫水位監測共設置4個監測點，分別位于ZD1+250、泵站擋墻、XD1+500、泵站南側的水中。地下水位監測分為3類，分別為滲壓計監測、水位觀測井監測和測壓管監測，本工程31個斷面埋設滲壓計72支(其中防滲墻內部3支、外部69支)、水位觀測井9眼、測壓管12支(主壩8支、調節池4支)。防滲墻及主副壩沉降監測共設30個，其中中堤6個、西堤4個、倒虹吸1個、泵站4個、主壩堤頂4個、副壩堤頂11個。主壩壩坡沉降監測點10個，水平位移監測點10個，泄洪閘沉降監測點11個。西堤扶壁式擋墻變形監測，埋設沉降監測點28個、水平位移監測點6個、傾斜計5支。內觀監測設備為應變計和無應力計，共72支。通過傳感器采集各滲壓計、應力應變計的數據，經過程序計算，將結果反映到系統中并在軟件示意圖中顯示出來。經過分析后的數值自動保存在數據庫中，可以以報表或曲線的形式體現出來，如果有超出設定預警值的數據出現，系統會自動報警，第一時間提示操作者處理，提高反應速度，有效地保障大壩安全(見圖3)。

圖3 大寧調蓄水庫大壩安全監測子系統

3.3 自動控制子系統

大寧調蓄水庫自動控制子系統具有水庫泵站、橡膠壩、節制閘等的監視控制功能。現地控制采用西門子可編程控制器(PLC)，控制中心設置西門子控制機和自帶監視系統軟件。能夠實時監控泵站、橡膠壩、退水節制閘的實際運行狀態并及時顯示相關數據，可根據上級指示和實際需要遠程實現泵站機組啟停、閘門啟閉等操作。系統自動采集、記錄相關運行數據，可以報表或曲線的形式反映出設備設施運行狀況，出現異常及時報警，使操作者能夠第一時間發現并進行調整(見圖4)。

圖4 大寧調蓄水庫自動控制子系統

3.4 水質監測子系統

大寧調蓄水庫水質監測設備包括Hydrolab(多參數分析儀)一臺、COD-203自動檢測儀一臺，以及NPW160(總氮總磷分析儀)一臺，電腦每周設定固定時間進行水質試驗。水質監測子系統自動將試驗數據采集入數據庫并將部分數據顯示到交互界面內，試驗數據超過預定極值將自動報警，操作者可根據需要進行相關數據曲線的繪制和報表處理，也可將數據轉出進行深度分析處理(見圖5)。

4 大寧調蓄水庫信息化建設存在的主要問題

大寧調蓄水庫信息化系統中的監控系統在一定程度上提升了水庫的運行管理水平，但仍存在一些不足，主要表現在部分監測系統智能化程度低，上、下游業務單位信息化建設聯動較弱，缺乏持續的信息化建設投入等方面。

4.1 部分監測系統智能化程度低

對于基層的水庫管理人員來說，優秀的監測系統一定具有直觀、方便、穩定的特點，水庫管理人員不需要完全了解系統的內在機理和計算方法，因此，監測系統的可視化表達方式一定要直觀、明顯、易懂，并且操作方便。在大寧調蓄水庫監測系統實際使用過程中發現部分監測系統的智能化程度較低，操作不便，比如自動控制系統顯示報警，原因是退水閘出現故障，雖然此處安裝有攝像頭，卻不能直接在自動控制報警的界面下通過點擊直接顯示出監控實時畫面。大壩安全監測系統畫面顯示方式中的虛擬水平面不能夠隨水位變化而表現出高低變化，不能在直觀感覺上表現出水位變化對壩后滲壓計乃至浸潤線的影響。系統的智能化程度低限制了管理人員的積極性，易造成水庫信息化建設中“重設備、輕運用”的現象。這些問題并非不可解決，而是系統開發時沒有充分調研基層的需求，系統開發者應建立一套用戶反饋機制，及時根據用戶的反饋改進產品性能。

4.2 上、下游業務單位信息化建設聯動較弱

水利信息化建設的目標之一就是實現多部門的信息溝通共享機制，就目前而言，大寧調蓄水庫供水調度、運行管理等業務與上游單位，即南水北調中線工程建設管理局相銜接，工程建設、受水協調等業務涉及北京市水務局多個下屬單位以及長陽鎮、長辛店鎮、盧溝橋街道、城市管理等多個單位。不同單位對水庫及周圍環境的定位不同，管理目標也不一樣，在幾年的調水運行實踐中發生過因溝通聯動不暢引發的問題。因此，應規劃建立一個統一的調度信息共享平臺，加強上、下游業務單位的信息聯通。

4.3 缺乏持續的信息化建設投入

信息化建設耗資巨大，一次性投資并不現實，需要制定合理的信息化建設規劃，按照實際需求的緊迫程度分批次建設，先建設急需的功能，一步步深入和提升，將每年有限的投入做好計劃，采取漸進式的建設模式，穩步推進，步步為營，使財政資金發揮出最大效益。大寧調蓄水庫信息化系統建設取得了一定成績，但對未來的信息化建設工作缺乏中長期規劃，也沒有持續的投入保障。未來大寧調蓄水庫信息化建設應邀請行業專家把脈，聘請專業的機構對水庫的信息化建設做出合理的規劃，多渠道落實建設資金，實現水庫信息化建設的高效運作。

5 大寧調蓄水庫未來信息化發展建議

大寧調蓄水庫上游為南水北調中線干渠，惠南莊泵站的運行情況，大寧調壓池向南干渠、團城湖方向輸水情況，周邊流域調水信息直接影響到向水庫退水的水量。因而建立一個包含上下游業務單位的調度信息共享平臺，及時快速地反映調水指令和信息是十分必要的[9]。

北京市南水北調工程運行管理相關單位，如大寧管理處、南干渠管理處、團城湖管理處、東干渠管理處均涉及調水運行管理，建設一個標準化的日常管理信息系統，完成水庫、泵站、橡膠壩、閘門等設備設施運行數據的記錄、查閱、提取，能夠方便同系統內部的交流、監督、檢查和管理，是信息化建設的要求，也是大勢所趨，現階段北京市南水北調工程已經實現了日常管理系統的基本建設任務[10]。

從長遠管理需求考慮，水庫應建立水情監測網絡，利用遙感、地理信息系統等技術，對全流域各類信息進行數字化存儲，實現動態監測。利用基于GIS的技術平臺對全流域進行河道水情模擬、洪水分析、突發水污染事件演變模擬等深層次的信息融合、挖掘和綜合分析，為領導決策提供支持。并且，為提高信息化管理水平，水庫應實現專家比對功能。智能專家比對是指操作者按照自己的要求和規則定義數據庫，將以往的經驗數據以及特定的公式輸入到系統中，將采集的現有數據與數據庫數據進行比對并進行簡單的計算分析，找到新數據反映的趨勢和問題，這樣的好處在于能夠使操作者和管理者較早地進行情景預判，更好地做好運行管理工作。

針對大寧調蓄水庫信息化建設存在的不足，本著需求合理、實用高效、穩步提升的原則，在現有監控管理系統的基礎上，完善監控管理系統顯示方式，直接化、實用化地改進大壩安全監測系統表現形式，提升南水北調大寧調蓄水庫信息化建設水平。比如可按以下順序每年完成一項信息化建設工作：日常管理信息→調度信息共享平臺→水情監測網絡→智能專家比對(見圖6)。

圖6 未來大寧調蓄水庫信息化管理系統

6 結 語

大寧調蓄水庫信息化建設是一項長期、艱巨、復雜的系統工程，同時又是一項投資大、具有長遠效益的社會公益事業。應從社會經濟可持續發展的戰略高度出發，充分認識大寧調蓄水庫信息化監控管理系統完善工作的緊迫性、重要性和艱巨性，必須思想高度統一，不斷提高認識，進一步加強組織領導和部門協調，建立健全大寧調蓄水庫信息化管理的規章制度和監督管理體系，逐步加大投入，拓寬投融資渠道，探索積累經驗并加以推廣，確保大寧調蓄水庫及有相關需求的水庫信息化建設工作穩步提升。