鳳臺縣永幸河灌區信息化管理系統技術應用

賀 磊

(鳳臺縣永幸河灌區管理處，安徽 鳳臺 232100)

1 灌區簡介

1.1 地理概況

鳳臺縣永幸河灌區位于安徽省淮北平原南端，范圍包括鳳臺縣境內淮河以北，茨淮新河以南的地區。灌區地形總趨勢是西北高東南低，坡降萬分之一左右。地面最高高程為24.5 m，最低為21.0 m，地貌特征為崗灣(洼)交錯的平原河谷型地貌。灌區主要有3個自然水系：一是位于灌區西北部的港河流域，面積約為300 km2。二是灌區北部的泥河流域，面積約為80 km2。三是灌區南部的架河流域，面積約為220 km2。在港河與架河的下游有姬溝湖和城北湖兩個洼地，湖底高程為16.0 m，常年積水水位17.5 m，面積約10 km2。

鳳臺縣永幸河是1條橫亙在淮北平原，西臨利辛縣界，東貫入淮的人工開挖的引、排水骨干河道，是鳳臺縣水利建設史上規模最大、效益最佳的一項綜合治理工程。永幸河全長42.63 km，設計流量120 m3/s，與其溝通的15條大溝，總長155 km，將永幸河分別與灌區周邊的淮河、茨淮新河和西淝河溝通；另有中溝169條，總蓄水能力700萬m3，組成了灌區的主要排灌水網，形成了“北水南濟、南水北調、排灌自如”的水利網絡。灌區現有一級排灌站14座，總裝機47臺套，容量22 964 kW，灌溉最大提水能力100.1 m3/s，最大抽排能力203.71 m3/s；二級灌溉站710多處，總裝機容量3.2萬 kW。全灌區總面積600 km2(占全縣面積62%)，內轄13個鄉鎮，農業人口31萬人。可耕地55萬畝(占全縣總耕地64%)，有效灌溉面積50萬畝。

1.2 氣象與水文

灌區位于暖溫帶向亞熱帶氣候過渡的半濕潤地帶，距海洋近，季風明顯，四季分明，氣候溫和，降水充沛，日照充足，無霜期長。在氣候特點上，春季多陰雨，春夏之交局部時有大風、冰雹；夏季多雨，常出現洪澇，夏秋之交，時遇伏旱；冬季雨水偏少。

歷年平均降水量897.8 mm，但降水在年際和年內分布不均，年最高降水量達1 242.2 mm，年最低降水量僅514.4 mm；最高最低降水年份相差727.8 mm，每年平均降水107 d。夏季降水集中在6～7月，占全年降水量的51%，月最大降水與月最小降水倍比為8～10倍。年平均氣溫15.2 ℃，年際變化在14～16 ℃之間，80%年份在15 ℃以上，年平均日照時數為2 323.1 h，變化幅度在2 000～2 600 h之間，全年10～20 ℃之間的平均氣溫日數為177 d，積溫4 133.5 ℃，多年平均無霜期216 d。多年平均蒸發量為1 613.2 mm，蒸發量為4.18億m3，有70%的降水耗于蒸發，最大和最小蒸發量為2 008.1 mm和710.7 mm。

2 系統組成

鳳臺縣永幸河灌區信息化管理系統由中心站、通訊網絡和遙測遙控站組成。

2.1 中心站設備組成

灌區中心站位于灌區管理處辦公樓，主要由網絡防火墻、通訊服務器、數據庫服務器、Web服務器、工作站、交換機、路由器等設備構成(見圖1)。

圖1 灌區中心站計算機網絡組成結構

2.2 遙測遙控站的設備組成

灌區的遙測遙控站主要選址建設在排灌站和節制閘處，并且以排灌站為主要監測控制對象。在每個新建遙測遙控站內配置1臺掛壁式50寸的高清液晶數字監視器，作為值班信息顯示和聲光告警裝置；現地控制計算機通過RS232/RS—485接口與RCU測控終端單元連接，讀取排灌站的水情和工情信息，驅動排灌站大屏監視器的信息顯示和聲光告警。RCU采集各種水情和工情傳感器的數據，同時支持超短波和GPRS遙測信道，與監控中心進行數據通訊，并響應中心站的數據采集召測指令。

站點內配置翻斗式雨量計、浮子式水位計、全量程格雷碼式閘位傳感器、泵機溫度傳感器、智能電量傳感器，通訊模塊、站控計算機、RCU單元和防雷供電單元等測控設備集成在一體化的排灌站RCU柜內(見圖2)。

圖2 遙測遙控站設備組成結構

3 測控通信組網

3.1 通信信道分析

近年來，由于灌區內工礦企業和經濟社會高速發展，火力發電廠及煤礦等高大建筑物大量建設，原系統采用的超短波信道已經存在超短波信道余量嚴重惡化問題，灌區中部和西北部遙測信道條件變差，信道衰減和電磁干擾情況嚴重。

目前，中國移動的GSM網已經完全覆蓋灌區，由于原系統的南部地區沿淮河的遙測站超短波信道運行正常，因此選擇中國移動GPRS作為排灌站測控主遙測信道，原超短波為備用信道的通訊組網方案，雙信道互為備份，提高了系統的兼容性、可靠性。

3.2 通訊網絡的結構

本系統采用230 MHz超短波/GPRS混合通信組網方案，設計的通訊網絡及協議滿足以下技術要求(見圖3)：

(1)兼容原系統230 MHz超短波遙測信道和SL61—2015的通訊協議，支持超短波/GPRS/光纖寬帶遙測信道互相兼容，同步工作的功能。

(2)兼容原系統的寬帶光纖水利專網和互聯網通訊功能，實現新老系統中的工情遙控站、中心站之間的聯網，保障聯網信息的安全和兼容性。

圖3 系統通訊組網拓撲結構

4 系統主要功能

4.1 中心站的功能

(1)兼容原灌區已建的HIS—2000水利信息系統的數據采集、通訊傳輸、信息處理與應用功能。

(2)支持超短波、GPRS、SMS多遙測信道及其通訊協議，接收遙測遙控站發送來的水情、工情自報數據，分析、處理該類信息，存入實時和歷史數據庫。

(3)遙測信道支持自報和招測應答兼容體制，接收遙測遙控站發送來的自檢和工作狀態信息，可遠程監管各站遙測設備及通訊信道的運行狀態和故障維護，并提供遙測遙控站設備遠程參數設置調整和排灌站輔助裝置的遙控功能。

(4)在大型拼屏綜合信息顯示墻上，以背景地圖、值班表等模式組合式輸出各類水情、工情實時數據、等值線和歷史數據過程曲線，提供完善的灌區信息年、月、日報表打印輸出功能。

(5)在大型拼屏綜合信息顯示墻上，集成集中顯示灌區已建各閘門遙控系統、排灌站泵機控制系統、工情視頻監控系統的功能，并且預留其他多媒體系統的顯示接入口。

(6)顯示系統各站遙測設備和各排灌站的閘門、泵站設備工作狀態的監控信息，提供故障診斷、報警和運維保障功能。

(7)提供灌區數據庫信息檢索、統計、發布功能，以及灌區調度功能的多媒體演示，動畫仿真、調度決策支持功能。

(8)支持灌區基礎數據庫和水利工程圖文資料等信息查詢功能。

4.2 排灌站的遙測遙控功能

(1)支持超短波、GPRS等多遙測信道和通訊協議，自報和應答兼容工作體制。

(2)具有多路脈沖、狀態、數字、模擬量接口，多路RS232和RS485智能接口，自動采集并傳輸各路傳感器的數據。

(3)支持對RCU的現地PC機、遠程SMS、手機APP三種編程控制模式。

(4)具有終端自檢、供電電壓、運行溫度、信號強度監測和工作狀態自報功能。

(5)RCU終端機的接口、通訊、設備地址、時鐘校時、運行模式等工作參數支持現場人工設置和中心站遠程設置。

(6)響應中心站遠程下發的控制指令。

(7)支持大容量SD卡固態存儲，全部接口數據可以存儲1 a以上。

(8)支持基于“水位—流量”關系模型庫的渠道流量計算功能。

(9)支持站控計算機RS—232/RS—485通訊接口，實現現地監控、數據顯示和告警。

5 灌區管理功能和效益分析

5.1 灌區管理功能

鳳臺縣永幸河灌區信息化系統的建設，為灌區的信息監測、控制和調度提供了先進的技術手段，具有以下管理功能：

(1)排灌站。灌區中心站管理者可以集中監控各排灌站的水情工情信息，獲得實時的降雨量、內外河水位、閘位、泵機的電量和運行溫度等信息。監測各排灌站的水量、流向等灌溉信息，監控各站的設備運行狀態，通過歷史數據分析排灌站運行效率，歸納事故概率，提高灌區運行的經濟效率，完善設備運行維護管理水平。

排灌站現地管理者可以通過站控計算機及值班大屏，監視全站的水情信息以及工情設備運行信息，掌控全站水工設備的運行狀態。在站控RCU發布閘泵設備運行自動監控報警的情況下，及時排除故障，提高值班管理工作環境條件。

(2)閘控站。灌區中心站管理者可以集中監控各閘控站的水情工情信息，獲得實時的降雨量、內外河水位、閘位等信息，監測各閘控站的水量、流向等灌溉信息，監控各站的設備運行狀態，通過歷史數據分析事故概率，提高灌區運行的效率，完善設備運行維護管理水平。

(3)信息化系統。灌區中心站管理者可以集中監控各測控站RCU的運行狀態，遠程組態配置各站參數，實現故障監測和及時維護，提高信息化系統測控設備的管理效率。

5.2 效益分析

項目的實施將灌區有限的水資源進一步優化配置、優化調度，特別是通過各關鍵節點的水位情況及時調度分配，每年可利用汛期澇水1 200萬m3，每年節約農業用水1 650萬m3；按照灌區供水成本價0.089元/m3計算，以上兩項每年節約254萬元。通過灌區雨量點的監測，提前對旱澇災害進行預判，及時調度關鍵涵閘的開啟，有力減少了旱澇災害對灌區帶來的損失。同時，將灌區有限的人力資源從水位、雨量測報及閘門、泵站監測等工作中解放出來，為灌區節省了大量的人力物力。

6 發展及展望

隨著信息技術的高速發展，國家大力倡導基于互聯網+的信息技術發展方向。目前，云計算、物聯網、大數據及智能移動終端等信息平臺技術逐步成熟，阿里云、中國移動OneNET云等一批信息服務已經開始商業推廣應用，基于5G技術的高速無線通訊平臺進入初步試點建設階段。灌區信息化系統的技術發展和建設，必須在以下幾個方面進行技術拓展：

(1)將傳統的RTU、PLC為核心的測控終端整合為以RCU(遠程測控單元)為核心的灌區遙測遙控站，支持物聯網通訊平臺，具有排灌站現地采集及可編程控制功能。

(2)RCU采取高可靠性低功耗黑匣子設計理念，其應用及管理采用智能移動終端APP操作化，支持現地及遠程操作管理。

(3)數據存儲、處理及服務租用云計算平臺，逐步減少或取消灌區中心站的網絡、服務器等硬件建設，降低系統建設和維護的經濟及人力成本，提高系統軟硬件平臺的可靠性。

(4)建立以專業水文、水工、水環境應用模型為基礎的大數據處理軟件平臺，為灌區的水利、水工、水資源及水生態環境調度決策提供高級技術支撐。

(5)基于B/S模式的客戶端計算機離散配置及個人移動終端管理模式，提高灌區信息化應用的靈活性、實用性和高效性，降低管理平臺建設的軟硬件及維護服務成本。

7 結 語

鳳臺縣永幸河灌區信息化建設項目的實施，突破傳統的灌區管理模式，極大地增加了灌區管理的科技含量。灌區有限的水資源得到優化配置、優化調度，在汛期可將多余洪水及時進行調度分配，減少了汛期棄水。對灌區情況進行科學的分析和預測，可減少農作物用水量，將節約的農業用水用于工業生產及生態用水。項目的實施將通過灌區水量控制，提高用水效率，增加配水的均勻性和及時性，從而提高農民收入，促進社會穩定。同時，通過節約用水，將節余的水轉向工業和城市居民生活用水等部門，提高灌區的經濟收入，實現灌區的經濟自立，穩定水利職工隊伍，促進灌區管理水平的進一步提高。

灌區信息化系統的建設與應用，可有效減少用水調度管理的隨意性，減少用水戶的水事糾紛，增加了量水的公正性、配水的均勻性，使灌區整體效益提高。無論是從保障人民生存的基本權利，還是從社會穩定、提高農民收入來講，信息化管理必將極大地提高灌區管理水平，提高水的利用率和利用效率，增加糧食單產和總產，提高作物品質，將有力促進農村經濟的發展和“三農”產業鏈的形成。