北京市南水北調(diào)某干渠自動輸水系統(tǒng)設(shè)計

楊金鳳 ，閆榮平 ，張秀微 ，羅 強

（1. 北京市南水北調(diào)環(huán)線管理處，北京 100176；2. 北京清流技術(shù)股份有限公司，北京 100071）

0 引言

南水北調(diào)中線工程受水區(qū)是我國水資源最為匱乏的地區(qū)，以京津冀地區(qū)為例，多年平均水資源總量不足全國水資源總量的 1%，人均水資源量只有全國人均水資源量的 10.8%。在水資源嚴重短缺的情況下，仍存在過度開發(fā)利用地表水、大量超采地下水、水質(zhì)惡化等現(xiàn)象，造成地下水超采面積占總面積的 90% 以上，形成了 33 個地下水位降落漏斗區(qū)。這些問題，對于北京這樣高速發(fā)展、人口高度集中的區(qū)域更為明顯。

為應(yīng)對水資源短缺與過度開采問題，需要加強水資源優(yōu)化配置，調(diào)水、輸水工程被提上日程。當前利用渠道、管道輸配水，主要圍繞渠系、管道自動化控制理論和設(shè)備進行研究：孫靜[1]針對抽水系統(tǒng)自動化控制問題，以研究自動化控制為主線，基于自動化控制技術(shù)及管理方法展開分析，意在提升系統(tǒng)的技術(shù)和管理水平；李靜等[2]針對南水北調(diào)中線干線工程自動化調(diào)度與運行管理決策支持系統(tǒng)總框架，提出根據(jù)水量調(diào)度特點，開展調(diào)度決策系統(tǒng)的研究和建設(shè)；陳平貨[3]針對南水北調(diào)供水配套工程上街輸水管線工程地質(zhì)問題，從改善輸水管道地質(zhì)問題著手，加強輸水管道工程建設(shè)質(zhì)量。這些方式方法，可針對性地解決輸水問題，但是針對取水管道長、建筑物眾多的北京市南水北調(diào)某干渠（以下簡稱某干渠）渠系，這些方式方法存在較多不足，必須建設(shè)一套先進、可靠的自動輸水系統(tǒng)，以保障渠系輸水系統(tǒng)的科學(xué)性、時效性和高效性。

1 自動輸水系統(tǒng)設(shè)計

為解決某干渠輸水問題，順應(yīng)自動化、信息化、智能化的潮流，以“無人值守、少人值守”為目標，采用“集中管理、分散控制”的理念[4]，分為以下 5 個系統(tǒng)進行管理：

1）監(jiān)控系統(tǒng)，是智能化輸水、調(diào)水的核心，可實時監(jiān)視和控制沿線泵站、閘門等設(shè)備設(shè)施[5]，對供水沿線壓力、水量、水質(zhì)等參量進行采集，監(jiān)測，傳輸和存儲。

2）視頻安防系統(tǒng)，對沿線設(shè)備重點部位進行圖像采集及存儲，是系統(tǒng)安全運行和管理的輔助手段，也是監(jiān)控系統(tǒng)采集、存儲的通道和保障。

3）通信及計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是電子化辦公的輔助設(shè)施，也是監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞的基礎(chǔ)。

4）水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，是掌握水體狀態(tài)的重要手段，也是自動輸水系統(tǒng)重要的子系統(tǒng)之一。

5）安全監(jiān)測系統(tǒng)，對設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)測、分析和預(yù)警，為輸水安全提供保障。

2 自動輸水系統(tǒng)解析

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)是以計算機為基礎(chǔ)的開放式分層分布式控制系統(tǒng)，由站控級和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及各現(xiàn)地控制單元組成。在某干渠樞紐調(diào)度中心可對各監(jiān)控站點設(shè)備進行監(jiān)控，實時采集設(shè)備工況信息，實現(xiàn)對沿線重要節(jié)點壓力、流量、水質(zhì)等的采集和監(jiān)測；根據(jù)調(diào)度命令，遠程操作機電設(shè)備，實現(xiàn)調(diào)水控制。同時監(jiān)控系統(tǒng)是自動輸水系統(tǒng)的總控制室，也是調(diào)水智能化的核心，可對沿線用水進行統(tǒng)一調(diào)度，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。由圖1 可知：監(jiān)控系統(tǒng)借助監(jiān)測和視頻監(jiān)控設(shè)備、操作系統(tǒng)及監(jiān)控軟件，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、分析，以及設(shè)備遠程操作。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

監(jiān)控系統(tǒng)包括以下功能模塊：

1）在線監(jiān)測模塊?？稍诰€采集、傳輸和存儲水質(zhì)，壓力，水位，溫度，流量等數(shù)據(jù)，只要輸入查詢條件，即可查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，以表格的形式展示數(shù)據(jù)報表，在報表上可看到瞬時流量、累計流量、調(diào)流閥位、閥前后壓力、水泵狀態(tài)等數(shù)值。

2）站點信息管理模塊。對各監(jiān)控站點信息進行管理，實現(xiàn)信息的增加、刪除、修改、查詢等操作。

3）數(shù)據(jù)報表管理模塊?？缮赡辍⒃?、日等報表，也可生成水質(zhì)、水位等報表，報表可導(dǎo)出，打印。

4）故障報警模塊。故障報警模塊首頁顯示實時報警信息，當水質(zhì)、水量、設(shè)備運行狀態(tài)等數(shù)值超過閾值，可自動報警，也可查詢歷史報警信息。

5）設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控模塊。對泵站（泵組、單泵、機組等）、取水閥、分水口、排空井等設(shè)備的，信號指示燈狀態(tài)、閥門閥位、閘門開度、管道壓力等進行實時監(jiān)控。輸入查詢條件，可查看設(shè)備的運行畫面和參數(shù)情況（如壓力參數(shù)、開機時間等）；當水位、水量、壓力等參數(shù)達到閾值時，可自動調(diào)控設(shè)備，如水位、水量過高，可自動調(diào)節(jié)閥門、機組等設(shè)備，直至水位、水量降到相應(yīng)數(shù)值；在緊急情況下，點擊急停按鈕，可執(zhí)行緊急停機流程。

6）遠程調(diào)度控制模塊。通過監(jiān)控工作站，對電動蝶閥、閘門啟閉機、清污機等設(shè)備，進行啟、閉、?？刂?；對水泵機組的啟/停機順序、事故和緊急停機進行控制；對水泵機組的閉環(huán)優(yōu)化進行控制；取定值控制，如對調(diào)流閥壓差進行調(diào)節(jié)，通過出口的壓力設(shè)定值及進、出水口的壓差，對調(diào)流閥的開度進行控制；對單個具備 ON/OFF 操作的設(shè)備，實現(xiàn) ON/OFF 控制操作。

遠程控制的優(yōu)先級別，以閘門控制為例，就地控制（一般采用廠家自帶控制柜控制）級別最高，現(xiàn)地遠控（采用 PLC 上自帶觸摸屏控制）控制級別次之，遠程控制（站點值班室或調(diào)度中心上位機控制）控制級別再次之。主要運用判斷條件實現(xiàn)軟件互鎖，判斷條件的首要條件是轉(zhuǎn)換開關(guān)的狀態(tài)，當轉(zhuǎn)換開關(guān)打在遠程位置，PLC 遠程控制的首要條件滿足，同時現(xiàn)地控制的首要條件不滿足。

7）系統(tǒng)管理模塊?？蓪崿F(xiàn)登錄、密碼修改、注銷、用戶配置、時間同步、屏蔽強制等操作。普通人員無權(quán)對系統(tǒng)進行操作，需通過登錄界面登錄；管理員可對系統(tǒng)用戶進行修改、配置等操作。

綜上所述，監(jiān)控系統(tǒng)是渠系監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)的主要手段，也是故障診斷、系統(tǒng)運行參數(shù)設(shè)定或修改等管理和維護工作的接口[6]。通過自動化、遠程操作，可確保輸水、調(diào)水、水質(zhì)等參數(shù)在可控范圍內(nèi)，可大大提高水資源管理效率，有效保障沿線設(shè)備設(shè)施的安全有序運行。

2.2 視頻安防系統(tǒng)

視頻安防系統(tǒng)對沿線設(shè)備圖像采集信息進行實時傳輸，是采集、存儲的通道和保障，也是保障系統(tǒng)安全運行和管理的輔助手段。與常規(guī)視頻監(jiān)控不同的是，在某干渠樞紐調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)中，增設(shè)了電子圍欄系統(tǒng)，故視頻安防系統(tǒng)分為視頻監(jiān)測點、脈沖式電子圍欄安防系統(tǒng) 2 類。視頻安防系統(tǒng)部署在 1～4 號水廠分水口，視頻監(jiān)測點包括前端、紅外報警、存儲及顯示等設(shè)備，以及操作系統(tǒng)、視頻管理軟件等。

在水利系統(tǒng)中，經(jīng)常出現(xiàn)非法翻越周界護欄偷盜、破壞設(shè)備的現(xiàn)象，此種行為存在嚴重的安全隱患。傳統(tǒng)的水泥墻、柵欄等物，不能做到及時檢測、報警。電子圍欄可很好地解決這個問題，對不法分子的強行入侵起到警示作用[7]。視頻安防系統(tǒng)采用脈沖式電子圍欄，每 50～100 m 設(shè)置 1 個防區(qū)，采用 12 線制系統(tǒng)。脈沖式電子圍欄安防由電子脈沖主機、前段圍欄、紅外對射探測器等設(shè)備組成。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，電子圍欄可圍成三角形、四邊形或不規(guī)則的多邊形，當有人翻越時，報警喇叭和紅色報警燈發(fā)出警報，攝像機實時抓拍圖像，達到警示和記錄的作用，做到“三管齊下”[8]。電子圍欄可設(shè)置為 24 h 全天候、全方位監(jiān)測，警戒等級可達最高級別 Ⅲ 級。

電子圍欄的介入，與防護系統(tǒng)的發(fā)展理念“阻擋為主，報警為輔”不謀而合。尤其對無人值守區(qū)域，可避免人工判斷影響系統(tǒng)的客觀性、實時性、準確性。特別是引入預(yù)警概念，在入侵者未真正實施之前，可避免犯罪行為，將損失降低到最低。

2.3 通信及計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

通信及計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是電子化辦公系統(tǒng)的輔助設(shè)施，也是監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞的基礎(chǔ)，信息的通達性和安全可靠性是保障渠系建設(shè)的重要指標。通信及計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為控制專網(wǎng)、業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)及外網(wǎng)等系統(tǒng)?？刂茖＞W(wǎng)為監(jiān)控系統(tǒng)的信息提供承載服務(wù)，負責(zé)閥門、閘門、水泵電機等設(shè)備的監(jiān)控，以及水位、壓力、水質(zhì)等數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)示意圖如圖2 所示；業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)承載工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，以及視頻安防、視頻會商、語音的數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)；業(yè)務(wù)外網(wǎng)可提供外部 Internet 連接服務(wù)。

圖2 控制專網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，控制數(shù)據(jù)是最為關(guān)鍵的，因此控制專網(wǎng)采用冗余雙環(huán)工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，當 A環(huán)網(wǎng)故障發(fā)生后，數(shù)據(jù)可通過 B 環(huán)網(wǎng)進行傳輸。沿線配置以太網(wǎng)交換機，通過主干光纜，串聯(lián)接入到 2 號水廠分水口核心高端工業(yè)以太網(wǎng)交換機，再通過主干光纜上聯(lián)到干渠樞紐調(diào)度中心。

業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)的整體架構(gòu)采用“星型 + 環(huán)形”組網(wǎng)方式，業(yè)務(wù)外網(wǎng)的整體架構(gòu)擬采用“星型”組網(wǎng)方式。均在站點設(shè)置交換機，通過主干光纜上聯(lián)到干渠樞紐調(diào)度中心核心交換機，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)、語音、動態(tài)圖像等進行傳輸，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)互通。通信及計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)覆蓋在 1～4 號水廠分水口，以及沿線 50 處排氣閥井的視頻監(jiān)控點。

控制專網(wǎng)和業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和視頻圖像的安全性要求最高，因此保持物理隔離是最重要的措施和手段。業(yè)務(wù)外網(wǎng)為互聯(lián)網(wǎng)出口，在干渠樞紐調(diào)度中心互聯(lián)網(wǎng)出口部署 IPS（入侵防御系統(tǒng)）和防火墻（含應(yīng)用控制網(wǎng)關(guān)功能），保障出口安全和 QoS（服務(wù)質(zhì)量）。

2.4 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

南水北調(diào)水源地丹江口水庫，水質(zhì)常年保持在國家Ⅱ類水質(zhì)以上，輸水后，需要確保沿途水質(zhì)安全。水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)位于樞紐調(diào)度中心，由站房、儀表分析單元、取配水單元、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集/處理/傳輸系統(tǒng)等組成，水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。采水系統(tǒng)進行水樣采集預(yù)處理后，供五參數(shù)（pH、水溫、電導(dǎo)率、濁度、溶解氧）、COD 和 Mn 有機物分析儀等儀表使用，由工控設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集和處理，在工控機上可以顯示最新的濁度、pH、電導(dǎo)率等數(shù)值，數(shù)值最終通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)。輸入查詢條件，如輸入起始和終止時間，在水質(zhì)報表中，可查看五參數(shù)、其他參數(shù)（氨氮、總氮、總磷、COD 等）相關(guān)數(shù)值。

圖3 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示意圖

根據(jù) GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中指標限值規(guī)定[9]，結(jié)合水質(zhì)數(shù)值范圍，可知 pH、溶解氧、氨氮、總磷、總氮均可達到Ⅱ類及以上水質(zhì)標準要求。結(jié)合以往水溫數(shù)據(jù)，可知水溫符合水質(zhì)標準，即周平均最大溫升小于等于 1，周平均最大溫降小于等于 2。

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場采集、實驗室儀器分析為主的監(jiān)測模式，能夠?qū)崿F(xiàn)實時連續(xù)監(jiān)測，達到及時掌握水體水質(zhì)狀況、預(yù)警預(yù)報水質(zhì)污染事件的目的[10]，在水環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮至關(guān)重要的作用[11]。當水質(zhì)沒有達到水質(zhì)標準要求，水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)可及時預(yù)警，提高水環(huán)境的質(zhì)量，進一步保障南水北調(diào)沿線的供水安全[12-13]。

2.5 安全監(jiān)測系統(tǒng)

安全監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對隧洞上部地表沉降、管片及襯砌內(nèi)鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)力應(yīng)變、滲透壓力、周邊地下水位，以及工程建筑物沉降、鋼筋混凝土及鋼管應(yīng)力應(yīng)變、底板滲壓等的監(jiān)測。安全監(jiān)測系統(tǒng)為保障監(jiān)控系統(tǒng)的順利開展，將 35 套 MCU 采集終端安裝在內(nèi)觀設(shè)備（鋼筋應(yīng)力計、混凝土應(yīng)變計、測縫計、滲壓計）附近，安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。由圖4 可知：采用微控制器 MCU 采集設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，由專用光纖傳輸?shù)綐屑~調(diào)度中心上位機，在上位機的軟件中形成數(shù)據(jù)報表，方便實時查詢，數(shù)據(jù)最終存儲在樞紐調(diào)度中心服務(wù)器上。在樞紐調(diào)度中心可直觀查看、分析、評估設(shè)備安全運行狀態(tài)，當參數(shù)超過閾值，可報警提示。

圖4 安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示意圖

3 自動輸水系統(tǒng)應(yīng)用成效

北京市南水北調(diào)某干渠自動輸水系統(tǒng)建成后，取得的成效如下：

1）提高管理水平。相比以前的人工操作，自動輸水系統(tǒng)極大提升了輸水工程的管理水平，使得工作人員勞動強度降低了 70%，保障了沿線 4 個分水口、5 處排空井、51 處排氣閥井、4 座閘站的安全有序運行。

2）優(yōu)化水資源配置格局。自動輸水系統(tǒng)確保沿線 44.7 km 管道輸水，每年可提供水量 11 193 萬 m3，預(yù)期到 2030 年地下水開采量將減少至 27%，有效緩解了水資源短缺與過度開采問題，進一步優(yōu)化了水資源配置格局。

3）保障供水安全。通過調(diào)控設(shè)備，水質(zhì)常年保持在國家Ⅱ類水質(zhì)以上，控制斷面的水位變幅每小時不超過 12 cm，連續(xù) 24 h 水位變幅不超過 30 cm，當水質(zhì)數(shù)值超過閾值時，系統(tǒng)及時報警，保障沿線的供水安全。脈沖式電子圍欄視頻安防系統(tǒng)的應(yīng)用，為供水安全提供了雙層保險，使得供水系統(tǒng)可靠性更強。

4 結(jié)語

調(diào)水、輸水是北京市南水北調(diào)某干渠重要的建設(shè)內(nèi)容，本研究提出的自動輸水系統(tǒng)設(shè)計，具有很好的實時性、可靠性、可用性，充分利用自動化、信息化、智能化等先進技術(shù)，克服了傳統(tǒng)人工手動操作模式的局限性，完全可以實現(xiàn)對沿線調(diào)水、輸水的自動化控制。通過自動輸水系統(tǒng)，可確保沿線供水量和水質(zhì)安全，緩解北京地區(qū)水資源短缺與過度開采問題，強有力地支撐北京市經(jīng)濟社會發(fā)展，也為整個南水北調(diào)中線供水工程穩(wěn)定、高效、科學(xué)、安全運行提供保障。自動輸水系統(tǒng)成功的經(jīng)驗，后續(xù)可推廣至整個南水北調(diào)工程乃至其他輸水工程。