大宁调蓄水库信息化建设实践与思考

(北京市南水北调大宁管理处，北京 102442)

水库信息化监测调度系统建设可实现对水库水情、水量调度、水位等水文要素的自动采集和报送，直接为洪水预报与调度、水资源管理服务，实现水资源的优化配置，为水资源高效利用提供科学的决策依据，是实现水库现代化管理的重要手段[1-2]。通过水库信息化建设，提高水库管理水平，对于促进经济发展、社会稳定至关重要。大宁调蓄水库是南水北调中线干渠进入北京的首个调蓄水库，对提高北京市南水北调来水的调蓄能力，保障城市供水安全有着重要的作用[3]。其信息化建设水平更是关系到北京市生活用水安全和社会稳定。建立和健全大宁调蓄水库信息化体系，对提升水库管理水平，稳定和改善调蓄水库运行环境安全，保障首都居民生活饮用水安全具有重大社会意义，同时，对其他水库进行信息化建设也有一定的借鉴意义。

1 水库信息化研究现状

水库信息化建设是水利信息化建设的重要内容，它在水库防洪兴利、水环境保护、水资源优化配置等方面起着重要作用。我国的水利信息化建设起步较晚，在20世纪90年代后期，随着计算机技术的发展，才逐步开展水利系统信息收集、传输、接受、处理和监视等环节的信息化建设。2001年，水利部成立了信息化工作领导小组，水利信息化才进入快速发展期，与此同时，水库的信息化建设也有了长足的进步。水库的信息化就是依托计算机互联网技术，实现水库监测系统、决策系统、调度系统、反馈系统的信息共享，达到监控、决策、管理统一的目的。目前，水库的信息化系统包括大坝的安全监测系统、洪水预报系统、水情监测系统、供水管理系统、闸门控制系统、决策支持系统、视频监控系统、数据传输系统等，根据水库承担功能的不同，对各个系统的建设各有侧重。贺新春等[4]通过对国内外水库信息化建设的历史、现状和存在的问题以及水库信息化建设面临的机遇和挑战的分析，在对水库信息化的内涵及其建设原则进行论述的基础上，提出了水库信息化建设对策。殷蓬[5]对水库信息化系统建设模式进行了初步探索。孙静[6]、孙庆锋等[7]分别对岗南水库、黄壁庄水库信息化建设经验进行了总结，论述了各自水库较为适宜的信息化建设方法。尽管不同水库情况千差万别，水库有着不同的功能定位，个体差异决定了其信息化建设的特殊性，对单个水库而言，信息化建设有着不同的侧重点，但无可置疑的是水库信息化建设受到越来越多水利管理部门的重视，是未来水库管理重要的发展方向。

2 大宁调蓄水库工程概况

北京是我国的政治、经济中心，但北京人均水资源已降至200m3左右，不足全国人均的1/10，本地水资源量已远远不能支撑北京市庞大的用水规模，外调水逐步成为北京市重要的供水水源。2008年南水北调中线工程京石段建成通水，同年，位于海河流域子牙河子流域的岗南水库、黄璧庄水库，大清河子流域的王快水库、西大洋水库和安各庄水库开始向北京市应急供水。2014年12月，南水北调中线全线贯通，丹江口水库正式向北京市供水，大宁调蓄水库则是南水进京的第一道闸门，外水进京改变了北京市的水资源格局，成为北京水资源的重要组成部分。

大宁调蓄水库位于小清河上，北起京周路，南连稻田水库，西至京港澳高速公路主路，东至永定河中堤路。大宁调蓄水库设计洪水标准100年一遇，校核洪水标准200年一遇。正常蓄水位56.40m，校核洪水位61.21m。水库工程主要由主、副坝和泵站等建筑物组成，主、副坝均为两布一膜斜墙土坝，主坝最大坝高15m，坝顶长568.50m，顶宽7m，坝顶高程62.50m；副坝最大坝高10m，坝顶长711.10m，坝顶宽7m；泵站装机容量3200kW，最大库容4611万m3，是一座以防洪、调蓄为主，兼顾供水等功能的2级、Ⅱ等中型水库工程。

南水北调中线通水前，大宁水库的作用主要是配合永定河流域蓄滞洪水，和南面的稻田水库、马厂水库共同组成了永定河蓄滞洪区。南水北调中线工程通水后，南水北调工程输水管线从大宁水库库区穿过，大宁水库通过暗涵与南水北调总干渠大宁调压池相连。大宁水库除了肩负防洪等常规任务外，又增加了调蓄功能。大宁调蓄水库是南水北调中线干渠进入北京的首个调蓄水库，也是距城市中心最近的一个中型调蓄水库。它的建设对提高北京市南水北调来水的调蓄能力，保障城市供水安全，促进北京市西南地区发展有着重要意义[8]。

3 大宁调蓄水库信息化建设实践

大宁调蓄水库目前承担的主要任务有防洪和供水两方面，供水为主要任务。大宁调蓄水库主要解决南水北调来水与本地用水流量不匹配，以及南水北调工程故障或检修时的调蓄问题，是北京市供水安全的重要保障。因此，大宁调蓄水库信息化建设以“供水安全”和“实时可控”为目标。大宁调蓄水库信息化建设过程中汲取了其他水库信息化建设的良好经验，现有信息化监控管理系统于2015年建成，主要包括视频监控子系统、大坝安全监测子系统、自动控制子系统、水质监测子系统以及相关报表、报警等功能(见图1)，系统的建成和使用，极大地方便了水库的管理，提升了调蓄水库的运行管理水平。

图1 大宁调蓄水库信息化监控管理系统

3.1 视频监控子系统

大宁调蓄水库视频监控子系统在水库橡胶坝管理房院内、中堤路北口、中堤路围网内、副坝观望台围网内、退水节制闸、泵站周边、西堤扶壁挡墙边及泵站控制中心内配置了16组摄像监控设备。视频监控主机位于水库中控室内，通过光纤网络将实时图像反映到控制中心服务器终端，实现24小时不间断监控和录像功能。同时，能够将实时画面传输给上级调度中心，实现与上级单位的数据共享(见图2)。

图2 大宁调蓄水库视频监控子系统

3.2 大坝安全监测子系统

水库工程因设计及施工缺陷、运行管理不当等导致其带病运行，在各种荷载作用、多种自然因素的影响下，工程安全性态随时都在变化，有些是正常变化，是设计和安全运行许可的，但有些则可能是异常的。安全监测是及时发现工程安全隐患的一种有效途径，通过安装监测仪器对工程进行系统的观测和测试，可以及时掌握工程性态，获取工程安全相关信息，从而采取应对措施保证工程安全运行。库水位监测共设置4个监测点，分别位于ZD1+250、泵站挡墙、XD1+500、泵站南侧的水中。地下水位监测分为3类，分别为渗压计监测、水位观测井监测和测压管监测，本工程31个断面埋设渗压计72支(其中防渗墙内部3支、外部69支)、水位观测井9眼、测压管12支(主坝8支、调节池4支)。防渗墙及主副坝沉降监测共设30个，其中中堤6个、西堤4个、倒虹吸1个、泵站4个、主坝堤顶4个、副坝堤顶11个。主坝坝坡沉降监测点10个，水平位移监测点10个，泄洪闸沉降监测点11个。西堤扶壁式挡墙变形监测，埋设沉降监测点28个、水平位移监测点6个、倾斜计5支。内观监测设备为应变计和无应力计，共72支。通过传感器采集各渗压计、应力应变计的数据，经过程序计算，将结果反映到系统中并在软件示意图中显示出来。经过分析后的数值自动保存在数据库中，可以以报表或曲线的形式体现出来，如果有超出设定预警值的数据出现，系统会自动报警，第一时间提示操作者处理，提高反应速度，有效地保障大坝安全(见图3)。

图3 大宁调蓄水库大坝安全监测子系统

3.3 自动控制子系统

大宁调蓄水库自动控制子系统具有水库泵站、橡胶坝、节制闸等的监视控制功能。现地控制采用西门子可编程控制器(PLC)，控制中心设置西门子控制机和自带监视系统软件。能够实时监控泵站、橡胶坝、退水节制闸的实际运行状态并及时显示相关数据，可根据上级指示和实际需要远程实现泵站机组启停、闸门启闭等操作。系统自动采集、记录相关运行数据，可以报表或曲线的形式反映出设备设施运行状况，出现异常及时报警，使操作者能够第一时间发现并进行调整(见图4)。

图4 大宁调蓄水库自动控制子系统

3.4 水质监测子系统

大宁调蓄水库水质监测设备包括Hydrolab(多参数分析仪)一台、COD-203自动检测仪一台，以及NPW160(总氮总磷分析仪)一台，电脑每周设定固定时间进行水质试验。水质监测子系统自动将试验数据采集入数据库并将部分数据显示到交互界面内，试验数据超过预定极值将自动报警，操作者可根据需要进行相关数据曲线的绘制和报表处理，也可将数据转出进行深度分析处理(见图5)。

4 大宁调蓄水库信息化建设存在的主要问题

大宁调蓄水库信息化系统中的监控系统在一定程度上提升了水库的运行管理水平，但仍存在一些不足，主要表现在部分监测系统智能化程度低，上、下游业务单位信息化建设联动较弱，缺乏持续的信息化建设投入等方面。

4.1 部分监测系统智能化程度低

对于基层的水库管理人员来说，优秀的监测系统一定具有直观、方便、稳定的特点，水库管理人员不需要完全了解系统的内在机理和计算方法，因此，监测系统的可视化表达方式一定要直观、明显、易懂，并且操作方便。在大宁调蓄水库监测系统实际使用过程中发现部分监测系统的智能化程度较低，操作不便，比如自动控制系统显示报警，原因是退水闸出现故障，虽然此处安装有摄像头，却不能直接在自动控制报警的界面下通过点击直接显示出监控实时画面。大坝安全监测系统画面显示方式中的虚拟水平面不能够随水位变化而表现出高低变化，不能在直观感觉上表现出水位变化对坝后渗压计乃至浸润线的影响。系统的智能化程度低限制了管理人员的积极性，易造成水库信息化建设中“重设备、轻运用”的现象。这些问题并非不可解决，而是系统开发时没有充分调研基层的需求，系统开发者应建立一套用户反馈机制，及时根据用户的反馈改进产品性能。

4.2 上、下游业务单位信息化建设联动较弱

水利信息化建设的目标之一就是实现多部门的信息沟通共享机制，就目前而言，大宁调蓄水库供水调度、运行管理等业务与上游单位，即南水北调中线工程建设管理局相衔接，工程建设、受水协调等业务涉及北京市水务局多个下属单位以及长阳镇、长辛店镇、卢沟桥街道、城市管理等多个单位。不同单位对水库及周围环境的定位不同，管理目标也不一样，在几年的调水运行实践中发生过因沟通联动不畅引发的问题。因此，应规划建立一个统一的调度信息共享平台，加强上、下游业务单位的信息联通。

4.3 缺乏持续的信息化建设投入

信息化建设耗资巨大，一次性投资并不现实，需要制定合理的信息化建设规划，按照实际需求的紧迫程度分批次建设，先建设急需的功能，一步步深入和提升，将每年有限的投入做好计划，采取渐进式的建设模式，稳步推进，步步为营，使财政资金发挥出最大效益。大宁调蓄水库信息化系统建设取得了一定成绩，但对未来的信息化建设工作缺乏中长期规划，也没有持续的投入保障。未来大宁调蓄水库信息化建设应邀请行业专家把脉，聘请专业的机构对水库的信息化建设做出合理的规划，多渠道落实建设资金，实现水库信息化建设的高效运作。

5 大宁调蓄水库未来信息化发展建议

大宁调蓄水库上游为南水北调中线干渠，惠南庄泵站的运行情况，大宁调压池向南干渠、团城湖方向输水情况，周边流域调水信息直接影响到向水库退水的水量。因而建立一个包含上下游业务单位的调度信息共享平台，及时快速地反映调水指令和信息是十分必要的[9]。

北京市南水北调工程运行管理相关单位，如大宁管理处、南干渠管理处、团城湖管理处、东干渠管理处均涉及调水运行管理，建设一个标准化的日常管理信息系统，完成水库、泵站、橡胶坝、闸门等设备设施运行数据的记录、查阅、提取，能够方便同系统内部的交流、监督、检查和管理，是信息化建设的要求，也是大势所趋，现阶段北京市南水北调工程已经实现了日常管理系统的基本建设任务[10]。

从长远管理需求考虑，水库应建立水情监测网络，利用遥感、地理信息系统等技术，对全流域各类信息进行数字化存储，实现动态监测。利用基于GIS的技术平台对全流域进行河道水情模拟、洪水分析、突发水污染事件演变模拟等深层次的信息融合、挖掘和综合分析，为领导决策提供支持。并且，为提高信息化管理水平，水库应实现专家比对功能。智能专家比对是指操作者按照自己的要求和规则定义数据库，将以往的经验数据以及特定的公式输入到系统中，将采集的现有数据与数据库数据进行比对并进行简单的计算分析，找到新数据反映的趋势和问题，这样的好处在于能够使操作者和管理者较早地进行情景预判，更好地做好运行管理工作。

针对大宁调蓄水库信息化建设存在的不足，本着需求合理、实用高效、稳步提升的原则，在现有监控管理系统的基础上，完善监控管理系统显示方式，直接化、实用化地改进大坝安全监测系统表现形式，提升南水北调大宁调蓄水库信息化建设水平。比如可按以下顺序每年完成一项信息化建设工作：日常管理信息→调度信息共享平台→水情监测网络→智能专家比对(见图6)。

图6 未来大宁调蓄水库信息化管理系统

6 结 语

大宁调蓄水库信息化建设是一项长期、艰巨、复杂的系统工程，同时又是一项投资大、具有长远效益的社会公益事业。应从社会经济可持续发展的战略高度出发，充分认识大宁调蓄水库信息化监控管理系统完善工作的紧迫性、重要性和艰巨性，必须思想高度统一，不断提高认识，进一步加强组织领导和部门协调，建立健全大宁调蓄水库信息化管理的规章制度和监督管理体系，逐步加大投入，拓宽投融资渠道，探索积累经验并加以推广，确保大宁调蓄水库及有相关需求的水库信息化建设工作稳步提升。