凤台县永幸河灌区信息化管理系统技术应用

贺 磊

(凤台县永幸河灌区管理处，安徽 凤台 232100)

1 灌区简介

1.1 地理概况

凤台县永幸河灌区位于安徽省淮北平原南端，范围包括凤台县境内淮河以北，茨淮新河以南的地区。灌区地形总趋势是西北高东南低，坡降万分之一左右。地面最高高程为24.5 m，最低为21.0 m，地貌特征为岗湾(洼)交错的平原河谷型地貌。灌区主要有3个自然水系：一是位于灌区西北部的港河流域，面积约为300 km2。二是灌区北部的泥河流域，面积约为80 km2。三是灌区南部的架河流域，面积约为220 km2。在港河与架河的下游有姬沟湖和城北湖两个洼地，湖底高程为16.0 m，常年积水水位17.5 m，面积约10 km2。

凤台县永幸河是1条横亘在淮北平原，西临利辛县界，东贯入淮的人工开挖的引、排水骨干河道，是凤台县水利建设史上规模最大、效益最佳的一项综合治理工程。永幸河全长42.63 km，设计流量120 m3/s，与其沟通的15条大沟，总长155 km，将永幸河分别与灌区周边的淮河、茨淮新河和西淝河沟通；另有中沟169条，总蓄水能力700万m3，组成了灌区的主要排灌水网，形成了“北水南济、南水北调、排灌自如”的水利网络。灌区现有一级排灌站14座，总装机47台套，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；二级灌溉站710多处，总装机容量3.2万 kW。全灌区总面积600 km2(占全县面积62%)，内辖13个乡镇，农业人口31万人。可耕地55万亩(占全县总耕地64%)，有效灌溉面积50万亩。

1.2 气象与水文

灌区位于暖温带向亚热带气候过渡的半湿润地带，距海洋近，季风明显，四季分明，气候温和，降水充沛，日照充足，无霜期长。在气候特点上，春季多阴雨，春夏之交局部时有大风、冰雹；夏季多雨，常出现洪涝，夏秋之交，时遇伏旱；冬季雨水偏少。

历年平均降水量897.8 mm，但降水在年际和年内分布不均，年最高降水量达1 242.2 mm，年最低降水量仅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%，月最大降水与月最小降水倍比为8～10倍。年平均气温15.2 ℃，年际变化在14～16 ℃之间，80%年份在15 ℃以上，年平均日照时数为2 323.1 h，变化幅度在2 000～2 600 h之间，全年10～20 ℃之间的平均气温日数为177 d，积温4 133.5 ℃，多年平均无霜期216 d。多年平均蒸发量为1 613.2 mm，蒸发量为4.18亿m3，有70%的降水耗于蒸发，最大和最小蒸发量为2 008.1 mm和710.7 mm。

2 系统组成

凤台县永幸河灌区信息化管理系统由中心站、通讯网络和遥测遥控站组成。

2.1 中心站设备组成

灌区中心站位于灌区管理处办公楼，主要由网络防火墙、通讯服务器、数据库服务器、Web服务器、工作站、交换机、路由器等设备构成(见图1)。

图1 灌区中心站计算机网络组成结构

2.2 遥测遥控站的设备组成

灌区的遥测遥控站主要选址建设在排灌站和节制闸处，并且以排灌站为主要监测控制对象。在每个新建遥测遥控站内配置1台挂壁式50寸的高清液晶数字监视器，作为值班信息显示和声光告警装置；现地控制计算机通过RS232/RS—485接口与RCU测控终端单元连接，读取排灌站的水情和工情信息，驱动排灌站大屏监视器的信息显示和声光告警。RCU采集各种水情和工情传感器的数据，同时支持超短波和GPRS遥测信道，与监控中心进行数据通讯，并响应中心站的数据采集召测指令。

站点内配置翻斗式雨量计、浮子式水位计、全量程格雷码式闸位传感器、泵机温度传感器、智能电量传感器，通讯模块、站控计算机、RCU单元和防雷供电单元等测控设备集成在一体化的排灌站RCU柜内(见图2)。

图2 遥测遥控站设备组成结构

3 测控通信组网

3.1 通信信道分析

近年来，由于灌区内工矿企业和经济社会高速发展，火力发电厂及煤矿等高大建筑物大量建设，原系统采用的超短波信道已经存在超短波信道余量严重恶化问题，灌区中部和西北部遥测信道条件变差，信道衰减和电磁干扰情况严重。

目前，中国移动的GSM网已经完全覆盖灌区，由于原系统的南部地区沿淮河的遥测站超短波信道运行正常，因此选择中国移动GPRS作为排灌站测控主遥测信道，原超短波为备用信道的通讯组网方案，双信道互为备份，提高了系统的兼容性、可靠性。

3.2 通讯网络的结构

本系统采用230 MHz超短波/GPRS混合通信组网方案，设计的通讯网络及协议满足以下技术要求(见图3)：

(1)兼容原系统230 MHz超短波遥测信道和SL61—2015的通讯协议，支持超短波/GPRS/光纤宽带遥测信道互相兼容，同步工作的功能。

(2)兼容原系统的宽带光纤水利专网和互联网通讯功能，实现新老系统中的工情遥控站、中心站之间的联网，保障联网信息的安全和兼容性。

图3 系统通讯组网拓扑结构

4 系统主要功能

4.1 中心站的功能

(1)兼容原灌区已建的HIS—2000水利信息系统的数据采集、通讯传输、信息处理与应用功能。

(2)支持超短波、GPRS、SMS多遥测信道及其通讯协议，接收遥测遥控站发送来的水情、工情自报数据，分析、处理该类信息，存入实时和历史数据库。

(3)遥测信道支持自报和招测应答兼容体制，接收遥测遥控站发送来的自检和工作状态信息，可远程监管各站遥测设备及通讯信道的运行状态和故障维护，并提供遥测遥控站设备远程参数设置调整和排灌站辅助装置的遥控功能。

(4)在大型拼屏综合信息显示墙上，以背景地图、值班表等模式组合式输出各类水情、工情实时数据、等值线和历史数据过程曲线，提供完善的灌区信息年、月、日报表打印输出功能。

(5)在大型拼屏综合信息显示墙上，集成集中显示灌区已建各闸门遥控系统、排灌站泵机控制系统、工情视频监控系统的功能，并且预留其他多媒体系统的显示接入口。

(6)显示系统各站遥测设备和各排灌站的闸门、泵站设备工作状态的监控信息，提供故障诊断、报警和运维保障功能。

(7)提供灌区数据库信息检索、统计、发布功能，以及灌区调度功能的多媒体演示，动画仿真、调度决策支持功能。

(8)支持灌区基础数据库和水利工程图文资料等信息查询功能。

4.2 排灌站的遥测遥控功能

(1)支持超短波、GPRS等多遥测信道和通讯协议，自报和应答兼容工作体制。

(2)具有多路脉冲、状态、数字、模拟量接口，多路RS232和RS485智能接口，自动采集并传输各路传感器的数据。

(3)支持对RCU的现地PC机、远程SMS、手机APP三种编程控制模式。

(4)具有终端自检、供电电压、运行温度、信号强度监测和工作状态自报功能。

(5)RCU终端机的接口、通讯、设备地址、时钟校时、运行模式等工作参数支持现场人工设置和中心站远程设置。

(6)响应中心站远程下发的控制指令。

(7)支持大容量SD卡固态存储，全部接口数据可以存储1 a以上。

(8)支持基于“水位—流量”关系模型库的渠道流量计算功能。

(9)支持站控计算机RS—232/RS—485通讯接口，实现现地监控、数据显示和告警。

5 灌区管理功能和效益分析

5.1 灌区管理功能

凤台县永幸河灌区信息化系统的建设，为灌区的信息监测、控制和调度提供了先进的技术手段，具有以下管理功能：

(1)排灌站。灌区中心站管理者可以集中监控各排灌站的水情工情信息，获得实时的降雨量、内外河水位、闸位、泵机的电量和运行温度等信息。监测各排灌站的水量、流向等灌溉信息，监控各站的设备运行状态，通过历史数据分析排灌站运行效率，归纳事故概率，提高灌区运行的经济效率，完善设备运行维护管理水平。

排灌站现地管理者可以通过站控计算机及值班大屏，监视全站的水情信息以及工情设备运行信息，掌控全站水工设备的运行状态。在站控RCU发布闸泵设备运行自动监控报警的情况下，及时排除故障，提高值班管理工作环境条件。

(2)闸控站。灌区中心站管理者可以集中监控各闸控站的水情工情信息，获得实时的降雨量、内外河水位、闸位等信息，监测各闸控站的水量、流向等灌溉信息，监控各站的设备运行状态，通过历史数据分析事故概率，提高灌区运行的效率，完善设备运行维护管理水平。

(3)信息化系统。灌区中心站管理者可以集中监控各测控站RCU的运行状态，远程组态配置各站参数，实现故障监测和及时维护，提高信息化系统测控设备的管理效率。

5.2 效益分析

项目的实施将灌区有限的水资源进一步优化配置、优化调度，特别是通过各关键节点的水位情况及时调度分配，每年可利用汛期涝水1 200万m3，每年节约农业用水1 650万m3；按照灌区供水成本价0.089元/m3计算，以上两项每年节约254万元。通过灌区雨量点的监测，提前对旱涝灾害进行预判，及时调度关键涵闸的开启，有力减少了旱涝灾害对灌区带来的损失。同时，将灌区有限的人力资源从水位、雨量测报及闸门、泵站监测等工作中解放出来，为灌区节省了大量的人力物力。

6 发展及展望

随着信息技术的高速发展，国家大力倡导基于互联网+的信息技术发展方向。目前，云计算、物联网、大数据及智能移动终端等信息平台技术逐步成熟，阿里云、中国移动OneNET云等一批信息服务已经开始商业推广应用，基于5G技术的高速无线通讯平台进入初步试点建设阶段。灌区信息化系统的技术发展和建设，必须在以下几个方面进行技术拓展：

(1)将传统的RTU、PLC为核心的测控终端整合为以RCU(远程测控单元)为核心的灌区遥测遥控站，支持物联网通讯平台，具有排灌站现地采集及可编程控制功能。

(2)RCU采取高可靠性低功耗黑匣子设计理念，其应用及管理采用智能移动终端APP操作化，支持现地及远程操作管理。

(3)数据存储、处理及服务租用云计算平台，逐步减少或取消灌区中心站的网络、服务器等硬件建设，降低系统建设和维护的经济及人力成本，提高系统软硬件平台的可靠性。

(4)建立以专业水文、水工、水环境应用模型为基础的大数据处理软件平台，为灌区的水利、水工、水资源及水生态环境调度决策提供高级技术支撑。

(5)基于B/S模式的客户端计算机离散配置及个人移动终端管理模式，提高灌区信息化应用的灵活性、实用性和高效性，降低管理平台建设的软硬件及维护服务成本。

7 结 语

凤台县永幸河灌区信息化建设项目的实施，突破传统的灌区管理模式，极大地增加了灌区管理的科技含量。灌区有限的水资源得到优化配置、优化调度，在汛期可将多余洪水及时进行调度分配，减少了汛期弃水。对灌区情况进行科学的分析和预测，可减少农作物用水量，将节约的农业用水用于工业生产及生态用水。项目的实施将通过灌区水量控制，提高用水效率，增加配水的均匀性和及时性，从而提高农民收入，促进社会稳定。同时，通过节约用水，将节余的水转向工业和城市居民生活用水等部门，提高灌区的经济收入，实现灌区的经济自立，稳定水利职工队伍，促进灌区管理水平的进一步提高。

灌区信息化系统的建设与应用，可有效减少用水调度管理的随意性，减少用水户的水事纠纷，增加了量水的公正性、配水的均匀性，使灌区整体效益提高。无论是从保障人民生存的基本权利，还是从社会稳定、提高农民收入来讲，信息化管理必将极大地提高灌区管理水平，提高水的利用率和利用效率，增加粮食单产和总产，提高作物品质，将有力促进农村经济的发展和“三农”产业链的形成。