北京市南水北调某干渠自动输水系统设计

杨金凤 ，闫荣平 ，张秀微 ，罗 强

（1. 北京市南水北调环线管理处，北京 100176；2. 北京清流技术股份有限公司，北京 100071）

0 引言

南水北调中线工程受水区是我国水资源最为匮乏的地区，以京津冀地区为例，多年平均水资源总量不足全国水资源总量的 1%，人均水资源量只有全国人均水资源量的 10.8%。在水资源严重短缺的情况下，仍存在过度开发利用地表水、大量超采地下水、水质恶化等现象，造成地下水超采面积占总面积的 90% 以上，形成了 33 个地下水位降落漏斗区。这些问题，对于北京这样高速发展、人口高度集中的区域更为明显。

为应对水资源短缺与过度开采问题，需要加强水资源优化配置，调水、输水工程被提上日程。当前利用渠道、管道输配水，主要围绕渠系、管道自动化控制理论和设备进行研究：孙静[1]针对抽水系统自动化控制问题，以研究自动化控制为主线，基于自动化控制技术及管理方法展开分析，意在提升系统的技术和管理水平；李静等[2]针对南水北调中线干线工程自动化调度与运行管理决策支持系统总框架，提出根据水量调度特点，开展调度决策系统的研究和建设；陈平货[3]针对南水北调供水配套工程上街输水管线工程地质问题，从改善输水管道地质问题着手，加强输水管道工程建设质量。这些方式方法，可针对性地解决输水问题，但是针对取水管道长、建筑物众多的北京市南水北调某干渠（以下简称某干渠）渠系，这些方式方法存在较多不足，必须建设一套先进、可靠的自动输水系统，以保障渠系输水系统的科学性、时效性和高效性。

1 自动输水系统设计

为解决某干渠输水问题，顺应自动化、信息化、智能化的潮流，以“无人值守、少人值守”为目标，采用“集中管理、分散控制”的理念[4]，分为以下 5 个系统进行管理：

1）监控系统，是智能化输水、调水的核心，可实时监视和控制沿线泵站、闸门等设备设施[5]，对供水沿线压力、水量、水质等参量进行采集，监测，传输和存储。

2）视频安防系统，对沿线设备重点部位进行图像采集及存储，是系统安全运行和管理的辅助手段，也是监控系统采集、存储的通道和保障。

3）通信及计算机网络系统，是电子化办公的辅助设施，也是监控系统数据传递的基础。

4）水质监测系统，是掌握水体状态的重要手段，也是自动输水系统重要的子系统之一。

5）安全监测系统，对设备运行状态进行监测、分析和预警，为输水安全提供保障。

2 自动输水系统解析

2.1 监控系统

监控系统是以计算机为基础的开放式分层分布式控制系统，由站控级和网络设备及各现地控制单元组成。在某干渠枢纽调度中心可对各监控站点设备进行监控，实时采集设备工况信息，实现对沿线重要节点压力、流量、水质等的采集和监测；根据调度命令，远程操作机电设备，实现调水控制。同时监控系统是自动输水系统的总控制室，也是调水智能化的核心，可对沿线用水进行统一调度，监控系统结构示意图如图1 所示。由图1 可知：监控系统借助监测和视频监控设备、操作系统及监控软件，可实现数据采集、存储、分析，以及设备远程操作。

图1 监控系统结构示意图

监控系统包括以下功能模块：

1）在线监测模块。可在线采集、传输和存储水质，压力，水位，温度，流量等数据，只要输入查询条件，即可查询相关数据，以表格的形式展示数据报表，在报表上可看到瞬时流量、累计流量、调流阀位、阀前后压力、水泵状态等数值。

2）站点信息管理模块。对各监控站点信息进行管理，实现信息的增加、删除、修改、查询等操作。

3）数据报表管理模块。可生成年、月、日等报表，也可生成水质、水位等报表，报表可导出，打印。

4）故障报警模块。故障报警模块首页显示实时报警信息，当水质、水量、设备运行状态等数值超过阈值，可自动报警，也可查询历史报警信息。

5）设备运行状态监控模块。对泵站（泵组、单泵、机组等）、取水阀、分水口、排空井等设备的，信号指示灯状态、阀门阀位、闸门开度、管道压力等进行实时监控。输入查询条件，可查看设备的运行画面和参数情况（如压力参数、开机时间等）；当水位、水量、压力等参数达到阈值时，可自动调控设备，如水位、水量过高，可自动调节阀门、机组等设备，直至水位、水量降到相应数值；在紧急情况下，点击急停按钮，可执行紧急停机流程。

6）远程调度控制模块。通过监控工作站，对电动蝶阀、闸门启闭机、清污机等设备，进行启、闭、停控制；对水泵机组的启/停机顺序、事故和紧急停机进行控制；对水泵机组的闭环优化进行控制；取定值控制，如对调流阀压差进行调节，通过出口的压力设定值及进、出水口的压差，对调流阀的开度进行控制；对单个具备 ON/OFF 操作的设备，实现 ON/OFF 控制操作。

远程控制的优先级别，以闸门控制为例，就地控制（一般采用厂家自带控制柜控制）级别最高，现地远控（采用 PLC 上自带触摸屏控制）控制级别次之，远程控制（站点值班室或调度中心上位机控制）控制级别再次之。主要运用判断条件实现软件互锁，判断条件的首要条件是转换开关的状态，当转换开关打在远程位置，PLC 远程控制的首要条件满足，同时现地控制的首要条件不满足。

7）系统管理模块。可实现登录、密码修改、注销、用户配置、时间同步、屏蔽强制等操作。普通人员无权对系统进行操作，需通过登录界面登录；管理员可对系统用户进行修改、配置等操作。

综上所述，监控系统是渠系监视、控制和调节的主要手段，也是故障诊断、系统运行参数设定或修改等管理和维护工作的接口[6]。通过自动化、远程操作，可确保输水、调水、水质等参数在可控范围内，可大大提高水资源管理效率，有效保障沿线设备设施的安全有序运行。

2.2 视频安防系统

视频安防系统对沿线设备图像采集信息进行实时传输，是采集、存储的通道和保障，也是保障系统安全运行和管理的辅助手段。与常规视频监控不同的是，在某干渠枢纽调度中心监控系统中，增设了电子围栏系统，故视频安防系统分为视频监测点、脉冲式电子围栏安防系统 2 类。视频安防系统部署在 1～4 号水厂分水口，视频监测点包括前端、红外报警、存储及显示等设备，以及操作系统、视频管理软件等。

在水利系统中，经常出现非法翻越周界护栏偷盗、破坏设备的现象，此种行为存在严重的安全隐患。传统的水泥墙、栅栏等物，不能做到及时检测、报警。电子围栏可很好地解决这个问题，对不法分子的强行入侵起到警示作用[7]。视频安防系统采用脉冲式电子围栏，每 50～100 m 设置 1 个防区，采用 12 线制系统。脉冲式电子围栏安防由电子脉冲主机、前段围栏、红外对射探测器等设备组成。根据现场环境，电子围栏可围成三角形、四边形或不规则的多边形，当有人翻越时，报警喇叭和红色报警灯发出警报，摄像机实时抓拍图像，达到警示和记录的作用，做到“三管齐下”[8]。电子围栏可设置为 24 h 全天候、全方位监测，警戒等级可达最高级别 Ⅲ 级。

电子围栏的介入，与防护系统的发展理念“阻挡为主，报警为辅”不谋而合。尤其对无人值守区域，可避免人工判断影响系统的客观性、实时性、准确性。特别是引入预警概念，在入侵者未真正实施之前，可避免犯罪行为，将损失降低到最低。

2.3 通信及计算机网络系统

通信及计算机网络系统是电子化办公系统的辅助设施，也是监控系统数据传递的基础，信息的通达性和安全可靠性是保障渠系建设的重要指标。通信及计算机网络系统分为控制专网、业务内网及外网等系统。控制专网为监控系统的信息提供承载服务，负责阀门、闸门、水泵电机等设备的监控，以及水位、压力、水质等数据的传输，系统示意图如图2 所示；业务内网承载工程安全监测数据的采集，以及视频安防、视频会商、语音的数据传输等业务；业务外网可提供外部 Internet 连接服务。

图2 控制专网系统示意图

在网络系统中，控制数据是最为关键的，因此控制专网采用冗余双环工业以太网结构设计，当 A环网故障发生后，数据可通过 B 环网进行传输。沿线配置以太网交换机，通过主干光缆，串联接入到 2 号水厂分水口核心高端工业以太网交换机，再通过主干光缆上联到干渠枢纽调度中心。

业务内网的整体架构采用“星型 + 环形”组网方式，业务外网的整体架构拟采用“星型”组网方式。均在站点设置交换机，通过主干光缆上联到干渠枢纽调度中心核心交换机，通过网络将数据、语音、动态图像等进行传输，实现网络间的互联互通。通信及计算机网络系统覆盖在 1～4 号水厂分水口，以及沿线 50 处排气阀井的视频监控点。

控制专网和业务内网系统中的数据和视频图像的安全性要求最高，因此保持物理隔离是最重要的措施和手段。业务外网为互联网出口，在干渠枢纽调度中心互联网出口部署 IPS（入侵防御系统）和防火墙（含应用控制网关功能），保障出口安全和 QoS（服务质量）。

2.4 水质监测系统

南水北调水源地丹江口水库，水质常年保持在国家Ⅱ类水质以上，输水后，需要确保沿途水质安全。水质监测系统位于枢纽调度中心，由站房、仪表分析单元、取配水单元、控制系统、数据采集/处理/传输系统等组成，水质监测系统结构图如图3所示。采水系统进行水样采集预处理后，供五参数（pH、水温、电导率、浊度、溶解氧）、COD 和 Mn 有机物分析仪等仪表使用，由工控设备进行数据采集和处理，在工控机上可以显示最新的浊度、pH、电导率等数值，数值最终通过网络传输到监控系统。输入查询条件，如输入起始和终止时间，在水质报表中，可查看五参数、其他参数（氨氮、总氮、总磷、COD 等）相关数值。

图3 水质监测系统结构图示意图

根据 GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中指标限值规定[9]，结合水质数值范围，可知 pH、溶解氧、氨氮、总磷、总氮均可达到Ⅱ类及以上水质标准要求。结合以往水温数据，可知水温符合水质标准，即周平均最大温升小于等于 1，周平均最大温降小于等于 2。

水质监测系统相比传统的人工现场采集、实验室仪器分析为主的监测模式，能够实现实时连续监测，达到及时掌握水体水质状况、预警预报水质污染事件的目的[10]，在水环境监测中发挥至关重要的作用[11]。当水质没有达到水质标准要求，水质监测系统可及时预警，提高水环境的质量，进一步保障南水北调沿线的供水安全[12-13]。

2.5 安全监测系统

安全监测系统实现对隧洞上部地表沉降、管片及衬砌内钢筋应力、混凝土应力应变、渗透压力、周边地下水位，以及工程建筑物沉降、钢筋混凝土及钢管应力应变、底板渗压等的监测。安全监测系统为保障监控系统的顺利开展，将 35 套 MCU 采集终端安装在内观设备（钢筋应力计、混凝土应变计、测缝计、渗压计）附近，安全监测系统结构示意图如图4 所示。由图4 可知：采用微控制器 MCU 采集设备运行状态参数，通过协议转换器转变为数字信号，由专用光纤传输到枢纽调度中心上位机，在上位机的软件中形成数据报表，方便实时查询，数据最终存储在枢纽调度中心服务器上。在枢纽调度中心可直观查看、分析、评估设备安全运行状态，当参数超过阈值，可报警提示。

图4 安全监测系统结构图示意图

3 自动输水系统应用成效

北京市南水北调某干渠自动输水系统建成后，取得的成效如下：

1）提高管理水平。相比以前的人工操作，自动输水系统极大提升了输水工程的管理水平，使得工作人员劳动强度降低了 70%，保障了沿线 4 个分水口、5 处排空井、51 处排气阀井、4 座闸站的安全有序运行。

2）优化水资源配置格局。自动输水系统确保沿线 44.7 km 管道输水，每年可提供水量 11 193 万 m3，预期到 2030 年地下水开采量将减少至 27%，有效缓解了水资源短缺与过度开采问题，进一步优化了水资源配置格局。

3）保障供水安全。通过调控设备，水质常年保持在国家Ⅱ类水质以上，控制断面的水位变幅每小时不超过 12 cm，连续 24 h 水位变幅不超过 30 cm，当水质数值超过阈值时，系统及时报警，保障沿线的供水安全。脉冲式电子围栏视频安防系统的应用，为供水安全提供了双层保险，使得供水系统可靠性更强。

4 结语

调水、输水是北京市南水北调某干渠重要的建设内容，本研究提出的自动输水系统设计，具有很好的实时性、可靠性、可用性，充分利用自动化、信息化、智能化等先进技术，克服了传统人工手动操作模式的局限性，完全可以实现对沿线调水、输水的自动化控制。通过自动输水系统，可确保沿线供水量和水质安全，缓解北京地区水资源短缺与过度开采问题，强有力地支撑北京市经济社会发展，也为整个南水北调中线供水工程稳定、高效、科学、安全运行提供保障。自动输水系统成功的经验，后续可推广至整个南水北调工程乃至其他输水工程。