淺析瑪納斯河河谷水源地水資源監控及優化調度系統

江有成

(新疆瑪納斯河流域管理局，新疆 石河子 832000)

瑪納斯河河谷水源地工程位于新疆瑪納斯河出山口低山丘陵區的河谷南山洼地，南山洼地范圍東起呼圖壁河，西至金溝河，東西長度為100km，南北寬度為11km，面積約為1000km2，南山洼地內沉積著巨厚的第四系砂卵礫石層，滲透性良好，河流通過此帶時大量滲漏，在紅山嘴第三系隆起低山地帶形成天然地下水庫[1]。地下水以泉水的形式出露，經過瑪納斯河河谷紅山嘴進入北部沖洪積平原區?，敿{斯河多年平均徑流量為13.41億m3，來水量季節分布不均，主要集中在6—8月，春季瑪納斯河灌區農業“卡脖子旱”現象時常發生[2]。

新疆瑪納斯河雖存在地表水資源匱乏的問題，但地下水資源十分可觀，如果能夠將地下水進行合理調度，并優化分配，則可以有效解決上述問題[3]。在需水過程和系統硬件已定的情況下，水資源優化調度充分利用該地區地下水水位變化的不同步性和各個壓力前池庫容特性的差異，可最大限度地發揮水資源的綜合利用效率?；谠撍枷?，新疆瑪納斯河流域管理局開發建設了瑪納斯河河谷水源地。該水源地采用管井結合井群取水方式，實行遠程自動控制和現場控制相結合的運行方式，并建設了遠程信息監控系統和井群現地監控單元，以保證需水和供水的有效平衡，同時基于井群現地監控單元采集到的相關信息進行分析和決策，從而實現水資源的優化調度[4-5]。

1 水資源監控系統總體方案

水資源監控系統主要由遠程信息監控系統和井群現地監控單元組成，在設計的過程中采用了現代信息采集、優化決策、自動控制等軟硬件技術手段，按照“無人值班，少人值守”的設計原則，在高速寬帶計算機網絡基礎平臺上，實現遠程信息監測及自動控制功能。水資源監控系統總體方案見圖1[6-7]。

圖1 瑪納斯河河谷水源地水資源監控系統總體方案

遠程信息監控系統設置在井群供水管理站和新疆瑪納斯河流域管理局內，可根據水源地機井(壓力前池)的水位及總體用水需求情況，調整井群現地監控單元所控設備的運行狀態，實現調度管理控制的一體化、自動化。管理人員通過網絡即可完全掌握所管理區域內任意一口水源井及供水分水口運行設備的工作狀態、機井水位、管道壓力、管道流量以及設備故障等信息。該系統不僅能夠顯示水源地機井和分水出水口的過程參數、趨勢圖、設備狀態等信息，還能對監測數據進行分析，基于模糊控制算法實現對水資源的優化調度。

井群現地監控單元(LCU)主要由PLC作為控制核心，設置于各個機井房內(共計36套)、壓力前池(1套)、分水口(1套)。該單元收集各個機井、壓力前池和分水口的信息，并執行對潛水泵和閥門的控制，通過工業以太網與遠程信息監控系統相連，組成一個分散控制系統，實現對整個供水過程的實時監控，確保整個供水過程的運行安全。通過分散控制、集中管理的思想，對瑪納斯河河谷水源地地下水資源進行合理的分配和調度，可有效解決流域內城市供水和工農業對水資源的不同需求。

2 井群現地監控單元布設及水資源優化調度

2.1 井群現地監控單元整體布設方案和功能

為實現對瑪納斯河水源地地下水資源的優化調度，在其周圍建設了36眼機井用于抽取地下水，每眼機井配套建設一套井群LCU，實現水源地的遠程監測、監控，并設置視頻監視系統對水井進行實時監視，以確保水井及管線安全。36眼機井抽取水后，匯聚至壓力前池予以儲備。當下游需水量大、壓力前池的水位下降時，根據井群監控系統采集到的實時水位數據，按照預設低水位報警值來調節機井控制系統，開啟部分機井供水設備，確保下游需水總量。當下游需水量減小，壓力前池的水位上升至預設高水位報警值時，則可通過井群監控系統關閉部分機井供水設備，保障前池供水安全，實現水源的優化調度。井群現地監控單元整體布設情況見圖2。

圖2 井群現地監控單元整體布設

在對單個機井進行抽水的過程中，實時顯示當前機井的水位值，如果水位值低于設定值，自動關閉取水井潛水泵，液位恢復后自動開機，從而對地下水進行保護，避免過度取水。且每個LCU都具有對電源狀態的監測功能，可以實時采集潛水泵供電電壓和電流，并基于內部算法分析電源是否處于正常狀態，從而保證設備的安全運行。

LCU采用3種工作方式，實現信息采集及控制功能。采用LCU控制權限優先的設計原則，當現地人員發現設備或系統出現問題時，可通過現場操作及時中斷遠程控制的進程，保障人員和設備安全。具體工作方式如下：

a.遠程控制工作方式。當控制柜的選擇開關處于“遠程”檔時，井群供水管理站或者局調度中心操作員可在監控站控制機井的啟停。操作員只需向計算機輸入“啟動/停止”命令，現地控制單元即可自動啟動或停止機井水泵運行。遠程控制時，控制柜上的“啟動/停止”按鈕被鎖定不能改變機井運行狀態，但機井數據采集系統仍能正常工作，將采集到的數據上傳至遠程信息監控系統。

b.現地控制工作方式。當控制柜上的選擇開關處于“現地”位置時，現場人員可利用控制柜上的“啟動/停止”按鈕操作機井。在該工作方式下，局調度中心操作員的遠程操作指令將被鎖定，不能改變機井運行狀態。機井數據采集系統不受影響可正常工作，將采集到的數據上傳至計算機監控系統。

c.檢修鎖定方式。鎖定“遠程”和“現地”兩種控制功能，禁止機井啟動或停止，實行機井檢修作業，確?，F場作業人員安全。

2.2 井群監控系統可靠性設計及實現

井群LCU運行處于新疆野外環境時，要求現場操作簡單扼要，易于運行維護及故障報警，因此需要將可靠性保障措施貫穿全過程?？煽啃栽O計及實現分析如下：

a.在實施過程中，由于采集儀器是數據的來源，所以采集儀器的可靠性是關鍵。因此，所有采集儀器設備在選型時，將可靠性作為重點考慮指標。

b.系統實施完畢后，設備之間電氣可靠連接是穩定運行的條件之一。因此，需重點考慮儀器設備之間電氣部分連接的可靠性，簡化處理環節，不附加無用功能，從而大大提高使用壽命和運行的可靠性。

c.采取完善的防雷電措施，各視頻監測點安裝浪涌避雷裝置，以消除電源線引入的雷電干擾破壞。

d.計算機網絡設備選用高可靠、高質量、應用成熟的產品，提高網絡設備及計算機設備的可靠性，從而提高整個系統的可靠性。

2.3 水資源優化調度設計及實現

為最大化地實現水資源的合理調度，在井群監控管理站基于模糊控制規則設計了優化調度算法，新疆瑪納斯河河谷水資源優化調度原理見圖3。

圖3 水資源優化調度原理

以下游需求為控制目標，實現對壓力前池中的存儲水進行優化分配,具體分配原則為按需分配。水資源優化調度的原理和步驟如下：

a.工農業和生活用水需水量，作為水資源優化調度算法的重要輸入信息，其準確獲取對于進一步采取的優化調度有重要意義，通常需水量由需水部門統計上報，并上傳至井群監控管理站。

b.實時采集前池水位信息，作為優化調度算法的第3個輸入信息。采用模糊專家經驗法構建水資源優化調度模型，具體調度規則見表1。將需水量劃分為無、低、中、高4級；將實時監測的水位與閾值比較后的狀態設置為2級，1為高于設定閾值，0為低于設定閾值。建立了14條模糊規則，這些規則均可以根據實際情況進行動態調整。

表1 水資源優化調度模糊規則

c.模型構建完成后，將實時獲取到的信息1、信息2、信息3輸入到表1，進行信息查詢，從而獲得優化調度的結果，即開啟多少機井水泵進行水資源的供給。

3 遠程信息監控系統軟件功能及實現

遠程信息監控系統的軟件主要實現信息的準確監測、實時傳輸，自動接收監控指令，準確計算控制量，在現地小閉環控制系統中，盡可能減少機井水泵的頻繁啟動，結合供水的特點設計合理的供水模式，實現節能、高效、安全的目標。遠程信息監控系統軟件功能如下：

a.信息采集：通過各種傳感器實時采集水泵工作電壓、過壓/欠壓/缺相、熱繼電器狀態、機井水位、管道壓力、出水流量等信息，存儲在LCU，為遠程控制提供可靠依據，為設備安全運行提供可靠的保證。

b.控制指令發送：遠程信息監控系統向LCU發送各種控制指令，LCU按照控制指令準確啟停水泵，實現閘閥的控制。

c.控制輸出：LCU接收到遠程信息監控系統發送的控制指令后，驅動現地控制單元相應的繼電器、接觸器，控制電動裝置完成機井水泵和管道閘閥的遠程控制。

d.控制通信單元：完成遠程信息監控系統與LCU實時的信息交換，并實時監測通信狀況，保證通信暢通。

軟件編程完成后，在遠程信息監控系統中可以查看整個控制過程，并對采集數據進行存儲和分析，對實時、歷史趨勢也能夠進行有效觀測，自動生成年報表供水數據，進一步輔助決策部門根據科學的數據分析進行水資源的優化調度。在新疆瑪納斯河河谷水源地井群遠程監控系統主界面(見圖4)中，可以對36眼機井的運行狀態進行實時監視(綠色為運行狀態，灰色為停止狀態)，同時在“控制窗口”可對當前機井(圖4中當前機井為35號機井)進行具體數據的監視和機井控制。

圖4 井群遠程監控系統主界面

由圖5井群遠程監控數據界面中可看出，井群遠程監控系統可對前池的液位和36眼機井的瞬時流量、累計水量數據進行統一顯示和存儲，這些數據是后續開展優化調度算法的基礎，同時也便于調度人員對整個系統的運行情況進行動態監視。

圖5 井群遠程監測數據顯示

4 結 語

城市的工業和生活用水對供水系統有著非常高的安全保障要求。做好供水水源地井群設備和供水系統的自動監控，及時掌握各種設備設施的運行狀況和用水需求，是科學制定供水運行方案，實現水資源的合理配置和統籌調度，確保整個供水系統安全運行的基礎。本研究在水源地井群建設的基礎上，綜合考慮了影響水源地安全供水的各種因素，詳細闡述了運用自動化相關技術，以及建設井群遠程監控系統的整體思路和運行模式，為工程運行管理單位根據獲得的數據進行科學分析、做出調度決策，向城市工農業和居民生活安全平穩供水提供了技術支撐和保障。同時，本文從優化調度的思路出發，解決了傳統水資源配置時過分依賴水資源本身的水量進行分配的單一決策和調度方式，實現了工農業和城市用水的優化調度，取得了預期效果，可以推廣至地表水源不足、地下水源豐富但不能被充分調度的相似地理和環境背景的地區。