深圳市铁岗与石岩水库水务信息化建设与应用

　　一、 引言
　　2009年12月，《深圳市铁岗与石岩水库水务信息化系统》和《铁岗水库扩建工程综合自动化监控信息系统》相继开工建设，以大坝监控监测、水质在线监测、闸门自动控制、视频实时监控、水情自动测报、供水计量监控六大子系统建设为核心，共建设20公里的市政内外网和环库光纤,采用先进的三维WebGIS技术，将气象、水情、计量、视频、大坝、闸控、水质等各类工程信息资源进行了有效整合，实现了三维场景的信息实时定位查询，构建以水库安全运行为主体、数据资源共享为一体的综合信息平台。
　　本文详细介绍水务信息化建设与应用，探讨建立水务信息化建设与维护管理的长效运行机制。
　　二、 信息化建设主要内容
　　序 项目 《铁岗水库扩建综合自动化》 《铁岗与石岩水库水务信息化》
　　1 大坝安全监控77支渗压计 铁岗主坝5个断面共40支、1#副坝3个断面9支渗压计 石岩主坝7个断面共28支渗压计
　　2 闸门自动控制 铁岗5套闸门自动控制及改造 石岩2套闸门自动控制及改造
　　3 视频监控
　　56个数字视频 铁岗水库主坝就近的22个光纤视频 铁岗水库14个库区无线视频,石岩水库14个光纤视频及6个库区无线视频
　　4 水质监测
　　4套在线监测 无 2套供水口九参数水质站房,2套河道入口五参数水质站房的在线水质监测
　　5 市政内外网 无 在宝安区政府信息网基础上构建千兆局域网和百兆党政专网
　　6 信息集成 集成水情自动遥测(12个雨量站)及GRPS供水计量监控(24个供水点)
　　7 中控室及大屏显示 管理处今日水情LED、铁岗所水情显示屏 调度中心DLP大屏系统、
　　石岩中控室改造及电视墙工程
　　8 三维WebGIS系统 无 基于SkyLine的三维WebGIS及综合信息平台软件开发
　　铁石信息化综合体系框架
　　按照国家水利信息化综合体系的构成原则与技术划分，铁石水务由信息采集监控体系、资源共享服务体系、综合业务应用体系和信息化保障体系构成铁石信息化综合体系，采用国际上先进的三维WebGIS技术，将各类工程信息资源进行了有效整合，构建以两大水库安全运行为主体、六大子系统为核心的交互性强、功能齐全、资源共享、安全高效的铁石信息化综合体系。
　　（一）信息采集监控体系
　　信息采集监控体系主要包括水务信息化网络系统、基础信息采集系统和工程远程监控系统三个部分。
　　1、水务信息网络系统
　　信息网络系统是信息化资源共享及交换的基础和核心，由于下属管理所、管理站均分布在深圳市宝安区内，为充分共享宝安区政府信息网络资源，在铁岗、石岩、塘头管理所和茅洲河管理站分别铺设光纤到政府就近的信息网节点(节省大量的电信管道租赁费用),即末端采用自主光纤，最终在区政府信息网万兆路由交换机基础上构建铁石千兆局域网，并共享区政府百兆Internet网上冲浪及短信告警平台。
　　由于铁岗林场管理站离区政府信息节点太远，为节省投资，铁岗林场管理站与西沥取水口铺设光纤，在西沥取水口与管理处楼顶安装点对点5.8G无线网桥BB100-E（100M无线主干带宽），优化组网模式，采用有机和无线相联合的模式构建数字网络视频监控系统，系统具备成本低、带宽高、视频传输能力强、稳定性好等特点。水务信息化系统已基本实现网络覆盖到每一处办公点，让高速网络惠及到每一位员工。
　　2、基础信息采集系统
　　信息采集系统主要负责水务信息的基础数据实时采集，水务信息化包括：两大水库供水口九参数水质站房采集点2套、河道污水入口五参数水质站房采集点2套，供水计量采集点24个；水情雨量站采集点8个、水位雨量站采集点2个、蒸发站采集点2个、水位计采集点3个；覆盖两大库区的数字视频监控点71个；大坝安全监测点共77个，其中铁岗水库主坝安全监测点(5*4*2)40个、铁岗1#副坝安全监测点(3*3)9个、石岩主坝安全监测点(7*4)28个；小流域截污工程远程闸控。
　　（1）水质信息采集
　　水质在线监测系统采用最先进的模块化系统设计理念，以自动监测技术为基础、在线自动分析仪器仪表为核心、集成德国科泽先进的分析仪，实现一体化在线监测系统。可以实现水质的实时连续监测和远程监控，预警重大或流域性水质污染事故、有效监测水库周边污染源对水库水质的影响，及时了解供水水质状态，更好地保护水环境、服务于社会，通过在线设备监测水质的变化，为科学管水提供依据。
　　在铁岗九围河和石岩河口入水口建立五参数水质站房，常规5参数即水温、PH、溶解氧、电导率、浊度，其中石岩河口五参数和石岩截污一标总磷与氨氮两参数互补建成七参数水质站，若发现水质不达标，根据需要将启用截污工程泵站把污水抽进市政管网；铁岗九围河正在实施小流域截污工程，将有效减少污水的入库流量，九围河水质数据通过无线视频通信方式传输。
　　在铁岗与石岩2#涵闸供水口建立九参数水质站房，九参数水质在常规五项（即水温、PH、溶解氧、电导率、浊度）基础上增加总磷、总氮、氨氮、高锰酸盐指数COD，供水源头水质采集可有效地保证生活用水的安全，让深圳市民喝上“放心口”，提高对污染事故的快速反应能力，及时防止源水污染扩大。
　　在线水质系统具有定时自报和召测工作方式、定期自动清洗和自动校正等功能、可在无人值守的条件下长期工作。今后可扩展包括有机碳（TOC）、生物毒性、叶绿素、重金属砷、铅、镉等在线分析系统。
　　水质测定方法如下：
　　序 仪表 检测方法 国标 量程 设备
　　1 COD 高锰酸盐指数的测定 GB11892-89 0.00-5.00MG/L 德国科泽
　　2 总氮 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 GB11894-89 0.0-20.0MG/L 德国科泽
　　3 总磷 钼酸铵分光光度法 GB11893-89 0.00-10.00MG/L 德国科泽
　　4 氨氮 水杨酸分光光度法 HJ536-2009 0.000-2.000MG/L 德国科泽
　　5 浊度 红外散光分光光度法 GB13200-91  德国科泽
　　6 溶解氧 隔膜电极法 GB11913-89  德国科泽
　　7 电导率 电极法   德国科泽
　　8 PH 玻璃电极法 GB6920-86  德国科泽
　　9 温度 水银电极法 GB13195-19  德国科泽
　　（2）供水量信息采集
　　GPRS无线通信具有①数据安全性好，时延短；②传输快，速率大于20k/s,理论上可达171k/s；③主机只有一个公网IP地址，实时在线；由于供水计量点地理位置相对独立，具有分散性，为节省投资和月租费用，GPRS供水计量系统每4分钟采集一次24个水表的瞬时流量和累计流量，为水资源合理配置提供可靠的信息支持和决策依据。
　　《供水计量发布》：应用短信告警平台，综合信息平台每天8点自动发布当天水表读数、供水量、库水位等给相应水厂的领导和值班人员，下例为发布给朱坳水厂的短信。
　　最后通过整合水雨情、供水计量、水质等基础信息数据，构建水情水文智能管理系统，结合供水计量发布，从技术上彻底解决了长期以来“供水读数到现场人工抄表”的传统作业方式，经过1年多的运行，水文人员和水厂都已形成默契，只需要查看手机短信，不需要同时到水表现场抄表，节省了大量的人力物力资源，得到了用户水厂的高度评价！
　　（3）雨量水位信息采集
　　铁岗与石岩水库集雨面积为64+44=108平方公里，按照每10平方公里分布1个雨量测点，共布设10个雨量站，这样通过泰森多边形才能准确的计算出降雨分布(产流的流量与汇流的时间)，正确及时地做出洪水预报。
　　水情自动测报系统由2个中心站、8个雨量站、2个雨量/水位站、2套蒸发器组成，各监测站实时水情通过市三防专用超短波230M发送到铁岗中心铁塔，由于铁岗水库库围47.8公里，为提高数据接收可靠性，在铁岗管养房B栋楼顶已建设5米高的数据通信塔，可同时接收铁岗和石岩所有超短波水雨情数据，当降雨量每增加0.5mm、水位每变化1cm时发送数据到中心站，完成数据的自主上报。
　　（4）库区视频监控
　　为保障大坝安全，对水库大坝、库区主要出入口及配套工程的重点部位进行监控，铁石水务信息化已建设56个数字视频，2011年7月新增了11个大运反恐视频，加上已接入的4个市区三防监管视频，集中存储管理的数字视频已达71个，信息化视频存储容量高达26T，并将继续扩容，为水库安全运行提供了可靠的保障。
　　主坝附近主要采用铺设光纤，在库区远端通过5.8G无线网桥通信，采用有线和无线相结合的通信方式，大量节省投资成本，打造水库管理的精品工程。
　　（5）大坝安全信息采集
　　结合水库的基础工程信息，以及汛期高水位下发生变形、裂缝、渗水、管涌、滑坡、决堤等险情的实时工况，并根据环境量、人工巡查、实时视频等对大坝安全作出评估，为及时发现异常，有效监控大坝和三防调度提供保障。
　　监测内容包括：巡视检查、表面变形、渗流量、坝基/坝体渗流压力、水库水位/降雨/气温监测等；
　　大坝安全信息采集包括铁岗与石岩主坝共77支渗压计，主要监测断面上压力分布和浸润线位置，通过采集大坝安全信息，结合人工巡视检查信息，为大坝安全状态评估、大坝安全运行和水库调度方案提供可靠的信息支撑。
　　铁岗主坝坝体采用测压管法，5个横断面，每个断面4支共设20支GK4500S钢弦式渗压计；坝基和坝体采用同一个钻孔,共埋设20支，，在铁岗主坝下游坝后设1个量水堰测量点。
　　铁岗1#副坝采用测压管法，3个断面共设9支坝体测压管渗压计，坝后设量水堰1个。
　　石岩主坝监测利用原有的测压管，7个横断面，每个断面4支共安装28支钢弦式渗压计；在主坝下游设2个量水堰测量点。
　　3、小流域远程监控系统建设
　　小流域计算机监控系统要与现有信息化系统相融合，在管理处与九围河泵站调度室构建100M无线主干通信系统，对小流域截污工程系统进行实时监控、统一调度，保证各泵站工程更加安全、可靠、经济地运行。
　　（二）资源共享服务体系
　　资源共享服务体系主要实现水务信息资源的存储管理、共享与交换、发布与应用，主要包括：
　　1．基础数据库建设：包括水雨情数据库(NSY)、闸门控制数据库(Scada)、大坝安全数据库(dam-server1)、供水计量数据库(JYRDC)、档案管理数据库(archive2008)、洪水预报数据库、信息化应用核心数据库(teigang)，同时利用大型三维GIS地图库(SZ-final-preview.mpt)，实现基础数据库的海量信息整合，结合先进、成熟的GIS软件平台对各类数据进行一体化管理，为信息服务系统提供应用支撑。
　　2．利用大型商用三维GIS地图库(SZ-final-preview.mpt)，铁石三维GIS地型图坐标范围为左上角(104000，48000)、右下角(91950，23950),铁岗、石岩水库蓝线保护区1：1000,蓝线外区域1:2000；遥感影像(航片)为2008年拍摄的航空影像数据，精度达0.2米。
　　实现基础数据库的海量信息整合，结合先进、成熟的GIS软件平台对各类数据进行一体化管理，为信息服务系统提供应用支撑。
　　3．数据共享和交换平台：实现跨平台、跨系统、跨应用的网络互联数据共享与交换，完善水务信息共享技术标准，实现数据采集、数据处理、数据建库、数据发布和数据共享的标准化；构建与水利部门系统内部进行信息交换的平台，利用统一和开放的数据标准实现信息交换。
　　短信告警平台：采用宝安区政府先进的短信交换平台，整合移动、电信、联通短信平台共享为一体(短信流量6万条/月)、实现日水情、供水计量、故障告警自动发布及会议通知等。
　　①日水情发布：8:30自动发布当日8:00水情水文工况数据;
　　②供水计量发布：8点自动发布水表读数、供水量、库水位给相应水厂的领导和值班人员；
　　③故障告警：计量实时告警、视频离线告警等故障时通告相关人员;
　　④会议通知:短信群发功能、三防值班轮巡通知等。
　　4．数据中心建设：充分利用已建的网络设备和系统设备，进行存储管理、数据共享与发布系统、数据备份与恢复系统等服务，逐步完善数据汇集、管理和维护等运行机制，开展洪水、水源、水污染预报与调度模型的开发研究。
　　（三）综合业务应用体系
　　综合业务应用系统是水务信息化建设的核心内容，将进一步深化信息化手段在水资源管理、水环境监管及水污染治理、水务工程建设与管理和水务行政资源管理等领域的应用，推动涉水事务管理的现代化和精细化。
　　1、水务信息化综合应用系统
　　在整合现有数据库和系统资源的基础上，基于水利信息的完整性、可靠性和规范性，深入开发新的水务信息综合数据库，建立一套集中管理、安全规范、充分共享、全面服务、具有大容量、高效率的的综合数据库信息平台。同时，借助综合数据交换系统，实现分布式数据库的数据共享服务，遵循各子系统的数据结构规范设计，实现各子系统之间的信息共享和交换。
　　综合应用是建立在webGIS(地理信息系统)应用上的综合信息化平台，系统整合了水库管理工作的所有业务信息资源，实现了信息的集中管理、用户集中认证，能根据权限级别提供不同的信息服务和管理操作，主要包括数字水库、水雨情遥测、GPRS供水计量监控、水质在线监测、闸泵自动控制、视频实时监控、大坝安全监测、水库日常业务和系统管理等功能。
　　2．水库三维GIS应用
　　采用SkylineGlobe的TerraSuite作为三维WebGIS的开发及发布平台，融合航空影像、卫星数据、数字高程模型和其它的2D或3D信息源构建三维地形数据集，通过金字塔结构创建可视化三维地形场景，实时的融合海量的栅格和矢量数据并进行发布，通过客户端浏览器方式将地理空间数据迅速传输给用户。
　　水库主坝等主要建筑物需要逼真的实时渲染效果，应用三维地形场景建筑模型矢量叠加原理，制作精细模型，使管理处、铁岗/石岩/塘头管理所办公楼及主坝场景内容更加丰富、真实。
　　水库工程主要包括水库主坝、副坝、溢洪道、溢洪道闸门、分洪闸、提（抽）水泵站、出入库管线、石松供水工程、在建工程等，可在线查询工程的基本情况、特征参数、工程图纸、实景照片等信息，同时水库高程分布专题图可根据用户选择的高程步长（10米、5米、3米、1米、0.5米）进行色彩分层显示。
　　采用国际上先进的WEBGIS技术，实现基于三维场景的水文、水质、大坝、视频、地下管网、线路铺设、水库专题、在建工程等信息的实时定位查询。
　　3．水务指挥调度系统
　　水务指挥调度系统是信息化指挥调度平台，负责调度小流域远程闸控等其它相关系统，由硬件和软件设施组成，硬件设施包括网络系统、调度室DLP大屏显示系统、大堂LED日水情显示系统、多媒体会议系统、UPS系统、防雷接地系统、短信群发系统、视频监控系统等；软件设施主要是铁石综合信息平台，在整合各子系统信息资源的基础上，实现对信息的综合查询与分析，为决策提供信息支撑；
　　调度室DLP大屏显示系统:管理处新综合楼5楼调度中心，面积约64平方米，由2*2块60寸DLP大屏幕+6台42寸液晶电视机构成，是信息化指挥调度系统中心,为领导决策提供参考。
　　4．视频实时监控
　　为加强水库枢纽区域安全管理，保障大坝安全，对水库大坝、库区主要出入口及配套工程的重点部位进行监控，帮助管理人员实时了解重点地区的安全隐患、水情及灾情等，提高水务重点防控地区突发事件的应急处置能力。
　　两大水库无线通信设立两个视频中继站，其中铁岗松坳中继站:建设17米高标准通信塔，安装2套60度扇区天线主站，总带宽为54M；石岩上屋山中继站：建设15米标准通信塔，安装2套60度扇区天线主站，,2组带宽均为54M；
　　铁岗水库库面约10平方公里，库围47.8公里，由于无线视频必须完全可视，因此在铁岗水库库区设立瞭望塔和西沥2个无线中转站。特别是铁岗林场有4台办公电脑，需要同步监控铁岗库区视频及Internet应用(林场与西沥取水口光纤相接)，由于西沥中转站理论带宽为12M，视频监控经常处于瘫痪状态，经过流量发包检测，铁岗林场电脑上网及反调视频占用非常大的带宽，2011年5月中旬，瞭望塔和西沥中转站与管理处楼顶重新安装两套点对点的BB100无线设备，中转站无线主干带宽升为100M，高带宽保障了铁岗林场办公系统和瞭望塔无线视频的畅通无阻。
　　石岩水库库面3.17平方公里，库围20公里，为保障石岩湖后桥和老管养房续接的光纤视频，在石岩上屋山中继站新增加了一套VL54M点对多点设备，确保石岩湖后桥和老管养房主干带宽为27M；
　　同时，为防止网络广播风暴,必须在主干交换机(H3C5600千兆三层)上设置独立视频VLAN、服务器VLAN、用户VLAN专区，减少相互干扰，实践证明，通过VLAN分区，超大流量的视频监控系统才能可靠、稳定地运行。
　　铁岗与石岩水库区域均为重点雷区，为保障库区野外视频头的安全，采取多项措施①视频立杆接地电阻小于4Ω，避雷针高出视频头1米以上；②安装三合一防雷器(云台、电源、视频头)；③取电端安装漏电开关，当有大雷电时，很可能首先击坏防雷器，实践表明，漏电开关跳闸有时取到关键性的保护作用。信息化现有71个视频点，经过一年多的运行，已打坏5个视频头，其中10个电源漏电开关在雷电时容易跳闸，需要事后人工合闸，尽管增加了一定的工作量，但仍不失为一种传统作业方式。
　　目前已上传西沥来水口、北线来水、铁岗/石岩主坝、溢洪道等8路视频到深圳市反恐办，并可供省三防总调用。
　　5．闸门自动控制
　　①闸门基本情况
　　闸门名称 数量 闸门形状 开度
　　铁岗
　　水库 溢洪道泄洪闸 2扇 10米弧形闸门 5米
　　 1#涵闸 1扇 4米平板闸门(拦污栅1道) 4米
　　 2#涵闸 1扇 4米平板闸门(拦污栅1道) 4米
　　 铁岗分洪闸 2扇 5米平板闸门 4米
　　 西乡分洪闸 1扇 5米平板闸门 4米
　　石岩
　　水库 1#涵闸 1扇 3米平板闸门 4米
　　 2#涵闸 8扇 4米平板闸门(4扇检修) 4米
　　已对上述七套闸门进行自动化控制改造，实现中心站和远程自动控制。
　　②控制权限顺序：设现地、中心站和远程三级。自动控制权顺序为：现地→中心站→远程；并设置就地/远方、手动/自动切换开关，其中现地手动控制级控制权最高，以保证在现地控制单元出故障时实现闸门的手动控制，从而提高系统的可靠性与可控性。
　　③控制原理：在闸站各配置了一套PLC测控柜，具有现地/远方保护控制、动作状态指示、开度显示等功能，并对闸站的上游水位(溢洪道下游水位)、闸门开度、过闸流量、视频监控点进行监控，确保人身与财产的安全。
　　自控信息集成：塘头泵站永久泵站的自动控制系统已经建成，待中控室搬迁改造工程启动后，需要整合永久泵站机组运行数据。
　　（四）信息化保障体系
　　信息化保障体系建设包括：研究信息化建设和管理体制，完善水务信息化标准体系，建立人才培训与保障体系，加强安全体系建设。
　　保障体系要重视人才队伍的建设，做好人才培养工作，加强信息化建设中的人才保障体系，制定并实施安全管理策略及相应的规章制度，健全安全管理机制。
　　四、结语：
　　深圳市数字水务第一期工程已全面启动，将联接深圳所有中型水库，构建数字水务平台，铁岗水库作为四大分中心之一,将承担重要的西部地区管理功能，铁石水务信息化将成为“数字水务”框架体系的一部分，并将实现与“数字水务”的有机融合。
　　铁石水务信息化是水库涉水业务广、技术复杂、涉及专业较全面的水库综合业务管理系统，系统的建成将有助于实现水库管理的科学化、精细化、高效化，对于提高水库的管理水平、服务社会意识和创建一级水管单位均具有重要的作用。