引滦入津工程输水监控预警系统设计（孙中博,李宝琴,赵莉,刘学民）

时间：2022-02-22 15:11:36 浏览量：次

摘要：引滦入津工程输水监控预警系统采用先进的网络信息技术和分层分布的软件设计思想，建立一个综合有效的城市输水安全预警信息平台。建设主要内容包括输水建筑物和输水设施安全监控、水质分析及趋势预测预警系统、工程应急抢险系统提供组织体系、关键输水建筑物和输水断面的可视化管理四个部分。

关键词：输水预警系统

一、项目的背景和必要性

引滦沿途建筑物和设施种类繁多，有水库、隧洞、天然河道、电站、闸涵、泵站、明渠、暗渠、倒虹吸、自流道等，这些输水建筑物和输水设施的安全运行是雨洪资源利用和优化调度的前提和保障。如何准确、及时地诊断出建筑物的隐患和病害，对建筑物的安全性做出合理科学的评价意义十分重大。

建立引滦入津工程输水安全预警系统，具有两方面的含义：一是为预防灾害的发生，对关键输水建筑物和输水设施进行安全监控与评估，结合引滦20多年的管理经验，根据输水工程管理的流程、特点，建立输水安全保障体系，在危险出现之前提前预警，尽量降低和避免灾害发生的可能性。二是从信息化的角度提供信息支持，协助相关部门进行灾害处理和应急抢险指挥，最大限度地减少事故可能造成的损失，保证天津市的供水安全。

二、项目的主要内容和目标

（一）项目主要内容

该系统主要由输水建筑物和输水设施安全监控预警系统、水质分析及趋势预测预警系统、工程应急抢险系统和关键输水建筑物和输水断面的可视化监视系统组成。

1、输水建筑物和输水设施安全监控预警系统的主要内容是对关键输水建筑物和输水设施的安全进行监测，把专家经验、人工智能技术、计算机技术以及相应的力学数值分析方法有机结合起来，建立一个定性与定量相结合的安全监控和预警系统，对可能存在的潜在危险做出分级预警，保障引滦生命线的“万无一失”。

输水建筑物和输水设施的安全是进行雨洪水资源利用和输水优化调度的重要前提。对关键输水建筑物和关键输水设施安全预警是一个定性与定量相结合的复杂过程，系统需要综合采用多种先进技术，把专家经验、人工智能技术、计算机技术以及相应的数值分析方法有机结合起来，实现：

（1）引滦隧洞的输水安全监控和预警；

（2）于桥水库大坝安全的监控和预警；

（3）尔王庄水库大坝安全的监控和预警；

（4）暗渠、明渠、倒虹吸的输水安全监控和预警；

（5）泵站（闸、阀）安全运行的监控和预警。

2、水质分析及趋势预测预警系统主要由于桥水库水质趋势预测和于桥水库下游段水质趋势预测两部分组成。

（1）于桥水库水质趋势预测将调用中国水科院水环境所开发的WQP——于桥水库程序，并考虑数据调用与衔接问题。于桥水库WQP-水质模型主要功能如下：

①计算于桥水库的水动力特性，包括风生流与吞吐流，计算特定条件下水库水位、容量、流场；

②在水动力学模型基础上建立于桥水库二维水质模型，可计算库内各点的CODMn、总氮、总磷、氨氮、粪大肠菌群的浓度值，研究污染物在库内的输移转化规律，分析污染物的时空分布规律；

③在二维水动力模型和水质模型基础上计算于桥水库叶绿素浓度时空分布规律，对于桥水库的富营养化进行初步预测；

④在于桥水库水质富营养化模型预测计算基础上，对水库水质进行分级预警；

⑤采用季节性Kendall检验法对于桥水库多种水质项目的变化趋势进行分析；

⑥根据水库水功能分区标准及水质目标，计算于桥水库水环境容量。

（2）于桥水库下游段水质趋势预测则通过建立州河暗渠出口至大尔路闸渠道水质模型，结合引滦水质自动监测系统，根据当前的水质情况、污染物的迁移转化规律以及可能的污染源发生情况来预测今后水质的变化情况。结合引滦MIS系统，在地图上显示未来某时刻渠道各点（包含沿程未监测点）水质组分浓度。

如突发事件发生，有污染物汇入引滦渠道，水体突然受外界污染物影响，水质下降。模拟此类情况发生后，下游水质变化状况以及污染物随水流输移扩散情况，为输水安全与应急系统提供数据支持，为管理者提供决策支持。

3、工程应急抢险系统提供组织体系设置、抢险流程制定、抢险预案制定与评估、抢险模拟演练、出险实时通知、抢险指挥调度、抢险实施反馈、灾情评估、经济损失评估、应急过程归档、历史数据查询等功能。应急方案是主动且有预见性的，而不是毫无准备地仓促反应。

4、关键输水建筑物和输水断面的可视化管理，建立引滦输水沿线泵站、明渠、闸站等关键建筑物和输水设施的实时视频监控系统。

按照分级控制的原则，视频系统的建设是建立在先进的网络基础上的，通过合理规划，采用先进的技术手段，保证视频的图像质量和数据的完整性。视频建设采用分层管理、多级控制模式实现全网的视频监视。

（1）中心控制

可以对沿线全部监视点进行监控。通过电视墙可以设定需要监视的画面，对全流域进行监视。同时可以根据需要，随时切换到任意一路视频信号，并能对监控现场的云台、镜头进行控制，以便于更好地掌握整个流域的运作情况。中心控制具有最高权限。

（2）分中心控制

分中心可以对其管辖范围内的所有视频点进行监视，可以方便的获得某一个视频信号。对设备状态，运行情况，河道状况进行全方位立体化的监视。分中心在其管辖的范围内具有仅次于中心的权限。

（3）监测站监视

监测站可以对站内的视频点进行控制和监视。具有最低的权限。

（二）项目建设目标

引滦入津工程输水安全预警系统是实现数字化引滦的重要组成因素，它的建立需要达到以下目标：

（1）规范各个管理处的人工巡查表单资料，使信息具有通用性、共享性；

（2）分析、提取日常运行管理中影响关键输水建筑物和输水设施安全的控制因素，实现建筑物和设施的各种安全影响因素的实时采集、实时传输、实时处理及图形化显示；

（3）整合现有工程自动安全监测评估系统和自动控制系统，建立原型观测资料分析模型；

（4）将日常运行管理与自动监测系统相结合，实现建筑物和设施的安全综合评价；

（5）对可能存在的险情及时预警，实现成因分析和辅助决策功能；开发具有学习功能的工程健康状况智能诊断、识别与安全评价专家系统；

（6）建立完善的应急反应机制、应急保障机制及应急抢险机制等，明确应急组织体系的构成、应急响应程序、应急抢险流程、应急命令下达及反馈方式、应急终止原则等，以便能够在出现紧急情况第一时间内，有条不紊的实施应急抢险工作，保证抢险的顺利实施；

（7）实现数据库管理功能，为用户提供便捷、高效数据管理工具；

（8）利用计算机网络技术，构建便捷、直观的信息发布、查询平台，实现工程网络化管理、信息共享及发布；

（9）对关键输水建筑物和输水断面进行视频监视，保护引滦入津工程和引滦水源，为安全引滦提供可视化的保证。

三、项目的技术基础、特点及实施的条件

引滦入津工程输水安全预警系统中的软件系统采用分层分布式的设计思想，同时考虑到可移植性、平台无关性、应用广泛性、技术成熟性、可扩展性、高效性和稳定性等诸多因素，采用基于Java语言的J2EE体系架构来实现我们的系统。在J2EE技术体系下的软件系统的实现完全采用三层结构模式进行软件设计，即B/S/D结构，它将应用或业务逻辑从Client或Server端转移到用户的接口和数据存储之间的一个中间层上，使业务表示层、业务逻辑层、数据存储层分离，这将大大提高了构造应用系统的灵活性和伸缩性。采用国际通用的最佳设计模式MVC设计模式作为整个软件系统的设计蓝本，采用Java语言进行软件系统的开发。

关键输水建筑物和输水断面的可视化监视系统应用现代数字视频技术，通过引滦信息网络把视频现地监控站、分中心站、中心站连成一个全数字的视频网络，可方便灵活的对系统每一个视频点进行远程监控，对闸门、泵站、渠道、河流关键点的现场情况进行实时监控，为输水调度及工程管理提供科学可靠的监控手段。

四、效益分析

引滦信息系统建成后，引滦入津工程创造的经济效益和社会效益主要体现在以下几个方面：

1、在确保向天津市安全供水，支持天津市社会经济可持续发展方面的作用。

引滦入津工程誉为天津市的“生命线”。引滦供水量已占全市城镇供水总量的73%以上。引滦入津工程输水安全预警系统建成后，可以有效确保供水工程和水体的安全，对已经发生的突发事件及时进行警报，或对可能发生的危险进行预测预警，为下一步工作的开展提供较为充足的准备时间，减少或避免损失。此系统将为提高引滦入津工程的安全优质高效输水，保证城市供水安全。

2、在突发事件下，提高输水应急保障的作用。

突发性引水工程事件是指在较短的时间内急速爆发的，具有一定普遍性的社会危机。突发性引水工程事件具有突发性、普遍性和非常规性三个特点。发生突发预警事件时，在本系统的指导下，可以针对不同的事故类型，及时、有序、高效地开展事故抢险救援工作，最大限度地减少事故可能造成的损失，保证天津市的供水安全，保护人民生命财产安全，维护社会稳定，保障经济发展。

作者简介

孙中博，男，1975年11月，天津大学水工专业毕业，工程师，工作单位：天津市引滦工程宜兴埠管理处，主要从事水利工程管理。

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