萩蘆溪流域水資源調(diào)度系統(tǒng)信息化

林志健

(莆田市萩蘆溪水電管理處，福建 莆田 351131)

0 引言

萩蘆溪是福建省莆田市第二大河流，主河道長60 km，流域面積達(dá)628 km2，發(fā)源于仙游縣游洋鎮(zhèn)，經(jīng)涵江區(qū)莊邊鎮(zhèn)、白沙鎮(zhèn)、萩蘆鎮(zhèn)和江口鎮(zhèn)注入興化灣，擔(dān)負(fù)著向涵江區(qū)及荔城區(qū)西天尾鎮(zhèn)提供原水的重任。近年來，流域水資源管理已成為水利工作的一大著力點(diǎn)，而中小流域覆蓋地域廣闊、工程建筑設(shè)施點(diǎn)多且面廣、管理對象繁多、管理業(yè)務(wù)十分復(fù)雜，必須結(jié)合水資源調(diào)度和信息化手段，對流域進(jìn)行科學(xué)管理和有效調(diào)度，實(shí)現(xiàn)充分利用水資源，又切實(shí)保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

水資源調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)與信息化緊密相關(guān)，涉及到流域水雨情、水量分析、水質(zhì)監(jiān)測及調(diào)度規(guī)則等方面，既要有水系徑流和社會(huì)各行業(yè)用水的定量預(yù)測分析，又有不同時(shí)段、不同缺水條件下的水量調(diào)度規(guī)則的定性分析，受到許多人為及邊界因素的影響，來、用水量分析成果的可靠性很大程度上決定了模型輸出的合理性。水資源調(diào)度系統(tǒng)的信息化就是以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為運(yùn)行工具，把優(yōu)化、實(shí)時(shí)調(diào)度模型與各種非數(shù)字化的信息處理結(jié)合起來，定性與定量分析相結(jié)合，為決策者提供大量、全方位的輔助信息，最終實(shí)現(xiàn)科學(xué)的調(diào)度決策。

1 當(dāng)前流域水資源調(diào)度管理面臨的問題

1.1 供需問題

由于萩蘆溪水資源的天然時(shí)空分布差異較大，地區(qū)間和各用水部門間也存在著很大的用水競爭性，因此如何利用好水資源，包括對水資源的開發(fā)、利用、保護(hù)與管理，解決水資源供需矛盾和用水競爭，發(fā)揮水資源的最大應(yīng)用效益，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)性利用，是擺在萩蘆溪水電管理處乃至整個(gè)社會(huì)面前的重要課題。因此迫切需要利用信息化管理來進(jìn)行水資源優(yōu)化調(diào)度，提高萩蘆溪對社會(huì)經(jīng)濟(jì)的支撐能力。

1.2 調(diào)度手段落后

由于萩蘆溪范圍大，工程分散，分水建筑物多，降雨時(shí)空分布不均勻，而水電管理處仍使用傳統(tǒng)方法實(shí)施水資源調(diào)度，使萩蘆溪的水資源調(diào)配總是落后于客觀實(shí)際的變化。

1.3 監(jiān)控方式落后

萩蘆溪水系流域量測水方法基本采用人工讀數(shù)，導(dǎo)致人工計(jì)量效率很低，執(zhí)行起來不方便，既費(fèi)力又費(fèi)時(shí)，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性也很差，人為因素影響大;水位觀測靠人工目測，啟閉機(jī)采用手搖式操作，管理人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低。調(diào)配水靠人工指令調(diào)度，調(diào)整不及時(shí)易造成調(diào)度不穩(wěn)定及水量浪費(fèi)。

2 水資源調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

在貫徹水利部治水新思路的前提下，建立萩蘆溪水資源調(diào)度系統(tǒng)信息化的目標(biāo)是將現(xiàn)代化技術(shù)全面引入到萩蘆溪的建設(shè)管理中，提升流域的自動(dòng)化和管理水平，逐步實(shí)現(xiàn)對萩蘆溪水資源的優(yōu)化配置，完成流域水情數(shù)據(jù)采集、閘門自動(dòng)控制和水資源調(diào)度等，使萩蘆溪調(diào)度管理全面走向自動(dòng)化。

2.2 系統(tǒng)組成

萩蘆溪水資源調(diào)度系統(tǒng)包括3個(gè)部分:①自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，包括水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)以及閘門自動(dòng)控制;②計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò);③應(yīng)用決策支持系統(tǒng)，它是水資源調(diào)度系統(tǒng)最重要、最有價(jià)值的部分，本文將重點(diǎn)論述。

2.3 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

2.3.1 水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集(VHF、GPRS)和中心站組成，數(shù)據(jù)采集包括水位數(shù)據(jù)、供水計(jì)量、流量數(shù)據(jù)以及水質(zhì)監(jiān)測。遙測站和中心站構(gòu)成星狀網(wǎng)絡(luò)，中心站為中心節(jié)點(diǎn)，測站采用隨機(jī)自報(bào)和定時(shí)自報(bào)相結(jié)合的工作方式發(fā)送數(shù)據(jù)，并且具有固態(tài)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能，中心站具有數(shù)據(jù)處理、分析、查詢等功能，并能向上級提供信息。傳感器的選擇首先考慮可靠性，水位采集采用浮子式傳感器;供水計(jì)量采用電磁流量計(jì);因萩蘆溪因溪流流速波動(dòng)性大，溪道流量監(jiān)測方法宜采用流速-面積-流量法，所以采用穩(wěn)定可靠、精度高的時(shí)差法超聲波流量計(jì)，水質(zhì)主要監(jiān)測總磷、總氮、葉綠素以及常規(guī)5項(xiàng)等常用飲用水指標(biāo)。

2.3.2 閘門自動(dòng)控制

閘門自動(dòng)控制由中心站和現(xiàn)場監(jiān)控站組成，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)方式，以大網(wǎng)協(xié)議傳輸，主要由水閘控制中心現(xiàn)地控制單元、啟閉組成。現(xiàn)地控制層設(shè)有LCU，分別執(zhí)行對應(yīng)水閘設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并采集相應(yīng)閘上水位傳感器、閘下水位傳感，并向水電管理處傳輸閘門自控?cái)?shù)據(jù)。萩蘆溪水資源調(diào)度可通過閘門自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場遠(yuǎn)程終端單元通過無坎寬頂堰水力學(xué)公式計(jì)算實(shí)時(shí)出水量，水資源調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)出水量，再去調(diào)整閘門開啟度。

2.4 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將萩蘆溪管理處各部門的計(jì)算機(jī)連接起來，同時(shí)將管理處與各管理所、各管理房的通信傳輸及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)整合到此網(wǎng)絡(luò)中，建立數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)平臺，對遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)提供傳輸通道，同時(shí)也為應(yīng)用決策支持系統(tǒng)等信息化系統(tǒng)建立網(wǎng)絡(luò)平臺。

2.5 應(yīng)用決策支持系統(tǒng)

應(yīng)用決策支持系統(tǒng)包括水資源調(diào)度監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)、供水信息管理系統(tǒng)以及群閘聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)。

2.5.1 水資源調(diào)度監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)

系統(tǒng)立足于實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)度指令執(zhí)行情況的業(yè)務(wù)需要，對采集的水情信息、水閘實(shí)時(shí)工況信息進(jìn)行有效梳理，并基于GIS地理信息基礎(chǔ)平臺進(jìn)行展現(xiàn)，對超出調(diào)度規(guī)則范圍的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)語音智能預(yù)警，根據(jù)業(yè)務(wù)需求生成對應(yīng)的業(yè)務(wù)報(bào)表，為水資源調(diào)度運(yùn)行監(jiān)控提供實(shí)時(shí)信息支撐。

1)實(shí)時(shí)信息集成:系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將自動(dòng)采集下來的數(shù)據(jù)在GIS平臺上，通過選擇不同的類別(水位、流量、水閘)顯示各遙測站點(diǎn)的水位情況和水閘當(dāng)前水流情況和開度狀況。

2)調(diào)度規(guī)則設(shè)定:系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對水位、流量、閘門開度、水閘電流監(jiān)視信息的調(diào)用規(guī)則的設(shè)定。設(shè)定的規(guī)則包括:①水位超控制標(biāo)準(zhǔn);②開始放水和結(jié)束放水10 min后自動(dòng)預(yù)警通知;③閘門開度和出現(xiàn)故障時(shí)預(yù)警報(bào)警;④水閘電機(jī)過流、過載、斷相、欠壓、短路、堵轉(zhuǎn)等時(shí)自動(dòng)預(yù)警通知。

3)預(yù)警模板設(shè)定:建立水位、流量、閘門開度、水流各種預(yù)警信息模板，分類建立不同規(guī)則的詞條庫，用以快速進(jìn)行預(yù)警信息的制作。

4)監(jiān)控預(yù)警發(fā)布:系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和預(yù)警模板產(chǎn)生的預(yù)警信息，并自動(dòng)翻譯成語音信號，通過高音喇叭向有關(guān)人員發(fā)布預(yù)警信息。同時(shí)，在系統(tǒng)后臺中保留預(yù)警信息和發(fā)送的狀態(tài)。通過預(yù)警查詢可以檢索出預(yù)警的發(fā)布情況。

5)生成業(yè)務(wù)報(bào)表:系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)根據(jù)業(yè)務(wù)需求自定義配置業(yè)務(wù)報(bào)表相關(guān)的字段信息，自動(dòng)生成對應(yīng)的業(yè)務(wù)報(bào)表。報(bào)表的字段定義可以依據(jù)具體情況定制。

2.5.2 供水信息管理系統(tǒng)

系統(tǒng)由供水實(shí)時(shí)信息查詢、供水日報(bào)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、供水線路、供水計(jì)劃及水量計(jì)量等組成。

系統(tǒng)可以在電子地圖上提供實(shí)時(shí)信息查詢，為調(diào)度決策者提供支持，在供水調(diào)度實(shí)施過程中，系統(tǒng)將每日定時(shí)自動(dòng)生成供水日報(bào)并自動(dòng)生成以下報(bào)表:供水調(diào)度指令報(bào)表、供水量月、年報(bào)表等。系統(tǒng)還將顯示供水線路圖，提供月度供水計(jì)劃數(shù)據(jù)的瀏覽、錄入和修改等功能，并且生成年度的供水計(jì)劃表。最后系統(tǒng)還提供水量計(jì)量數(shù)據(jù)的錄入功能，以及水量數(shù)據(jù)按用戶按月(或者按月的匯總功能)以及水費(fèi)計(jì)算功能。

2.5.3 群閘聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)

流域水資源的調(diào)度基本是由水閘啟閉來實(shí)現(xiàn)，群閘的調(diào)度是水資源調(diào)度優(yōu)化最終的控制手段。群閘聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)由水閘調(diào)度模型、群閘聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化數(shù)學(xué)模型和預(yù)案庫構(gòu)成。通過群閘聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化數(shù)學(xué)模型對假設(shè)的調(diào)度方案進(jìn)行模擬，得到用于水閘調(diào)度模型學(xué)習(xí)的預(yù)案庫，水閘調(diào)度模型根據(jù)水閘下游邊界條件和實(shí)時(shí)監(jiān)測的水情水質(zhì)數(shù)據(jù)，形成一個(gè)水閘初步調(diào)度方案，然后經(jīng)過群閘聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化數(shù)學(xué)模型對調(diào)度方案進(jìn)行模擬。當(dāng)模擬結(jié)果達(dá)到期望的目標(biāo)，這時(shí)的調(diào)度方案即為可以下達(dá)的調(diào)度方案;當(dāng)模擬結(jié)果不能達(dá)到期望的目標(biāo)時(shí)，需要人工對調(diào)度方案進(jìn)行修正，再通過群閘聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬，直到獲得一個(gè)能滿足調(diào)度目標(biāo)的調(diào)度方案。

群閘聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)流程框圖見圖1。

圖1 群閘聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)流程框圖

1)監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入:影響水閘調(diào)度的因素很多，在水閘調(diào)度分析時(shí)，需要提供水閘主要影響因素?cái)?shù)據(jù)，包括水閘上游水位、水閘下游水位、期望水閘上游水位(水閘關(guān)閉后上游穩(wěn)定水位)等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以通過Excel表格導(dǎo)入或界面輸入等方式，提供水閘調(diào)度模型的初始數(shù)據(jù)。

2)水閘調(diào)度模型:根據(jù)不同水閘的不同需求，如防汛排澇、日常水質(zhì)改善、供水等，以及不同的水閘調(diào)度方式設(shè)定不同調(diào)度目標(biāo)參數(shù)，建立水閘調(diào)度模型。

3)形成調(diào)度方案:根據(jù)提供的一組水閘調(diào)度監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些監(jiān)測數(shù)據(jù)包括水閘上游水位、水閘下游水位、期望水閘上游水位，并結(jié)合水閘調(diào)度模型，自動(dòng)生成預(yù)設(shè)的調(diào)度方案。

4)群閘聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化數(shù)學(xué)模型:群閘聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化數(shù)學(xué)模型是為調(diào)度模型提供訓(xùn)練用的預(yù)案，以及檢驗(yàn)調(diào)度模型給出的調(diào)度方案。率定驗(yàn)證后的數(shù)學(xué)模型可以作為原型的近似代替。

模型通過提供的流量、水位、有效過水?dāng)嗝婷娣e、蓄水?dāng)嗝娣e、沿主流向的河道縱向距離、時(shí)間、單位長度河段均勻旁側(cè)入流量、動(dòng)量校正系數(shù)、重力加速度、河道的阻力坡降、側(cè)向流的動(dòng)量等數(shù)據(jù)參數(shù)，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型，自動(dòng)快速計(jì)算產(chǎn)生調(diào)度預(yù)案，并有人工干預(yù)判別提供的調(diào)度方案。

模型中提供的數(shù)據(jù)通過Excel導(dǎo)入方式或數(shù)據(jù)庫讀取方式獲取初始數(shù)據(jù)，并顯示在系統(tǒng)主界面上，客戶可以根據(jù)具體情況對導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

5)預(yù)案查詢管理:實(shí)現(xiàn)對群閘聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度產(chǎn)生的調(diào)度預(yù)案的入庫，保存在預(yù)案庫中。通過輸入調(diào)度預(yù)案的關(guān)鍵詞，如流量、水位、水系等，自動(dòng)檢索對預(yù)案庫中新入庫的調(diào)度預(yù)案和已有的調(diào)度預(yù)案信息，以列表的方式顯示預(yù)案信息，并可以查看到預(yù)案的詳細(xì)信息。同時(shí)實(shí)現(xiàn)通過選擇事先擬定的不同調(diào)度條件，為水閘調(diào)度模型提供學(xué)習(xí)預(yù)案。

6)調(diào)度方案展示:系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)根據(jù)群閘聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的模擬情況，通過自動(dòng)或人工干預(yù)方式判別模擬結(jié)果，并保存、顯示最終產(chǎn)生的調(diào)度方案?？蓪?shí)現(xiàn)調(diào)用事先知道的調(diào)度方案模擬結(jié)果，并與最終產(chǎn)生的調(diào)度方案模擬結(jié)果進(jìn)行對比。

3 結(jié)語

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水在社會(huì)經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮的作用越來越大，要求萩蘆溪流域水系在用水管理中科學(xué)地配置利用水資源。通過信息化系統(tǒng)的實(shí)施建設(shè)，能明顯改善工作環(huán)境，提高工作效率，提高水的利用率。每年能減少損失水量上百萬方，多發(fā)電量幾百萬度，直接為我處增加經(jīng)濟(jì)收入上百萬元。

但水資源調(diào)度管理系統(tǒng)是一個(gè)十分龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)，在具體實(shí)施過程中要堅(jiān)持“因地制宜、視需定建，突出重點(diǎn)、量力而行、先搞試點(diǎn)、逐步擴(kuò)展、高效可靠、確保效果”的原則，充分利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，建立高效可靠、先進(jìn)實(shí)用的水資源規(guī)劃、調(diào)度、實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)，形成各種水情、旱情網(wǎng)，結(jié)合水資源管理、調(diào)度決策的需求，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置，提高管理部門的正常工作效率、質(zhì)量、效益和決策的科學(xué)性和正確性，從而推動(dòng)萩蘆溪流域水資源調(diào)度現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)程，為莆田市興化灣南岸建設(shè)提供強(qiáng)有力的保障。

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