嫩江干流水量調(diào)度流程研究與典型應(yīng)用建設(shè)

任祖春，朱景亮，曹 東，趙 彤

（1. 水利部松遼水利委員會水文局（信息中心），吉林 長春 130021；

2. 水利部松遼水利委員會，吉林 長春 130021）

嫩江干流水量調(diào)度流程研究與典型應(yīng)用建設(shè)

任祖春1，朱景亮2，曹 東1，趙 彤1

（1. 水利部松遼水利委員會水文局（信息中心），吉林 長春 130021；

2. 水利部松遼水利委員會，吉林 長春 130021）

結(jié)合松遼流域水資源調(diào)度管理業(yè)務(wù)流程研究，以嫩江干流水量調(diào)度為典型應(yīng)用，建立松遼流域水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)體系框架，重點實現(xiàn)嫩江干流水量調(diào)度子系統(tǒng)建設(shè)。通過對調(diào)度計劃實時監(jiān)控、方案編制及優(yōu)化、方案總結(jié)評價及會商決策等 5 個方面的業(yè)務(wù)功能設(shè)計優(yōu)化與實現(xiàn)，提高業(yè)務(wù)人員的工作效率和業(yè)務(wù)系統(tǒng)實用性。為嫩江干流水量調(diào)度和流域最嚴格水資源紅線管理提供科學(xué)的參考依據(jù)和技術(shù)支撐，也為水資源管理信息化建設(shè)與業(yè)務(wù)的深度融合進行探索和提供參考。

水資源；松遼流域；嫩江干流；水量調(diào)度；業(yè)務(wù)流程

0 引言

松遼流域調(diào)配決策支持系統(tǒng)是松遼流域水資源監(jiān)控管理平臺的核心業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)之一，主要為松遼流域水資源的調(diào)度業(yè)務(wù)處理提供信息化服務(wù)和支撐。松遼流域選擇嫩江干流水量調(diào)度子系統(tǒng)為調(diào)配決策支持系統(tǒng)框架下的典型應(yīng)用，密切結(jié)合調(diào)度計劃編制和方案制定工作的實際業(yè)務(wù)流程，設(shè)計構(gòu)建了松遼流域水資源調(diào)度業(yè)務(wù)的工作平臺，逐步完善建立起科學(xué)的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了流域水資源管理的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。目前水量調(diào)度子系統(tǒng)已投入使用，為嫩江干流水資源調(diào)度工作提供決策支持。隨著水資源管理工作的逐漸深化，在信息化數(shù)據(jù)資源不斷豐富的基礎(chǔ)上，摸索出一條具有流域特色的水量調(diào)度系統(tǒng)流程，初步實現(xiàn)水資源的優(yōu)化調(diào)度和科學(xué)決策，以期達到水資源科學(xué)配置及可持續(xù)利用的目標，對保障松遼流域范圍內(nèi)社會、經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展具有重大意義[1]。

1 總體設(shè)計

1.1 設(shè)計原則

嫩江干流水量調(diào)度子系統(tǒng)是松遼流域調(diào)配決策支持系統(tǒng)本期重點建設(shè)的典型應(yīng)用，主要實現(xiàn)嫩江干流水量調(diào)度方案的制定與管理、調(diào)度業(yè)務(wù)的在線處理等功能，以支撐流域水資源管理部門對嫩江流域及干流尼爾基水利樞紐工程等的水資源調(diào)度管理工作。嫩江干流水量調(diào)度子系統(tǒng)在監(jiān)測、統(tǒng)計、模型相結(jié)合的基礎(chǔ)上，為決策者提供多角度、可選擇的水資源調(diào)度計劃方案，主要業(yè)務(wù)需求包含：調(diào)度方案和計劃的制定與管理、業(yè)務(wù)在線處理（年、月、旬、實時和應(yīng)急調(diào)度）、報表管理（包括水調(diào)日、旬、月、年報）等。嫩江干流水量調(diào)度子系統(tǒng)設(shè)計原則如下[2]：

1）架構(gòu)齊全。搭建起完整的系統(tǒng)框架，框架中包含水資源規(guī)劃配置管理、計劃（年、月）和實時調(diào)度管理、調(diào)度方案編制、決策會商支持和遠程調(diào)度等模塊。

2）過程完整。支撐和涵蓋調(diào)度決策的全過程，對數(shù)據(jù)分析、方案制定和模擬等各個環(huán)節(jié)支撐到位，體現(xiàn)出水資源管理調(diào)配決策的流程設(shè)計。

3）區(qū)域示范。為密切結(jié)合實際管理工作進行有梯度的深度開發(fā)，進一步確定典型區(qū)域進行示范建設(shè)。典型區(qū)域需要滿足 5 個條件，即有調(diào)配依據(jù)、調(diào)配需求、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、技術(shù)基礎(chǔ)、相應(yīng)工程控制條件。

4）模型可擴。模型可擴目的是要在框架的基礎(chǔ)上有可釋放性、擴展性。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

嫩江干流水量調(diào)度子系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 1所示[3]。

圖1 嫩江干流水量調(diào)度子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

各模塊具體功能如下：

1）首頁模塊。主要提供調(diào)度執(zhí)行情況的實時監(jiān)視功能，監(jiān)測各重點取水口的取水量、重要斷面水文站的流量等信息，為調(diào)度實況跟蹤分析提供信息支持。

2）水資源基礎(chǔ)信息管理模塊。展示了水資源的數(shù)量、質(zhì)量、分布范圍等重要信息，主要包括歷史來水信息、用水單元信息、工程類信息查詢、方案統(tǒng)計查詢等子模塊，為調(diào)度計劃的編制提供有力的信息支撐。

3）水資源配置管理模塊。主要為用戶提供水資源的現(xiàn)狀評價和配置規(guī)劃結(jié)果的展示功能，包括水資源現(xiàn)狀評價、需水預(yù)測成果表、供水預(yù)測成果表、配置信息查詢等子模塊。

4）水資源調(diào)度計劃管理模塊。主要包括天然徑流序列，年度用水計劃分析、調(diào)度計劃編制，年調(diào)度計劃比選和總結(jié)評價等功能模塊，分別為用戶提供來水預(yù)報和取水口需水的上傳和下載功能，年調(diào)度計劃的編制及計算功能，實現(xiàn)用戶對年調(diào)度計劃的比選及總結(jié)評價功能。

5）水資源實時調(diào)度方案管理模塊。當(dāng)來水量或取水量超過系統(tǒng)所規(guī)定的警戒閥值或者出現(xiàn)其它緊急情況時，水資源實時調(diào)度方案管理模塊啟動實時調(diào)度管理。

6）水資源決策會商管理模塊。主要實現(xiàn)會商的編制、管理和演示。登錄用戶對會商信息進行錄入、查詢和維護，并通過生成控制指令發(fā)送給相關(guān)單位。由數(shù)據(jù)權(quán)限訪問判定用戶操作權(quán)限，并通過數(shù)據(jù)信息審核判斷參數(shù)的正確性，操作過程記錄在系統(tǒng)日志中。

7）模型庫模塊。模型庫模塊為決策分析功能提供模型支撐和管理維護功能，主要包括模型庫管理，以及水庫調(diào)度原則、庫容曲線、蒸發(fā)滲漏損失等部件。

8）系統(tǒng)管理模塊。實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的權(quán)限管理和參數(shù)設(shè)定。

2 流程設(shè)計

2.1 總體流程

嫩江干流水量調(diào)度子系統(tǒng)主要實現(xiàn)調(diào)度計劃的編制、決策會商、監(jiān)控和修正等功能。經(jīng)過業(yè)務(wù)流程梳理，總體業(yè)務(wù)流程設(shè)計如下：

1）根據(jù)來水、需水的預(yù)測數(shù)據(jù)，運用相關(guān)的調(diào)度演算算法編制出 1 個或多個年調(diào)度方案。

2）通過方案比選功能、會議決策的方式，確定最優(yōu)調(diào)度方案作為調(diào)度方案。

3）對會商通過的調(diào)度方案的執(zhí)行情況進行監(jiān)控，主要是對重要取水口、河道斷面的水位和流量的實時監(jiān)控。

4）當(dāng)年調(diào)度計劃執(zhí)行過程中，來水或取水戶需水與年調(diào)度計劃預(yù)測、上傳數(shù)據(jù)相差較大或發(fā)生調(diào)整時，可通過調(diào)度計劃滾動修正部件進行修正，由系統(tǒng)報警處理觸發(fā)進入，或者人工干預(yù)進入調(diào)度計劃滾動修正部件對當(dāng)前執(zhí)行的調(diào)度計劃進行修正。

5）對調(diào)度計劃進行滾動修正之后，產(chǎn)生 1 個或多個滾動修正方案，對這些方案進行決策會商，決策出最終的方案替代當(dāng)前正在執(zhí)行的調(diào)度方案[3]。業(yè)務(wù)總體流程如圖 2 所示。

圖2 嫩江干流水量調(diào)度子系統(tǒng)業(yè)務(wù)總體流程圖

2.2 調(diào)度計劃編制流程

嫩江干流水量調(diào)度計劃方案編制的目標是在滿足尼爾基水庫下游需水、無棄水、水庫水位維持正常水平的邊界條件情況下，得到年發(fā)電量最大的調(diào)度放流方案。調(diào)度計劃方案的編制是嫩江干流水量調(diào)度管理中重要的業(yè)務(wù)工作，以往需要大量人工處理工作；現(xiàn)在基于業(yè)務(wù)流程設(shè)計開發(fā)的調(diào)度方案編制模塊，基本覆蓋了嫩江干流調(diào)度方案編制的全流程，為提高調(diào)度方案編制效率提供了支撐。水量調(diào)度方案的設(shè)計流程與年調(diào)度計劃流程設(shè)計基本一致。系統(tǒng)流程設(shè)計主要包含以下幾點：

1）創(chuàng)建調(diào)度計劃。確定調(diào)度計劃的名稱、年份，水庫起調(diào)、調(diào)度期末水位等信息。調(diào)度計劃創(chuàng)建界面如圖 3 所示。

從圖 3 可以看出，新建調(diào)度計劃方案增加的主要內(nèi)容包括調(diào)度方案年份和名稱、選擇區(qū)間、調(diào)蓄水庫、來水?dāng)?shù)據(jù)源、起調(diào)和調(diào)度期末水位及其他描述信息。

2）初始條件設(shè)置。確定調(diào)度計劃的來水、需水預(yù)測數(shù)據(jù)，初始條件審核界面如圖 4 所示。

來水?dāng)?shù)據(jù)輸入來源主要分為 2 種，即通過水文預(yù)報或 45 年的長序列數(shù)據(jù)根據(jù)皮爾遜 III 型曲線及用戶所需要的來水頻率計算出對應(yīng)的水量數(shù)據(jù)，需水的數(shù)據(jù)是通過上傳取水計劃得到的。在詳細信息中，可以查看選擇的取水口計劃引水量與上一年度水量的差異，并初步核算數(shù)據(jù)。

3）供需平衡計算。在不考慮水庫放水的情況下通過水庫下游各區(qū)間來水、需水計算出最低補償供水過程線，嫩江干流尼爾基水庫補償供水分析如圖 5所示。

4）調(diào)度計劃計算及優(yōu)化。通過模型計算出水庫每旬的放流流量及發(fā)電量，具體流程如圖 6 所示。

首先根據(jù)起調(diào)水位確定水庫初始庫容，根據(jù)調(diào)度期末的水位得到調(diào)度期末的庫容，這 2 個數(shù)據(jù)結(jié)合尼爾基水庫以上的來水確定水庫這一年總的放水量，建立優(yōu)化方程組；然后計算優(yōu)化方程組，得到每旬的出庫流量，并根據(jù)流量計算出發(fā)電量；每旬按照不同放流量進行演算，最后得出年發(fā)電量值最大的調(diào)度放流過程。

計算過程采用動態(tài)規(guī)劃法，動態(tài)規(guī)劃算法與其他算法相比，大大減少了計算量，豐富了計算結(jié)果，不僅求出了當(dāng)前狀態(tài)到目標狀態(tài)的最優(yōu)值，而且求出了到中間狀態(tài)的最優(yōu)值。水量調(diào)度優(yōu)化模型的輸入條件包括水庫補償供水、調(diào)度原則、蒸發(fā)滲漏損失、庫容面積曲線、起調(diào)和期末水位等數(shù)據(jù)，模型計算的輸出結(jié)果包括每旬的來水、需水，水庫庫容、水位和流量，以及蒸發(fā)滲漏損失、放流量、發(fā)電量等數(shù)據(jù)。

圖3 嫩江干流年調(diào)度計劃創(chuàng)建界面

圖4 嫩江干流年調(diào)度計劃初始條件審核界面

5）方案輸出。在調(diào)度計劃計算后，會輸出年發(fā)電量值最大的放流方案每旬的用水、需水、補償供水、水庫流量和水位、發(fā)電量、蒸發(fā)滲漏等數(shù)據(jù)的序列。用戶可按照不同的調(diào)度需求，計算多套調(diào)度計劃方案，通過多方案比選，為最終調(diào)度方案的編制及合理優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

圖5 嫩江干流尼爾基水庫補償供水分析

圖6 嫩江干流尼爾基水庫放流過程分析

3 建設(shè)成效

嫩江干流水量調(diào)度子系統(tǒng)有以下 5 個方面的業(yè)務(wù)優(yōu)化和功能實現(xiàn)：

1）調(diào)度計劃的實時監(jiān)控方面。嫩江干流水量調(diào)度子系統(tǒng)實現(xiàn)了對正在執(zhí)行的調(diào)度計劃的實時監(jiān)控功能，主要是重要取水口的取水、重要斷面的流量水位的實時監(jiān)控，當(dāng)發(fā)生監(jiān)控預(yù)警時，工作人員能夠及時發(fā)現(xiàn)并對調(diào)度計劃作出修正。

2）需水?dāng)?shù)據(jù)的比較方面。年度需水?dāng)?shù)據(jù)需要與往年需水、紅線值、控制指標等數(shù)據(jù)進行多維度的分析比較，驗證數(shù)據(jù)的合理性。過去人工比較，工作量太大，耗時耗力，而嫩江干流水量調(diào)度子系統(tǒng)的使用則省去了這些繁瑣工作。

3）調(diào)度計劃的計算方面。調(diào)度計劃的計算工作是一個相當(dāng)復(fù)雜繁瑣的過程，人工計算方式的工作量很大，計算所用的時間也很長；嫩江干流水量調(diào)度子系統(tǒng)的使用將調(diào)度計劃的計算過程程序化，繁瑣的計算工作由系統(tǒng)完成，為用戶節(jié)省精力的同時，又保證了結(jié)果的正確性。

4）調(diào)度計劃的總結(jié)評價方面。嫩江干流水量調(diào)度子系統(tǒng)提供的調(diào)度計劃總結(jié)評價功能，使用戶能夠更為清晰直觀地觀察各年度調(diào)度計劃與實際放流的比較，為后期調(diào)度計劃編制提供參考。

5）調(diào)度決策會商方面。決策會商模塊提供了會商準備、演示、紀要等功能，用戶在會商準備子模塊可以對需要進行演示的系統(tǒng)模塊進行預(yù)先配置，在會商演示子模塊對預(yù)先配置的系統(tǒng)模塊以 PPT 的形式進行直接展示，不必再進行相關(guān)的操作，為決策會商過程提供便捷。

4 結(jié)語

嫩江干流由于流域的廣闊性，影響因素的復(fù)雜性使得建立精確的模型非常困難，因此利用嫩江干流水量調(diào)度子系統(tǒng)計算多種水庫放流方案，協(xié)商合理的放流方案，是提高決策水平的可行途徑。通過對嫩江干流水量調(diào)度業(yè)務(wù)的分析和研究，設(shè)計建設(shè)了符合流域水量調(diào)度需求，面向管理者的調(diào)度系統(tǒng)。通過系統(tǒng)的建設(shè)和實現(xiàn)，大大提高了業(yè)務(wù)人員的工作效率，為松遼流域水資源業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐的同時，也為水資源管理信息化建設(shè)與業(yè)務(wù)的深度融合進行了探索和提供參考。

[1] 水利部松遼水利委員會. 國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目松遼流域技術(shù)方案（2012—2014 年）[R]. 長春：水利部松遼水利委員會，2013: 266-286.

[2] 水利部松遼水利委員會. 松遼流域水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)需求規(guī)格說明書 [R]. 長春：水利部松遼水利委員會，2014: 21-385.

[3] 水利部松遼水利委員會. 松遼流域水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)軟件設(shè)計報告[R]. 長春：水利部松遼水利委員會，2014: 140-621.

Study and Typical Application on Water Regulation Process in Nenjiang River

REN Zuchun1, ZHU Jingliang2, CAO Dong1, ZHAO Tong1

(1. Bureau of Hydrology (Information Center), Songliao River Water Resources Commission, Changchun 130021, China; 2. Songliao River Water Resources Commission, the Ministry of Water Resources, Changchun 130021, China)

Combining with the study of water resource regulation management processes in Songliao basin, with a typical application of water regulation in Nenjiang river, the systematic frame of water resources allocation decision support system in Songliao basin is established, and Nenjiang river water regulation subsystem is primarily realized. Through optimal design and realization of five business functions, which included real-time monitoring dispatch plan, planning scheme and the optimization, plan summary evaluation and consultation decision, the work efficiency of business personnel and of the practicability of operation system were enhanced. This study provides the scientific reference basis and technical support for water regulation in Nenjiang river and the most stringent water red line management in Songliao basin, also provides the exploration and reference for deep integration between water management informatization construction and water business.

water resource; Songliao basin; Nenjiang river; water regulation; business process

TV21

A

1674-9405(2016)05-0015-06

10.19364/j.1674-9405.2016.05.003

2016-08-04

任祖春（1967-），男，江蘇宜興人，教授級高工，主要從事水利信息化管理工作。