南水北調(diào)中線工程智能調(diào)控與應(yīng)急調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)

王浩　雷曉輝　尚毅梓

摘要：南水北調(diào)中線工程具有輸水線路長(zhǎng)、涉及區(qū)域廣、參與工程多、調(diào)水規(guī)模大、輸水工況多變等特點(diǎn)，給工程的調(diào)度、控制和運(yùn)行管理帶來極大困難。工程上技術(shù)的難題在于其背后的科學(xué)機(jī)理性問題并沒有完全揭示和解決，包括變化條件下多水源聯(lián)合多維均衡調(diào)控機(jī)制、水量水質(zhì)多過程耦合機(jī)理、多物質(zhì)突發(fā)水污染應(yīng)急調(diào)度模式、多閘門聯(lián)合運(yùn)用下的明渠水力學(xué)響應(yīng)機(jī)理與控制等。為建立一套完備的技術(shù)體系來支撐其調(diào)度運(yùn)行，圍繞“預(yù)報(bào)-調(diào)度-模擬-控制-評(píng)價(jià)”這五個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)對(duì)現(xiàn)有研究進(jìn)行分類總結(jié)；然后，在綜述以往研究不足的基礎(chǔ)上，對(duì)亟需攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡釋，涵蓋了水源區(qū)與受水區(qū)預(yù)報(bào)調(diào)度、總干渠冰水污染多相模擬、總干渠水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度、中線全線自動(dòng)化控制技術(shù)、調(diào)度評(píng)價(jià)技術(shù)與平臺(tái)建設(shè)等多個(gè)方面；最后，文章討論了實(shí)現(xiàn)中線智能調(diào)控和應(yīng)急調(diào)度亟待解決的科學(xué)問題，并進(jìn)行了研究總結(jié)。

關(guān)鍵詞：南水北調(diào)中線工程；智能調(diào)控；應(yīng)急調(diào)度；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：TV68 獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683f2017102-0001-08

南水北調(diào)中線工程（中線工程）可解決河南、河北、北京和天津4個(gè)省市的水資源短缺問題，具有重要的戰(zhàn)略意義。中線工程于2003年12月30日開工建設(shè)，并于2014年12月12日正式通水。中線工程從丹江口水庫(kù)調(diào)水，全程自流，跨越長(zhǎng)江、淮河、黃河、海河四大流域，設(shè)計(jì)年均調(diào)水量95億m³。中線工程具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：第一是長(zhǎng)距離輸水。中線總干渠長(zhǎng)1 432 km，沿線共被63座節(jié)制閘和1座泵站分為63個(gè)渠段，閘泵群聯(lián)調(diào)困難、潛在的污染點(diǎn)較多、工程建設(shè)和運(yùn)行的要求非常高：第二是水力建筑物種類繁多，水流非線性極為顯著，精確控制比較困難；第三是調(diào)水量大且無在線調(diào)節(jié)水庫(kù)。中線渠道在設(shè)計(jì)流量下渠池水深比較大，渠池蓄水量大，應(yīng)對(duì)突發(fā)事故的調(diào)控能力?。旱谒氖撬饔傻途暥攘飨蚋呔暥?，在冬季運(yùn)行，黃河以北渠段容易出現(xiàn)冰情。

為了支撐中線工程的自動(dòng)化調(diào)度、控制和運(yùn)行管理，在“十一五”和“十二五”期間，科技部、國(guó)務(wù)院南水北調(diào)辦公室和中線干線工程建設(shè)管理局（中線局）設(shè)置了一些項(xiàng)目/課題進(jìn)行研究。2005年，國(guó)務(wù)院南水北調(diào)辦公室組織相關(guān)單位開展了“南水北調(diào)中線一期長(zhǎng)距離調(diào)水水力調(diào)配與運(yùn)行控制技術(shù)研究及應(yīng)用”。2006年，科技部設(shè)置了“十一五”科技支撐項(xiàng)目，其中中線相關(guān)課題有“南水北調(diào)中線水資源調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究”和“中線工程輸水能力與冰害防治技術(shù)研究”。2007年，中線局委托相關(guān)單位設(shè)計(jì)了南水北調(diào)中線干線工程自動(dòng)化調(diào)度與運(yùn)行管理決策支持系統(tǒng)，并于同年開展了南水北調(diào)中線一期工程總干渠供水調(diào)度方案研究及編制工作。目前，中線工程運(yùn)行管理決策系統(tǒng)已經(jīng)建成投用，系統(tǒng)包含閘站監(jiān)控、水量調(diào)度、工程防洪、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、信息管理等功能模塊，為科學(xué)水量調(diào)度、閘群的集中控制提供了基礎(chǔ)。為應(yīng)對(duì)中線突發(fā)水污染等其它緊急情況，2012年，科技部在“十二五”水專項(xiàng)設(shè)置課題，研究了南水北調(diào)東中線水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控與應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)其中一些技術(shù)進(jìn)行示范應(yīng)用。2015年，科技部在“十二五”科技支撐計(jì)劃中，設(shè)置“南水北調(diào)中線干線工程應(yīng)急運(yùn)行集散控制技術(shù)研究與示范課題，重點(diǎn)圍繞應(yīng)急工況下的中線自動(dòng)化控制開展研究。

上述項(xiàng)目/課題在中線工程水資源調(diào)配、常規(guī)和應(yīng)急調(diào)度控制、工程運(yùn)行管理等方面取得了諸多成供決策支持。胡惠方完成了鄭州市的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活需水量預(yù)測(cè)，王雪梅對(duì)河北省的生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)需水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

總體來看，中線工程已經(jīng)建立的預(yù)報(bào)模型還沒有完全覆蓋中線水源區(qū)與受水區(qū)整個(gè)區(qū)域：也沒有專門的氣象模型，無法為中線的冰期和生態(tài)調(diào)度提供氣溫、水溫等信息支持。因此，建議開展針對(duì)中線工程全線開展建立集合預(yù)報(bào)模型研究，研究長(zhǎng)中短期嵌套集合預(yù)報(bào)模式，以提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)預(yù)報(bào)對(duì)調(diào)度的指導(dǎo)作用。

1.2模擬

模擬模型是調(diào)度、運(yùn)行決策基礎(chǔ)。模擬既包括常規(guī)的水動(dòng)力學(xué)模擬，還包括極端情況下的冰期模擬和水質(zhì)污染下的污染模擬等。針對(duì)渠道糙率，王開等通過模型模擬分析了中線總干渠糙率變化對(duì)水面線及過流能力的影響：馬吉明等通過水槽試驗(yàn)研究了糙率變化對(duì)中線干渠輸水過程的影響。此外，王光謙等通過模型試驗(yàn)與理論分析，得出中線干渠的糙率合適取值；楊開林等通過擬合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出了糙率的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。為考慮倒虹吸的影響，王開等計(jì)算了倒虹吸的局部水頭損失系數(shù)。陳文學(xué)等分析了橋梁對(duì)中線渠道水流形態(tài)改變和渠道過水能力的的影響，方神光等分析了分、退水閘啟閉下的渠道非恒定流過渡過程。在以上研究的基礎(chǔ)上，方神光等通過對(duì)閘門、渡槽、倒虹吸等復(fù)雜水力建筑物進(jìn)行概化處理，建立了一維模型，能模擬各種工況下的渠道水力響應(yīng)過程。在冬季運(yùn)行時(shí)，黃河以北700 km渠道中的水流由于受寒冷氣溫的影響，將有不同程度的冰凌產(chǎn)生。因此，穆祥鵬等開發(fā)了冰期輸水模擬模型。范北林等。分析了中線冰期輸水過渡過程，并且預(yù)測(cè)了中線冰期輸水渠道冰情發(fā)展的時(shí)空分布特征；劉國(guó)強(qiáng)綜合利用模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等多種手段，評(píng)估了中線冰期輸水能力。南水北調(diào)中線總干渠沿線的跨渠橋梁、交叉河流和化學(xué)品企業(yè)眾多、劣質(zhì)地下水內(nèi)排段長(zhǎng)，藻類滋生條件富足，容易發(fā)生各種類型的水質(zhì)污染事件。因此，雷曉輝和陳翔等開發(fā)了中線一維水質(zhì)模型，朱德軍開發(fā)了一維及二維水質(zhì)耦合模型，能夠較精確的預(yù)測(cè)污染擴(kuò)散過程。

當(dāng)前，中線所采用的水動(dòng)力學(xué)模型、冰期輸水和污染擴(kuò)散模擬模型主要是一維模擬模型，尚無法精確模擬渠道邊壁及水力建筑物對(duì)水流影響。當(dāng)受水區(qū)配套工程完善后，中線工程是由水源區(qū)、干渠、配套工程等組成的復(fù)雜輸配水系統(tǒng)，應(yīng)建立統(tǒng)一的耦合模型進(jìn)行模擬。此外，為精細(xì)化模擬，還應(yīng)該針對(duì)不同的工況研究建立二維、三維模型。

1.3調(diào)度

中線工程的運(yùn)行調(diào)度研究，多針對(duì)水源區(qū)和中線干渠分別開展研究。水源區(qū)丹江口水庫(kù)調(diào)度的首要目的是供水，但其還有防洪、發(fā)電、生態(tài)、航運(yùn)等功能。楊光等考慮未來徑流變化，建立了丹江口水庫(kù)調(diào)度規(guī)則。王浩和董延軍等建立了中線準(zhǔn)市場(chǎng)水量分配模型來分析水源區(qū)的可調(diào)水量和受水區(qū)的需水量，在此基礎(chǔ)上建立丹江口水庫(kù)水量調(diào)度方案。中線干渠的調(diào)度包括常規(guī)、應(yīng)急和冰期輸水3個(gè)方面。常規(guī)調(diào)度即是面對(duì)分水口流量變化，對(duì)閘門開度進(jìn)行調(diào)整，以滿足閘前常水位的運(yùn)行方式，目標(biāo)就是在滿足渠道運(yùn)行安全的情況下，使渠道輸水流量快速而平穩(wěn)地過渡到目標(biāo)流量，黃會(huì)勇建立了常規(guī)調(diào)度模式下的閘門群調(diào)度規(guī)則。為了應(yīng)對(duì)中線潛在的突發(fā)水污染事件，王浩和雷曉輝等建立了“數(shù)值模擬-評(píng)價(jià)診斷-溯源預(yù)測(cè)-應(yīng)急調(diào)控污染處置”5大環(huán)節(jié)于一體的應(yīng)急調(diào)度技術(shù)體系，練繼建等、聶艷華、房彥梅等在事故渠池上游段、事故渠池和事故渠池下游段建立了相應(yīng)的應(yīng)急調(diào)度規(guī)則。針對(duì)冰期輸水調(diào)度，楊開林等建立了通過控制水位、流量來防止中線冰期輸水發(fā)生冰凌災(zāi)害的冰期輸水調(diào)度規(guī)則。

1.4控制

控制是實(shí)現(xiàn)調(diào)度目標(biāo)的具體措施。常規(guī)控制算法大致可分為“前饋”控制算法、“反饋”控制算法以及“前饋+反饋”控制算法。明渠非恒流輸水的水動(dòng)力學(xué)過程具有強(qiáng)耦合、大時(shí)滯等非線性控制特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制算法具有有限的適用性?！扒梆仭彼惴ㄝ^為簡(jiǎn)單，主要的機(jī)理是通過提前蓄量補(bǔ)償來減小渠池的水位波動(dòng)，但無法保證中線閘前常水位運(yùn)行?！胺答佀惴ㄖ饕菍⒆詣?dòng)化控制領(lǐng)域的集中控制算法應(yīng)用于渠道模型。尚毅梓。將魯棒控制算法應(yīng)用于中線渠道，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明采用閘門魯棒算法可以避免有限擾動(dòng)造成的控制失穩(wěn)。此外，楊樺等、安寧分別將模糊控制算法、預(yù)測(cè)控制算法應(yīng)用于模擬渠道，也都取得了較好的效果。韓延成等提出了采用流量水位分層控制的邏輯思路，這是一種有益的嘗試和探索。針對(duì)中線應(yīng)急控制，尚未報(bào)導(dǎo)有較為成熟的控制算法。針對(duì)冰期運(yùn)行，穆祥鵬等提出了防控冰凌災(zāi)害的運(yùn)行控制算法，但沒有考慮實(shí)時(shí)可能發(fā)生的氣象條件變化。

總體而言，已有的控制算法研究推進(jìn)我們對(duì)中線工程運(yùn)行控制問題的認(rèn)識(shí)，但不能完全解決中線的所有的控制問題。建議根據(jù)中線實(shí)際特點(diǎn)，應(yīng)針對(duì)明渠輸水的分布式、多點(diǎn)、非穩(wěn)態(tài)控制的特點(diǎn)，開展分級(jí)、分層的實(shí)時(shí)、智能控制研究。

1.5評(píng)價(jià)

目前，在應(yīng)急預(yù)案評(píng)價(jià)、河流健康評(píng)價(jià)等方面取得了較好的應(yīng)用效果。這些評(píng)價(jià)方法都是先建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，然后進(jìn)行分析，但有著主觀影響較大的缺點(diǎn)。但是，對(duì)中線的評(píng)價(jià)技術(shù)研究很少，目前只有針對(duì)丹江口水庫(kù)的水質(zhì)的評(píng)價(jià)方法，對(duì)其他方面尚未涉及，這是一塊亟需研究填補(bǔ)的空白。

2亟需攻克和解決的技術(shù)難題

前述研究極大的推進(jìn)了我們對(duì)中線工程問題的認(rèn)識(shí)，但是以下八個(gè)方面技術(shù)難題還沒有完全解決，需要深入研究。這八個(gè)方面的技術(shù)構(gòu)成了中線智能調(diào)度研發(fā)核心技術(shù)體系（圖2）。

2.1中線工程水源受水區(qū)預(yù)報(bào)技術(shù)

為滿足新形勢(shì)下的中線水資源綜合調(diào)度需求，需要建立集成氣象、水文、徑流預(yù)報(bào)還有用水預(yù)測(cè)模型的預(yù)報(bào)/預(yù)測(cè)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)目標(biāo)，我們還需要繼續(xù)深入開展以下四方面的研究：（1）基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式，研發(fā)漢江流域長(zhǎng)中-短期多層嵌套的降水集合預(yù)報(bào)模型；（2）統(tǒng)計(jì)分析前期徑流、降水等數(shù)值關(guān)系，并考慮氣候變化對(duì)未來降雨徑流影響，研究建立變化條件下的漢江流域分布式水文模型和丹江口水庫(kù)來水長(zhǎng)中短預(yù)報(bào)模型；（3）研究建立中線工程沿線受水區(qū)的氣象預(yù)報(bào)模型，為中線工程的調(diào)度運(yùn)行提供氣溫、水溫等信息輸入；（4）研究建立受水區(qū)大中型水庫(kù)來水長(zhǎng)中短預(yù)報(bào)模型。

2.2變化環(huán)境下水源水庫(kù)水資源多目標(biāo)調(diào)度技術(shù)

目前，水源區(qū)條件較設(shè)計(jì)之初也發(fā)生了變化，中線通水后，又規(guī)劃建設(shè)鄂北調(diào)水等大型調(diào)水工程，影響丹江口水庫(kù)的調(diào)度。氣候變化不只影響水源區(qū)的降雨與徑流，也影響著水源區(qū)的水量調(diào)度目標(biāo)：此外，輸配水過程中還存在著諸多不確定性的風(fēng)險(xiǎn)，如污染，水華等。因此，需要分析研究這些新的情況和形勢(shì)對(duì)中線工程影響，研究兼顧多項(xiàng)效益目標(biāo)的水源水庫(kù)水資源調(diào)度技術(shù)和方法，包括以下研究：（1）開展變化環(huán)境下的漢江流域水循環(huán)機(jī)理研究，研究氣候變化對(duì)水源區(qū)水資源可利用量的影響，評(píng)估丹江口上游水庫(kù)群、下游需用水變化和新建外調(diào)水工程對(duì)丹江口外調(diào)水量的影響：（2）建立水污染事件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，估計(jì)和預(yù)測(cè)水污染發(fā)生概率，研究通過改變水庫(kù)流場(chǎng)來防止污染物進(jìn)入中線干渠的陶岔閘和丹江口大壩聯(lián)合運(yùn)用方式；（3）研究通過徑流調(diào)節(jié)抑制藍(lán)藻水華發(fā)生的水庫(kù)群調(diào)度方式和方法；（4）研發(fā)水源區(qū)水庫(kù)群水資源多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型。

2.3變化條件下受水區(qū)多水源聯(lián)合調(diào)度技術(shù)

2012年全國(guó)開始實(shí)施“最嚴(yán)格水資源管理制度”，在這項(xiàng)制度的引導(dǎo)下中線受水區(qū)用水結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，再生水、海水淡化等非常規(guī)水資源利用效率得到了較大幅度的提升，減少了受水區(qū)對(duì)外調(diào)水的需求；受水區(qū)某些省份，譬如河北省，借助中線工程通水的契機(jī)，開展了超采區(qū)的地下水的壓采工作，增加了河北省的外調(diào)水的需調(diào)水量。因此有必要針對(duì)這些變化的條件開展分析，分析這些變化對(duì)受水區(qū)用水影響，研發(fā)受水區(qū)多水源聯(lián)合調(diào)度技術(shù)，包括以下內(nèi)容：（1）評(píng)估“最嚴(yán)格水資源管理制度考核辦法”對(duì)外調(diào)水使用量的影響，分析“考核辦法”實(shí)施前后受水區(qū)用水量和用水習(xí)慣的變化；（2）評(píng)估受水區(qū)再生水、海水淡化等非常規(guī)水利用對(duì)外調(diào)水使用量的影響，量化分析中線供水配套工程逐步建成后受水區(qū)的用水結(jié)構(gòu)變化：（3）評(píng)估受水區(qū)水源轉(zhuǎn)換對(duì)超采區(qū)地下水恢復(fù)影響；（4）研究建立受水區(qū)多水源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，為調(diào)度和分水方案優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

2.4總干渠冰水污染多相多過程耦合模擬技術(shù)

中線干渠的潛在污染源和污染物種類較多，污染物的擴(kuò)散會(huì)受到中線復(fù)雜水力建筑物的影響，這造成了中線的污染過程擴(kuò)散模擬和追蹤溯源有較大的難度。在冰期為防治冰害，需考慮氣候的影響，完善冰期冰凌形成原理，并模擬冰情發(fā)展過程。因此需開展以下研究?jī)?nèi)容：（1）分析中線干渠閘門、橋梁、渡槽、倒虹吸等過水建筑物對(duì)明渠輸水過程的影響，研發(fā)能夠精細(xì)化模擬水流形態(tài)的一維、二維或三維的耦合模擬模型；（2）研發(fā)水動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)的在線辨識(shí)技術(shù)，能夠使水動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)，以進(jìn)一步提高模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性；（3）研究建立與天氣預(yù)報(bào)相耦合的冰情發(fā)展模擬模型；（4）分析不同類型污染物擴(kuò)散特點(diǎn)，研發(fā)針對(duì)整個(gè)輸配水渠系的污染擴(kuò)散預(yù)測(cè)與溯源追蹤技術(shù)；（5）研發(fā)地表水與地下水的耦合模擬模型，分析地下水內(nèi)排對(duì)南水北調(diào)中線干渠水質(zhì)的影響；（6）研究多模擬模型集成耦合技術(shù)，研發(fā)模型的快速求解技術(shù)，實(shí)現(xiàn)渠道冰、水動(dòng)力學(xué)和污染擴(kuò)散過程的在線實(shí)時(shí)模擬。

2.5總干渠應(yīng)急工況下水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度技術(shù)

中線工程沿線存在突發(fā)水污染事故等應(yīng)急工況，建議開展以下四方面研究：（1）研究能夠靈活應(yīng)對(duì)突發(fā)水污染事件的渠道運(yùn)行方式，建立節(jié)制閘、分水口門退水閘聯(lián)合運(yùn)用規(guī)則；（2）研究運(yùn)用閘門、分水口門和退水閘聯(lián)合進(jìn)行污染防控的技術(shù)手段和保障機(jī)制，制定科學(xué)合理的閘群應(yīng)急調(diào)度預(yù)案；（3）以工程安全（水力、水質(zhì)安全）為主、以經(jīng)濟(jì)調(diào)度（減少棄水、簡(jiǎn)化閘門操作程序）為輔，研究建立中線干渠的水量水質(zhì)的聯(lián)合調(diào)度模型，保障事故發(fā)生后中線干渠能夠快速恢復(fù)至常態(tài)的閘前常水位運(yùn)行方式；（4）針對(duì)受水區(qū)遭遇嚴(yán)重干旱情景，開展中線工程應(yīng)急供水研究。

2.6總干渠閘泵群非線性耦聯(lián)智能控制技術(shù)

中線總干渠63個(gè)渠段通過水流波動(dòng)相互關(guān)聯(lián)，但這種關(guān)聯(lián)和作用是非線性的。非線性是水流、閘門/泵站動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、渠道水力運(yùn)行要素相互關(guān)聯(lián)的紐帶，是控制系統(tǒng)內(nèi)外協(xié)同、進(jìn)行水力輸移機(jī)理研究的關(guān)鍵。我們需將閘門控制算法與渠道運(yùn)行方式結(jié)合起來考慮，開展渠道運(yùn)行方式、控制方式和閘門控制算法的適用性和匹配性研究：（1）檢驗(yàn)渠道現(xiàn)有運(yùn)行模式、實(shí)現(xiàn)方式和閘門自動(dòng)控制技術(shù)的合理性和控制精度；（2）研究分段子系統(tǒng)渠道水力特性對(duì)控制系統(tǒng)影響的物理機(jī)制，探索合理的渠道運(yùn)行方式和閘泵控制器；（3）改進(jìn)渠道運(yùn)行模式，開發(fā)動(dòng)態(tài)耦合控制模式和控制算法，研發(fā)開發(fā)中線總干渠閘泵群實(shí)時(shí)控制平臺(tái)；（4）研發(fā)冰期輸水過程控制技術(shù)，研究制定冰期輸水的閘泵群安全調(diào)度操作程序；（5）研究極端、事故條件下的分級(jí)、分段控制模式，研發(fā)能夠處理常態(tài)和應(yīng)急工況的閘泵群全自動(dòng)控制平臺(tái)。

2.7南水北調(diào)中線調(diào)度全周期評(píng)價(jià)技術(shù)

全周期評(píng)價(jià)是指對(duì)模型、調(diào)度方案及效果等進(jìn)行客觀的分析，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并通過及時(shí)有效的信息反饋，為調(diào)度決策完善和供水相關(guān)的方案計(jì)劃修訂提出建議。通過全周期評(píng)價(jià)不斷對(duì)模型、方案進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度綜合效益最大的目標(biāo)。建議開展以下研究：（1）開展預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率分析，從提高預(yù)報(bào)精度入手，研究建立針對(duì)氣象、水文和徑流預(yù)報(bào)模型的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和模型；（2）開展模擬模型的標(biāo)定和校核研究，研究建立水文模擬，水力學(xué)模擬、污染擴(kuò)散模擬、冰期發(fā)展模擬等模擬模型的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和模型；（3）從水資源的供需平衡角度入手，分析供水計(jì)劃的完成情況，研究建立能夠衡量中線工程水資源優(yōu)化配置效果的指標(biāo)和模型；（4）綜合考慮系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，研究建立控制性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和模型；（5）圍繞“預(yù)報(bào)-模擬-調(diào)度-控制”四個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，研究建立能綜合全面反映調(diào)度措施執(zhí)行效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和模型。

2.8中線工程常態(tài)與應(yīng)急調(diào)度云服務(wù)平臺(tái)

中線工程的云服務(wù)平臺(tái)就是將前述的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行集成，以支撐中線工程全自動(dòng)化運(yùn)行與智能調(diào)控。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需開展如下四方面研究：（1）分析提取云服務(wù)平臺(tái)所集成模型的通用、共性功能，對(duì)這些功能進(jìn)行抽象封裝后形成應(yīng)用組件，建立可以相互調(diào)用的模型或應(yīng)用組件庫(kù)；（2）研究中線工程現(xiàn)用應(yīng)用系統(tǒng)之間信息交互方式，針對(duì)中線業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需求以及閘控系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)關(guān)系和范式；（3）研究構(gòu)建滿足用水戶和控制中心雙向信息交互的云服務(wù)平臺(tái)，滿足既能在云服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行信息展示，又能通過云服務(wù)平臺(tái)收集水廠、用水戶需求；（4）研究閘泵群控制系統(tǒng)與云服務(wù)平臺(tái)的接入方式，研究云服務(wù)平臺(tái)下信息隔離和共享技術(shù)，通過對(duì)不同的用水戶設(shè)置不同的權(quán)限來達(dá)到平臺(tái)的信息安全和信息共享。

3核心科學(xué)問題

中線工程的運(yùn)行調(diào)度控制是工程技術(shù)問題，但是鑒于其工程自身的復(fù)雜性和諸多組成要素的耦合關(guān)聯(lián)特征，要研發(fā)核心調(diào)控技術(shù)，需要開展科學(xué)問題集中攻關(guān)。核心科學(xué)問題如下。

（1）變化條件下多水源聯(lián)合多維均衡調(diào)控機(jī)制?？缌饔蛘{(diào)水渠道跨越多行政地區(qū)、多地質(zhì)結(jié)構(gòu)、多地貌形態(tài)，同時(shí)由于水源區(qū)供水量以及受水區(qū)的需水量的不確定性，需要深刻認(rèn)識(shí)水資源調(diào)度具有社會(huì)效益、工程效益、經(jīng)濟(jì)效益等多維性特點(diǎn)，綜合考慮未來可能的條件變化，以及當(dāng)前目標(biāo)調(diào)整情況，找出多水源聯(lián)合多維均衡調(diào)控的方法和理論。

（2）水量水質(zhì)多過程耦合機(jī)理及逆時(shí)序反問題求解。中線的過水建筑物眾多，復(fù)雜內(nèi)邊界條件造成渠道水流形態(tài)復(fù)雜，不僅影響到水動(dòng)力學(xué)過程調(diào)控，同時(shí)也影響到渠道物質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散。因此，因此需要研發(fā)中線水量水質(zhì)一、二、三維模模型。并在一維、二維、三維模型的基礎(chǔ)上研究追蹤溯源技術(shù)。

（3）長(zhǎng)距離調(diào)水系統(tǒng)多物質(zhì)突發(fā)水污染應(yīng)急調(diào)度模式。不同的污染物具的擴(kuò)散機(jī)理不同。我們必須針‘對(duì)多種潛在污染物質(zhì)，開展污染物擴(kuò)散特性研究，研發(fā)針對(duì)不同類型污染物的應(yīng)急調(diào)度模式。

（4）多閘門聯(lián)合運(yùn)用下的明渠水力學(xué)響應(yīng)機(jī)理與控制。任一閘門動(dòng)作都會(huì)影響到上下游渠池控制點(diǎn)水位，上下游閘門同時(shí)操作將會(huì)造成水位、流量波動(dòng)的疊加，危及渠道安全運(yùn)行。分析多閘門聯(lián)合運(yùn)用下的明渠水力學(xué)響應(yīng)，開展渠池間波動(dòng)耦合機(jī)理研究，研發(fā)合適的渠道運(yùn)行模式和閘群控制算法，提高輸水安全性，提升輸水效率。

4結(jié)論

中線工程可解決河南、河北、北京和天津4個(gè)省市的水資源短缺問題，具有重要的戰(zhàn)略意義。中線工程輸水線路長(zhǎng)、水力建筑物眾多、工況復(fù)雜多變、尤其是存在突發(fā)水污染事故等應(yīng)急工況，對(duì)中線調(diào)度控制和運(yùn)行管理造成困難。此外，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和流域水文條件的變化，現(xiàn)在中線水源和受水區(qū)的自然水文和用水情況都較設(shè)計(jì)階段發(fā)生了較大改變。因此亟需對(duì)中線調(diào)度運(yùn)行中存在的關(guān)鍵技術(shù)難題開展研究，研發(fā)中線工程的智能化調(diào)控和應(yīng)急調(diào)度平臺(tái)，支撐中線智能化安全運(yùn)行。開展這項(xiàng)研究需要從“預(yù)報(bào)-模擬-調(diào)度-控制-評(píng)價(jià)”五個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)開展，研發(fā)包括水文預(yù)報(bào)、水庫(kù)調(diào)度、渠道水力特性模擬、渠道污染擴(kuò)散分析、閘泵群自動(dòng)化控制等在內(nèi)的多種技術(shù)，涵括工程的調(diào)水方案編制到實(shí)時(shí)閘門操作的整個(gè)流程上的科學(xué)問題。解決這些關(guān)鍵技術(shù)難題和科學(xué)問題，將有助于最大發(fā)揮中線工程的綜合效益。