白溪水庫調度輔助系統(tǒng)的設計

張學功，潘佐華，項小平，秦玲玲，謝敏輝

（寧波市白溪水庫管理局，浙江 寧海 315606）

1 問題的提出

當前，城市建設、社會經濟活動和人民生活水平快速發(fā)展，社會水資源供需矛盾日益突出，相應地對水資源開發(fā)利用及管理提出更高的要求。白溪水庫是寧波市水資源開發(fā)利用工作最前沿、最重要的一項工程措施，對其進行科學調度運用，極大地挖掘現有水資源潛力，是水庫工程管理者的必然選擇。然而，由高校和科研單位開發(fā)研制的白溪水庫調度決策自動化系統(tǒng)多為“體積”較大、結構通用、功能全面但復雜的軟件系統(tǒng)，缺乏針對性，表現為軟件功能設置與水庫工程管理單位對調度管理工作的需求不匹配。為此，張學功曾經開發(fā)一款基于Excel的水庫調度決策輔助系統(tǒng)[1]，這款小軟件投入應用后滿足白溪水庫調度運行中的部分功能需求，效果較好。但隨著時間的推移，這款軟件的缺點也逐漸顯現，主要表現為數據存儲不安全、軟件結構設計不甚合理、多種不同規(guī)則的調洪驗算方法在Excel中應用不穩(wěn)定、軟件功能設定和代碼容易被破壞等。

因此，從白溪水庫調度運行實際需要出發(fā)，利用面向對象的VB編程語言和Microsoft SQL Server數據庫管理系統(tǒng)設計一款C/S架構的白溪水庫調度輔助系統(tǒng)，實現水庫上游降水產流預估、興利調度方案分析、防洪調度模擬分析與決策制定、工程管理信息錄入/查詢、水利工程計算器及水庫調度工作所需的其他輔助功能的高效運行與管理。

2 關鍵技術

（1）系統(tǒng)數據庫設計。主要考慮水庫工程特性、水文歷史數據及各功能模塊需要等。

（2）預估預報模型和洪水模擬。預估預報分析主要是針對降水產流預估設計，選擇簡單實用的降水產流方法，并給出可參考的誤差分析結果；洪水模擬主要考慮洪水量對水庫的影響，以洪水量為依據模擬可能面臨的洪水?？蛇x擇降雨徑流相關預報（P — Pa — Rs三變量分析）模型、蓄滿產流模型、經驗徑流系數法等簡單、實用并有一定精度的預估預報分析模型。

（3）防洪調度模型。根據決策者不同的決策目標和偏好，分別設計規(guī)則模式、水位控制模式、流量控制模式和指令模式等多種調度分析模型。

（4）興利調度模型。當前中長期預報技術和預報成果還不能滿足生產生活需要，因此考慮采用不同時間尺度的長系列調節(jié)計算法作為系統(tǒng)應用模型。另外，研發(fā)水庫長期優(yōu)化調度方案[2]，供決策參考。

（5）系統(tǒng)可擴展性和可移植性處理方法。精心設計數據庫表結構，使系統(tǒng)能適應復雜環(huán)境的變化。利用面向對象技術，實現模型和功能的擴展。

3 系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)結構設計

系統(tǒng)各個模塊的開發(fā)均是圍繞數據庫進行，通過對整個系統(tǒng)的分解和調度決策流程設計，系統(tǒng)結構組成見圖1。

圖1 系統(tǒng)結構組成圖

3.2 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)主要有系統(tǒng)管理、信息管理、預估預報分析、興利調度分析、防洪調度分析、輔助查詢計算等6項功能。

（1）系統(tǒng)管理。包括系統(tǒng)簡介、數據庫連接等功能。通過系統(tǒng)簡介，讓用戶對系統(tǒng)架構及功能設置有一個整體認識。數據庫連接功能是方便用戶在不同的電腦上使用時，快速地設置數據源連接信息，搭建后臺數據庫與前臺應用間的溝通渠道。

（2）信息管理。針對工程特性、調度運用數據、歷史水文數據及工程管理文檔等大量的歷史積累信息，進行科學地庫表設計存儲，設置方便的匯總/查詢/錄入管理窗口。

（3）預估預報分析。根據流域水文特征和雨情數據，設置“（三層）蓄滿產流模式”和“徑流系數法估計”2個模型，實現逐日降水產流預估預報，根據給定的初始條件（初始庫水位、預報誤差限、上游工程蓄水情況等）初步分析次洪水過后水庫水位的變化特征。

作業(yè)人員可根據設定的（逐日）暴雨方案或（逐日）氣象預報成果進行過程（或逐日）降水產流量分析，成果可應用于防洪調度分析模塊中的洪水模擬部分（類似于工程水文中的洪水設計作業(yè)，本系統(tǒng)采用對選定的典型洪水過程按洪水量同倍比縮放得到模擬洪水成果）。作業(yè)人員在總結分析歷史作業(yè)誤差的基礎上，可根據經驗估計面臨階段作業(yè)成果的可能誤差范圍，從而進一步修正模塊的輸出成果。成果以表格形式展示，可保存、匯總、打印、導出等。

（4）興利調度分析。根據工程管理需要和長期調度方案研究成果，考慮設計指令調度模式（采用傳統(tǒng)的長系列時歷法調節(jié)計算，時段可分為月、旬，計算周期可以是旬、月或更長）、常規(guī)調度模式（設計調度方案）、優(yōu)化調度模式（優(yōu)化調度圖、優(yōu)化調度函數）3種調度分析方案，為用戶提供興利調度決策輔助分析。成果以表格形式展示，可實現匯總、統(tǒng)計和打印、導出等。

（5）防洪調度分析。主要是預置預泄調度方案、模擬分析及指令翻譯。預置預泄調度方案是根據面臨雨水情和控泄量等初始條件快速預置預泄調度方案，可給定不同的時段長度，進行詳細的預泄調度過程的模擬，通常時段長度越小，計算結果（庫水位變化過程、出庫流量變化等）越準確。模擬分析是根據氣象預報和相應產流分析成果，通過對選定的歷史洪水過程線進行洪水量倍比縮放和一定的手動修正，得到一條可供分析利用的模擬洪水過程線，再對得到的模擬洪水過程線開展多方案（模式）模擬調度分析，掌握面臨不同情況（主要是不同雨量、洪水類型、洪水規(guī)模）的水庫調洪控制指標，供實時調度階段決策參考。指令翻譯實現實時決策翻譯功能。

系統(tǒng)提供部分設置、修改功能，可供用戶根據面臨實際情況和經驗，對直接得到的模擬洪水成果進行干預修正，以盡可能接近面臨階段的實際情況。成果以表格、圖形方式在窗口展示，可實現多個中間方案的臨時存儲、查詢、匯總、統(tǒng)計和打印、輸出等功能。

（6）輔助功能。主要與水庫調度工作相關的一些文檔和信息的查詢、工程參數計算和匯總及系統(tǒng)使用幫助等。

3.3 系統(tǒng)流程設計

系統(tǒng)功能的定位決定了系統(tǒng)信息流程，主要是各個模塊與數據庫的雙向信息流通（見圖1）。系統(tǒng)應用流程主要是各功能模塊的應用邏輯流程（見圖2）。

圖2 系統(tǒng)應用流程圖

3.4 系統(tǒng)運行環(huán)境

應用平臺操作系統(tǒng)采用Windows xp及更高版本；數據庫采用MS - SQL Server 2000及高版本或其他支持ODBC標準的網絡數據庫。計算機硬件選用當前主流配置。

4 應用分析

雙擊應用程序的桌面圖標或在安裝目錄下雙擊“白溪水庫調度輔助系統(tǒng).exe”，可啟動應用程序，進入系統(tǒng)主界面。如果安裝時未提前設置數據庫連接，則首次啟動程序時會自動彈出數據源配置窗口，要求配置相關信息。

進入系統(tǒng)后，窗口上部分別有系統(tǒng)管理、預估預報、興利調度、防洪調度、信息查詢、信息導入、工具和幫助8個主菜單，每個主菜單又設置相應的功能子菜單。

本系統(tǒng)的研發(fā)持續(xù)多年，功能上也是逐步完善，并在白溪水庫的調度運行中予以應用。從應用情況分析，降水產流預估預報、防洪調度分析等功能均可滿足實際工作需要。

4.1 預估預報

通過對白溪水庫建庫以來的28場洪水反演計算分析，降水產流預估預報的計算誤差基本在±15%以內，考慮到計算時段較長（以日為單位，逐日計算）、無校正糾偏、應用上主要是進行暴雨洪水影響前的形勢分析等因素，其成果誤差基本能滿足工作需要。28場洪水降水產流預估預報作業(yè)誤差分布情況見表1。

表1 降水產流預估預報作業(yè)誤差分布情況表

4.2 防洪調度

在“預泄分析”窗口可分析給定條件（面臨時刻庫水位、后期調度決策等）下的水庫預泄調度方案（庫水位變化過程線、出庫流量過程線等），成果以表格和圖形的方式展現。從實際應用角度考慮，窗口提供定流量預泄和定開度預泄2種調度模式，方便用戶選擇（見圖3）。

在2012年8月上旬的“海葵”臺風影響前，8月5日晚，上級防指部門指示白溪水庫在8月6日午后開閘預泄后于7日8時將庫水位預泄至162.00 m。5日晚水庫技術人員應用本系統(tǒng)“預泄分析”功能反復驗算后，確定在上級防指要求的控泄指標下，7日8時庫水位理論上只能降至162.40 m。后水庫按上級防指調度決策執(zhí)行，7日實際庫水位降至162.46 m，與之前的理論計算值基本一致。

在“模擬分析”窗口可實現生成模擬洪水過程線和針對模擬洪水過程線開展多模式、多方案的防洪調度方案模擬分析（見圖4）。窗口也設置了部分右鍵輔助功能，如對表格的插入/刪除行操作、數據修正、成果導出等。

圖3 預泄調度分析圖

圖4 模擬調度分析窗口圖

5 結 語

本系統(tǒng)在近年白溪水庫運行調度過程中得到初步應用。從應用的情況得出：

（1）系統(tǒng)功能設置反映白溪水庫的工程特點和運行調度管理的要求，基本彌補水庫委托相關科研單位開發(fā)的大型預報調度軟件的不足。

（2）系統(tǒng)具有針對性強、功能明確、簡潔實用、操作方便及良好的可擴展性等特點。

（3）實際工作中，用戶面對的水文氣象信息瞬息萬變，且無重復性，因此在應用本系統(tǒng)的分析功能時，需要用戶積累一定的經驗和掌握大量的歷史水文信息，具有一定的降水產流理論知識，這有助于用戶判斷預估預報作業(yè)成果誤差限和面臨暴雨洪水的影響情勢，提高作業(yè)成果的可靠性。

（4）系統(tǒng)內部的界面展示和個別輔助功能等細節(jié)部分還需進一步改進、完善；系統(tǒng)當前采用的是C/S架構設計，今后可根據用戶需要逐步向B/S架構轉變。

[1] 張學功，盧林全，匡全忠，等.基于Excel的白溪水庫調度決策輔助系統(tǒng)設計.浙江水利科技，2009(6)：43 - 45.

[2] 張學功，鐘平安，歐述俊，等.寧波市白溪水庫隱性隨機優(yōu)化調度研究.中國農村水利水電，2013(2)：148 - 151.