平原河網水利工程精細化管理研究

葛銘坤 蘇州市水利建設監(jiān)理有限公司

1.引言

閘泵堰等水利工程在防洪排澇、引調水、改善水環(huán)境、通航等方面都有巨大的功能效益。我國水利工程數量眾多，尤其是東部平原河網地區(qū)水系發(fā)達閘泵密布且往往跨越不同的行政區(qū)，因此管理協(xié)調困難，同時存在年久失修結構老化、管理人員不夠專業(yè)化、調度機制不健全、自動化程度不高等諸多問題，但對于水利工程的管理依舊停留在較為粗獷的管理模式，在應對洪澇風險、市政泵站放江、城市偷排污等突發(fā)狀況時應對不及時、決策靠經驗、調控不精細，因此本文依據國內外水利工程水利信息化管理、智慧管理等方面提出精細化的水利工程管理模式，以期為提高我國水利工程管理水平提供借鑒。

2.水利工程信息化管理

由于閘泵堰等水利工程數量眾多、地域分散、運行管理時效性要求高等特征，采用物聯(lián)網等先進信息技術，通過物聯(lián)感知系統(tǒng)實時采集水雨工情視頻監(jiān)控等數據，結合遠程控制系統(tǒng)，增強防洪除澇及水環(huán)境提升的反應時效性。

2.1 物聯(lián)感知系統(tǒng)

物聯(lián)感知系統(tǒng)由水雨工情數據采集系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、水質監(jiān)測設備等組成。

水雨工情數據采集系統(tǒng)由前端傳感器（水位計、雨量計、閘門開度儀、電流變送器）、數據采集終端、數據傳輸、數據接收與存儲等四部分組成，將采集的水位、雨量、閘門開度、水泵運行情況等信息自動傳輸到一體化管理平臺進行存儲和展示。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由前端采集設備、視頻傳輸、管理中心、監(jiān)控中心四部分組成，主要監(jiān)控機組運行情況與閘泵站周圍情況。

水質監(jiān)測設備的監(jiān)測參數主要有pH、溫度、溶氧、濁度、總磷、氨氮、高錳酸鹽，葉綠素等，以在線自動分析儀器為核心，滿足無人值守條件下的長期、穩(wěn)定水質監(jiān)測數據采集需求。

2.2 遠程操作、自動化控制

閘門、泵除了需對數據進行采集以外，還需要實現遠程控制功能，包括運行監(jiān)視、事故報警、控制與調節(jié)等，通過控制中心向閘泵站的控制柜傳輸指令，實現對閘、泵進行開、關、停止等遠程操作，并可以查詢閘泵站的歷史操作記錄。

控制柜為閘泵站監(jiān)控的主要設備，通過以太網的通訊方式向控制中心發(fā)送采集的各種數據和事件信息，并接受控制中心下發(fā)的命令，實現對閘站設備的監(jiān)控，同時控制柜又能脫離控制中心獨立工作?？刂乒襁h程控制與現場手動控制并行，不存在優(yōu)先等級，可實現交叉控制。如：遠程開，手動停；手動開，遠程停等，使操作人員無須一定要到控制盤前去就地操作，真正實現遠程控制。在正常生產過程中，閘門的啟閉都是通過控制中心的計算機進行操作。

3.智慧管理系統(tǒng)

智慧管理系統(tǒng)以物聯(lián)感知系統(tǒng)監(jiān)控數據為驅動，以遠程控制為手段，以模型數值模擬為核心，以預報預警為保障，統(tǒng)籌兼顧，實現對眾多水利工程的智慧決策遠程調度代替人工調度，在不同調度模式下實現無縫切換，發(fā)揮水資源管理最大效益。

3.1 閘泵堰綜合調度模式

閘泵堰的調度模式依據不同調度情景，分為水安全調度、水資源調度、水環(huán)境調度。

城市洪水內澇危害巨大，因此水安全調度是不同調度模式中最重要的，而閘泵在其中便扮演著抽排澇水、控制水位、控制分流比等重要作用。

區(qū)域水資源分配不均衡，而引水過程經常大部分水量從骨干河道流走，難以兼顧小河，因而利用閘泵對水資源進行再分配對于城市供水安全至關重要。

通過閘泵調水引流引入優(yōu)質水源，可以增加河道的水環(huán)境容量，增大河道流速，提高河水自凈能力，是迅速有效改善水環(huán)境質量的綜合治理措施之一。

一切調度方案都要在水安全相關要求的基礎上運行，同時還要兼顧水資源和水環(huán)境，以實現綜合效益的最大化，針對水安全、水資源、水環(huán)境等情景擬定相應的多種調度情景，基于當地水文水質模型，計算不同調度情景模式下的方案集，每個調度情景均設置多種調度方案，依托預設的調度情景，下文的智慧決策系統(tǒng)可以在不同的調度模式中實現自動切換，具體的調度情景可以有：

（1）日常水環(huán)境調度情景；

（2）日常水資源調度情景；

（3）大、中、小降雨水質恢復的調度情景；

（4）管網破損入河應急調度；

（5）突發(fā)污染事件的調度情景（如小餐館排污等）；

（6）日常水環(huán)境調度切換到防洪調度情景；

（7）汛期調度情景。

3.2 數值模擬系統(tǒng)

利用MIKE、SWMM、InfoWorks ICM等多種城市雨洪數學模型，可以完整的模擬暴雨產流、匯流全過程，并建立閘門的水位-開度-流量過程線，計算單個閘門在不同開度、不同水位組合下的過流量，計算多個閘門在其不同開度、不同水位組合下的分流比，進而模擬不同調度情景下的水位、流量、水質變化情況，并利用實測的水位、流量、水質等數據進行率定，提高模型模擬精度，從而為調度決策提供科學依據。

3.3 預報預警系統(tǒng)

基于ICM-LIVE的預報預警模型結合實時雨情、水情、工情、水質數據庫實現不同預報方案邊界條件、預警閾值、預警信息以及關注點等要素的配置，實時在線滾動預報未來一段時間內研究區(qū)域內任意關注點的水位、流量和污染物濃度變化過程并發(fā)布預警信息。

預報預警模能夠按照不同特征水位、水質指標設置關注河道斷面或關注點的預警閾值，關聯(lián)實際的計算水位和污染物濃度結果，呈現不同預警級別。系統(tǒng)平臺預報預警滾動計算原則上采用一維模型，當實時雨情、水情或預報的水位、流量、污染物超過預警閾值時，以閃爍、聲音等多種方式進行報警，如果降雨超過紅色預警值，或者水質劣化超過一定程度時，系統(tǒng)將可以切換到相應調度模式，并在調度預案中進行比選和推薦。

3.4 智慧決策系統(tǒng)

智慧水利決策系統(tǒng)以GIS平臺為基礎，基于上文中的物聯(lián)感知系統(tǒng)、遠程操作、預報預警、數值模擬等功能構建智能化的一鍵調度決策系統(tǒng)。

系統(tǒng)融合基礎地理地形數據，標注攝像頭、水閘、泵站地理位置，實現管理目標快速定位，能夠快速瀏覽、查詢歷史資料與實時信息和預測信息，供調度指揮人員及時掌握各站點的運行情況，并通過綜合分析各種實時數據，包括水位信息、天氣預報的降水、風力等情況，生成相關調度指令以控制水閘、水泵的開關，實現閘泵站在水安全調度、水資源調度和水環(huán)境調度中的智能切換。

利用河網水位、水質等監(jiān)測資料，對水環(huán)境調度與基本生態(tài)環(huán)境需求、防洪除澇的關系進行探討。若水位u超過擬定的預警值umax，則水環(huán)境調度與防洪排澇發(fā)生關聯(lián)，若水位u低于擬定的最低水位標準umin，則有水環(huán)境調度與基本生態(tài)環(huán)境需求發(fā)生關聯(lián)。利用主客觀權重法對當地各條河流對于調控模型的重要度進行賦權，將權重與相應的評價結果相乘并累加，可得到當地內河網的水位調度綜合評價，比較各調控模型的綜合評分，選取符合得分較優(yōu)的調控方案，實現方案切換。

4.結論

我國水利工程管理中存在著很多問題，制約了我國水利工程的健康發(fā)展，水利工程精細化管理著力于信息化、智慧管理等方面，由以往的經驗管理方式向決策更加科學、反應更加快捷、調控更加精細的管理方式轉變，在保障安全的基礎上不斷提高水利工程的綜合效益，從而推動我國水利事業(yè)的不斷發(fā)展。