基于數(shù)字化閘壩監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

倪娜娜

(遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

隨著當(dāng)今我國(guó)城市現(xiàn)代化步伐的加快和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的河流演變?yōu)槌鞘泻拥?，甚至一些農(nóng)村河道和農(nóng)灌溝渠也將納入到城市范圍。由于城市河道既是整個(gè)江河流域的一部分，又是重要市政基礎(chǔ)設(shè)施，再加上城市河道服務(wù)對(duì)象、流經(jīng)位置及承擔(dān)任務(wù)等特殊性，決定了其在城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、防洪排澇和生態(tài)保護(hù)中的重要地位。為了滿(mǎn)足城市發(fā)展和生態(tài)景觀等需求，在城市河道上往往修建眾多的閘、壩和橋梁等水工建筑物，進(jìn)行攔河蓄水、抬高水位，從而改變了河道形式，對(duì)河道防洪減災(zāi)措施提出了新要求。閘、壩作為城市河道重要水利工程，在城市河道防洪調(diào)度中發(fā)揮著重要作用。建國(guó)以來(lái)，全國(guó)曾多次發(fā)生閘、壩潰垮或城市河道漫堤事故，給社會(huì)帶來(lái)了巨大生命及財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重妨礙社會(huì)發(fā)展，整體安全狀況十分嚴(yán)峻。

近年來(lái)現(xiàn)代自動(dòng)化、信息化技術(shù)日新月異，水利閘壩自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)也獲得了充分的發(fā)展，但由于閘壩結(jié)構(gòu)和城市河道聯(lián)合調(diào)度的特殊性，其相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)研究進(jìn)展緩慢。本文以渾河工程實(shí)踐為基礎(chǔ)，針對(duì)我國(guó)城市河道水工建筑物多、管理機(jī)制不健全、監(jiān)測(cè)手段落后，閘群和壩群等河道水利樞紐綜合調(diào)度、控制難度大等問(wèn)題，充分運(yùn)用現(xiàn)代監(jiān)測(cè)與信息化技術(shù)，在數(shù)字化閘壩監(jiān)測(cè)、河道梯級(jí)樞紐工程綜合調(diào)度和防洪風(fēng)險(xiǎn)分析等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展研究與應(yīng)用，有力推動(dòng)了數(shù)字化閘壩安全監(jiān)測(cè)和河道梯級(jí)樞紐綜合調(diào)度技術(shù)發(fā)展，極大增強(qiáng)了城市河道抗御洪水能力和綜合調(diào)度水平，有效保障了城市河道周邊生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 數(shù)字化閘壩安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)技術(shù)研究

針對(duì)閘壩監(jiān)測(cè)手段落后、管理機(jī)制不健全、閘壩安全運(yùn)行分析評(píng)價(jià)不及時(shí)等問(wèn)題。本文通過(guò)研發(fā)集數(shù)據(jù)采集、通訊、整編、分析、評(píng)價(jià)等一站式、共享型的數(shù)字化閘壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了閘壩水位、流量、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移變形、滲流、土壓力、溫度和裂縫等多指標(biāo)的一站式采集與多信息共享型管理，將復(fù)雜多變的閘壩監(jiān)控信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺R(shí)別的數(shù)字或數(shù)據(jù)，進(jìn)一步結(jié)合傳統(tǒng)水利建立了數(shù)字化模型，同步構(gòu)建了數(shù)字化閘壩群在線式安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了城市河道閘壩的預(yù)報(bào)預(yù)警和在線綜合分析評(píng)價(jià)。如圖1—2所示。

圖1 閘壩安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)功能

2 閘壩自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)建與現(xiàn)地防護(hù)技術(shù)研究

本文通過(guò)分析城市河道壩群和閘群的控制應(yīng)用原理，結(jié)合河道建筑物對(duì)河道行洪能力、生態(tài)保護(hù)等方面的實(shí)際影響，開(kāi)展不同水利工程的自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)、群測(cè)群控的集成技術(shù)和全線通訊平臺(tái)搭建等技術(shù)研究。借助傳感、信息和可視化等先進(jìn)信息化技術(shù)，研發(fā)出集雨水情、監(jiān)測(cè)、控制與視頻等各類(lèi)信息一體化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)；同時(shí)，針對(duì)自動(dòng)化本身系統(tǒng)特點(diǎn)，進(jìn)行了設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)和施工工藝技術(shù)研究，為系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。如圖3—4所示。

圖2 閘壩安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)界面

圖3 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視系統(tǒng)

圖4 雨水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3 城市河道樞紐工程聯(lián)合控制與綜合調(diào)度技術(shù)研究

綜合數(shù)字化閘壩監(jiān)測(cè)信息及河道上的水庫(kù)、橡膠壩、調(diào)節(jié)閘、船閘、控制閘等控制工程閘壩群，開(kāi)展梯級(jí)樞紐工程聯(lián)合控制和綜合調(diào)度技術(shù)研究。本文以調(diào)度允許時(shí)間為約束條件，以抗御能力為參數(shù)，創(chuàng)建城市河流閘壩群聯(lián)合調(diào)度模型和閘壩控制方案。構(gòu)建了城市河道樞紐工程聯(lián)合控制與綜合調(diào)度系統(tǒng)平臺(tái)；解決了城市河道水利工程聯(lián)合控制運(yùn)用和綜合調(diào)度難題。渾河沈陽(yáng)城市段水利工程布置如圖5所示。

圖5 渾河沈陽(yáng)城市段水利工程布置概化圖

3.1 數(shù)字化河道物理模型構(gòu)建

本研究模擬渾河上(沈陽(yáng)城市段)在建、擬建的堤防、水閘等水工建筑物，劃分河道觀測(cè)(河道水位、流速等參數(shù))斷面，借助流場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)(VDMS)、水位流速測(cè)量系統(tǒng)等平臺(tái)作為觀測(cè)工具；進(jìn)行物理模型、數(shù)字模型的相似度建模和洪水模擬相似度評(píng)估，為水工建筑物工程設(shè)計(jì)參數(shù)、河道治理方案以及防洪減災(zāi)決策提供支撐。室內(nèi)物理模型如圖6所示。渾河沈陽(yáng)城市段100a一遇的洪水淹沒(méi)如圖7所示。

圖6 室內(nèi)物理模型示意圖

圖7 渾河沈陽(yáng)城市段100a一遇的洪水淹沒(méi)

3.2 河道洪水預(yù)報(bào)預(yù)警模型技術(shù)研究

以渾河大伙房至沈陽(yáng)城市段間的水文監(jiān)測(cè)、防洪減災(zāi)、語(yǔ)音報(bào)汛、氣象監(jiān)測(cè)、工情監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)基礎(chǔ)信息為依據(jù)，在渾河物理模型建設(shè)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建渾河(沈陽(yáng)城市段)洪水預(yù)報(bào)預(yù)警模型。系統(tǒng)模型借助預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)變量信息(包括雨水情、工情等信息)作為啟動(dòng)預(yù)報(bào)預(yù)警模型和方法的約束條件；同時(shí)，對(duì)預(yù)報(bào)預(yù)警模型的計(jì)算成果或其參數(shù)不斷進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，并在系統(tǒng)平臺(tái)中展示實(shí)時(shí)、預(yù)報(bào)的水位(流量)、洪量和洪水過(guò)程要素。本研究的支撐模型采用具有代表性的蓄滿(mǎn)產(chǎn)流模型，Pa值的計(jì)算方法采用前15d(可自定義)的土壤蓄水情況和降水量逐日計(jì)算，以更準(zhǔn)確地描述土壤的前期影響值。降水過(guò)程，徑流產(chǎn)生過(guò)程均可保存、查詢(xún)，洪水預(yù)報(bào)模型計(jì)算結(jié)果可通過(guò)借助圖形交互處理的方式進(jìn)行人工干預(yù)，進(jìn)一步得到可以發(fā)布的連續(xù)預(yù)報(bào)成果，為渾河工程樞紐聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用系統(tǒng)提供了數(shù)字模型基礎(chǔ)。如圖8所示。

3.3 綜合調(diào)度決策支持系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)研究

課題基于WEB技術(shù)，搭建了防洪減災(zāi)調(diào)度系統(tǒng)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了針對(duì)管理支持信息、渾河物理模型試驗(yàn)成果和渾河工程聯(lián)合調(diào)度方案研究成果的信息支持系統(tǒng)。主要功能:沈陽(yáng)市地理信息查詢(xún)、渾河沈陽(yáng)段流域水雨情查詢(xún)、衛(wèi)星云圖在線查詢(xún)、流域

圖8 渾河洪水預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)功能

特征斷面信息管理、流域區(qū)段特征信息管理、流域樞紐調(diào)度模型支持、流域模型試驗(yàn)研究成果管理、流域防汛機(jī)構(gòu)組織管理、流域防汛人員組織管理、救災(zāi)物資管理、救災(zāi)物資調(diào)度、搶險(xiǎn)責(zé)任管理、避險(xiǎn)信息管理、辦公自動(dòng)化支持、防洪BBS系統(tǒng)支持和系統(tǒng)數(shù)據(jù)維護(hù)后臺(tái)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)成果

4 結(jié)語(yǔ)

縱觀國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，本文根據(jù)城市河道樞紐水工建筑物多，在線式安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)、聯(lián)合調(diào)度和控制難度大等特點(diǎn)，開(kāi)展了數(shù)字化閘壩安全監(jiān)測(cè)分析、城市河道物理模型與數(shù)字模型構(gòu)建、樞紐工程綜合調(diào)度與控制、一站式綜合調(diào)度系統(tǒng)構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)的研究。首次以調(diào)度允許時(shí)間為約束條件和以抗御能力為參數(shù)，創(chuàng)建了城市河流閘壩群聯(lián)合調(diào)度模型和閘壩控制方案；建立了城市河道樞紐工程聯(lián)合控制與綜合調(diào)度系統(tǒng)平臺(tái)，填補(bǔ)了閘壩群綜合調(diào)度技術(shù)空白。