枋洋樞紐水量調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙玉嬌，蘇煜杭，楊 曄

（1.國電南京自動(dòng)化股份有限公司,江蘇 南京 210061；2.廈門水務(wù)原水投資運(yùn)營有限公司,福建 廈門 361000）

1 引言

當(dāng)前,隨著中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化進(jìn)程加快,水資源開發(fā)不平衡、地下水量開采量大、水資源利用效率低等問題日趨嚴(yán)重,水資源短缺現(xiàn)象逐漸凸顯[1]。同時(shí),區(qū)域降水量時(shí)空分布不均、用水管理水平不高,導(dǎo)致水資源供需矛盾逐漸激化,制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展[2]。因此,提高水資源管理水平,嚴(yán)格控制取用水量勢在必行。水資源管理的重要任務(wù)之一是編制科學(xué)的水量調(diào)度方案,優(yōu)化配置水資源,緩解供需矛盾,使有限的水資源發(fā)揮最大的綜合效益[3],而編制科學(xué)的水量調(diào)度方案需要科學(xué)準(zhǔn)確的可供水量計(jì)算、需水預(yù)測及科學(xué)合理的優(yōu)化配置模型作為依托。自20 世紀(jì)中期起我國就開始了對(duì)水資源優(yōu)化配置的研究。近年來,隨著實(shí)踐的逐步開展和研究的不斷深入,根據(jù)可持續(xù)發(fā)展的要求,已成功實(shí)施了多項(xiàng)水量調(diào)度工作。

長泰枋洋水利樞紐工程是福建省廈門、漳州兩市共同依托九龍江流域,實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、跨流域水資源配置的重要工程,是水利部全國172 個(gè)重大節(jié)水供水水利項(xiàng)目之一。工程位于長泰縣枋洋鎮(zhèn),水系屬九龍江北溪龍津溪支流,由上存水庫、尚吉電站、溪口閘壩及溪口-許莊引水隧洞等組成,上存水庫與溪口閘庫聯(lián)合調(diào)度,通過上存水庫對(duì)上存-溪口區(qū)間徑流和石兜水庫進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié),在滿足長泰片和廈門片用水需求的前提下,盡量蓄存汛期來水,減少棄水量,以充分利用水資源。

本文結(jié)合枋洋水利樞紐水量調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn),針對(duì)近年來水資源優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀,以及對(duì)水量分配與調(diào)度實(shí)際需求,設(shè)計(jì)研發(fā)了水量優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)軟件平臺(tái)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

水量優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)通過對(duì)軟件系統(tǒng)的分層設(shè)計(jì)和平臺(tái)功能的模塊化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的集成。系統(tǒng)采取B/S 模式進(jìn)行架構(gòu),選用MySQL 作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),并通過專用的通訊系統(tǒng)通訊,采用面向?qū)ο筌浖O(shè)計(jì)技術(shù),自下而上由以下幾層構(gòu)成：

1）數(shù)據(jù)支撐層。該層為系統(tǒng)業(yè)務(wù)及主要功能提供數(shù)據(jù)支撐,根據(jù)數(shù)據(jù)類別可分為水利工程運(yùn)行數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)、評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)及預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)等,數(shù)據(jù)經(jīng)業(yè)務(wù)層處理后完成功能展示。

2）業(yè)務(wù)支撐層。該層的核心為來水預(yù)測模型、需水預(yù)測模型以及調(diào)度模型的計(jì)算等服務(wù)。數(shù)據(jù)通過模型的計(jì)算可完成水量調(diào)度計(jì)劃的編制,進(jìn)而完成水量調(diào)度方案的確定。

3）軟件功能層。根據(jù)系統(tǒng)功能的需求分析可將系統(tǒng)的功能分為五大模塊,分別是信息服務(wù)、常規(guī)調(diào)度、應(yīng)急調(diào)度、實(shí)時(shí)調(diào)度以及日常業(yè)務(wù)管理。

系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 水量優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

水量優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)是構(gòu)建水量優(yōu)化調(diào)度模型,其核心是科學(xué)協(xié)調(diào)生產(chǎn),兼顧生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生態(tài)用水需求,以生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)與生態(tài)環(huán)境用水的最大保證率為目標(biāo),對(duì)水量進(jìn)行合理分配。根據(jù)業(yè)務(wù)具體需求進(jìn)行功能模塊設(shè)計(jì),包括信息服務(wù)、常規(guī)調(diào)度、應(yīng)急調(diào)度、實(shí)時(shí)調(diào)度、日常業(yè)務(wù)管理五大模塊,功能結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 水量調(diào)度系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.1 信息服務(wù)

信息服務(wù)模塊為系統(tǒng)基礎(chǔ)部分,提供龍津溪流域基本信息的展示,包括水資源綜合信息展示、水量情勢分析以及會(huì)商決策管理三個(gè)方面內(nèi)容。

水資源綜合信息展示包括水系、行政區(qū)、水資源分區(qū)、水庫、水文站、控制斷面、取水口的基礎(chǔ)信息、GIS 圖層、工程運(yùn)行監(jiān)測信息、當(dāng)前調(diào)度計(jì)劃等信息的展示；水量情勢分析評(píng)估已經(jīng)發(fā)生的調(diào)度過程和結(jié)果,對(duì)比調(diào)度計(jì)劃和實(shí)際情況的偏差對(duì)調(diào)度方案進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,為調(diào)度方案的調(diào)整修正提供數(shù)據(jù)支撐,包括綜合情勢分析、來水情勢分析、供水情勢分析以及水資源情勢分析等內(nèi)容；會(huì)商決策管理是通過會(huì)商分析編制完成的各套方案的基本情況,方案執(zhí)行時(shí)可能受到影響的斷面、取水口、城市以及各斷面影響時(shí)長等決策出一套可執(zhí)行方案,是對(duì)歷史調(diào)度會(huì)商信息的記錄與展示。

3.2 常規(guī)調(diào)度

常規(guī)調(diào)度模塊完成調(diào)度方案管理、年、月、旬三種時(shí)間尺度的方案編制以及方案決策等功能。方案管理是對(duì)調(diào)度方案的統(tǒng)一管理,功能上實(shí)現(xiàn)了對(duì)調(diào)度方案的新增、編輯、刪除以及查詢等。調(diào)度方案編制包括如下內(nèi)容：基本信息、徑流預(yù)報(bào)、可供水量計(jì)算、需水預(yù)測、水量分配、水庫調(diào)節(jié)以及結(jié)果分析。

基本信息,包括調(diào)度計(jì)劃起始時(shí)間、終止時(shí)間、方案描述等基本信息以及調(diào)度方案網(wǎng)絡(luò)概化圖；徑流預(yù)報(bào),分析龍津溪流域與廈門地區(qū)降水時(shí)空演變規(guī)律,依據(jù)成因分析與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,選擇與該區(qū)域降水具有較高相關(guān)性的太平洋海溫與大氣環(huán)流預(yù)報(bào)因子,構(gòu)建氣候預(yù)報(bào)因子與月徑流量的多元回歸模型,比較不同方法的預(yù)測結(jié)果與預(yù)測精度,確定徑流預(yù)報(bào)方案,通過表格、柱狀圖以及折線圖等方式對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行展示；可供水量計(jì)算,正算法、倒算法以及經(jīng)驗(yàn)公式法均可對(duì)可供水量進(jìn)行計(jì)算,九龍江流域處于東南沿海,正算法適用于此次計(jì)算,為調(diào)度方案編制提供數(shù)據(jù)支撐；需水預(yù)測,以定額法為基本方法,采用趨勢法進(jìn)行復(fù)核預(yù)測各區(qū)域各部門用水需求,結(jié)合可供水量制定水量分配方案；水量分配基于可供水量以及需水預(yù)測的計(jì)算結(jié)果,計(jì)算上存水庫與溪口閘壩的水資源可利用量動(dòng)態(tài)變化,采用智能優(yōu)化算法進(jìn)行水資源優(yōu)化調(diào)度模型求解,以供定需完成對(duì)不同地區(qū)不同部門的用水分配；水庫調(diào)節(jié)計(jì)算是在供需水計(jì)算和水量分配計(jì)算的基礎(chǔ)上,根據(jù)水庫的基本信息采用不同的水庫調(diào)度模型實(shí)現(xiàn)水量調(diào)度；結(jié)果分析主要是計(jì)算水資源區(qū)、行政區(qū)、用水單元、水庫的水量供需和水資源調(diào)度過程。

方案決策是對(duì)眾多分配方案進(jìn)行對(duì)比篩選,根據(jù)各方意見進(jìn)行會(huì)商決策,選出最優(yōu)水量分配方案進(jìn)行下一步調(diào)度實(shí)施。

3.3 應(yīng)急調(diào)度

應(yīng)急調(diào)度是為突發(fā)事件服務(wù)的,在任何領(lǐng)域,突發(fā)事件都是不可避免的,水資源調(diào)度也不例外。通過應(yīng)急調(diào)度模塊能夠有效減少突發(fā)事件發(fā)生時(shí)的生命財(cái)產(chǎn)損失。該模塊包括突發(fā)水污染調(diào)度、工程事故應(yīng)急調(diào)度以及特殊干旱應(yīng)急調(diào)度,實(shí)現(xiàn)三種突發(fā)事件來臨時(shí)的供水安全保障。

應(yīng)急調(diào)度主要包括預(yù)警分析、方案生成、會(huì)商決策、執(zhí)行監(jiān)控以及成果管理等內(nèi)容。其中針對(duì)不同的突發(fā)事件類型,預(yù)警分析有所不同其他內(nèi)容大同小異。突發(fā)水污染預(yù)警分析包括水質(zhì)預(yù)警、污染識(shí)別以及擴(kuò)散模擬；特殊干旱預(yù)警分析包括干旱預(yù)警、干旱識(shí)別以及干旱預(yù)測模擬；工程事故預(yù)警除了工程預(yù)警外增加了險(xiǎn)情標(biāo)繪以及險(xiǎn)情上報(bào)等內(nèi)容?；陬A(yù)警分析等結(jié)果,分析評(píng)估事件的緊迫性,通過加大水庫泄流量,改變?nèi)∷趩㈤]狀態(tài)等制定應(yīng)對(duì)方案。

3.4 實(shí)時(shí)調(diào)度

實(shí)時(shí)調(diào)度根據(jù)短期水量調(diào)度計(jì)劃,編制并發(fā)布實(shí)時(shí)調(diào)度指令并對(duì)調(diào)度指令進(jìn)行分析管理。該模塊為水量調(diào)度微觀優(yōu)化管理的方案實(shí)施層,是水量調(diào)度系統(tǒng)與閘站監(jiān)控系統(tǒng)的接口界面。

實(shí)時(shí)調(diào)度包含調(diào)度指令的發(fā)布管理、特征管理、資料管理、分類管理以及綜合分析。發(fā)布管理即編輯并發(fā)布調(diào)度指令,并能實(shí)現(xiàn)調(diào)度指令的增刪改查。對(duì)閘站監(jiān)控系統(tǒng)的水量調(diào)度反饋進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,如偏離目標(biāo)值超出閾值范圍,則重新制定調(diào)度目標(biāo),發(fā)布新的調(diào)度指令覆蓋原指令；特征管理是對(duì)調(diào)度指令的一些特征數(shù)據(jù)如調(diào)度工程、調(diào)度指標(biāo)、特征水位等進(jìn)行管理；資料管理對(duì)調(diào)度指令相關(guān)的資料進(jìn)行管理,如調(diào)度指令發(fā)布前的準(zhǔn)備工作、調(diào)度會(huì)商材料、調(diào)度現(xiàn)場資料以及調(diào)度結(jié)束工作總結(jié)等資料進(jìn)行管理；分類管理則是將調(diào)度指令進(jìn)行合理分類,進(jìn)而方便調(diào)度指令的分析管理；調(diào)令綜合分析是對(duì)已經(jīng)完成的調(diào)度指令調(diào)度過程進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析,為往后的調(diào)度提供經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

3.5 日常業(yè)務(wù)管理

日常業(yè)務(wù)管理模塊主要完成基本信息管理、公文發(fā)布、用水申報(bào)受理、統(tǒng)計(jì)計(jì)算等業(yè)務(wù)處理工作,能夠?qū)崿F(xiàn)用水申報(bào)受理、可供水信息接收、調(diào)度方案上報(bào)下發(fā)、調(diào)度指令生成下發(fā)以及各種信息匯總統(tǒng)計(jì)等日常業(yè)務(wù)處理功能,是相關(guān)工作人員日常工作平臺(tái)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

水量優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)在長泰枋洋水利樞紐工程得到了應(yīng)用,面向業(yè)務(wù)管理人員提供信息服務(wù)、常規(guī)調(diào)度、應(yīng)急調(diào)度、實(shí)時(shí)調(diào)度、日常業(yè)務(wù)管理等功能模塊。以“常規(guī)調(diào)度”為例,對(duì)枋洋水利樞紐各重要控制斷面進(jìn)行水量供需平衡計(jì)算,并以圖形化方式展示各控制斷面每月來水量、需水量、預(yù)警等級(jí)及供需差值,界面展示見圖3,通過頁面左側(cè)菜單欄可實(shí)現(xiàn)不同功能模塊的切換。

圖3 水量供需平衡分析界面

5 結(jié)語

水量優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)是提高水資源管理水平,有效緩解用水供需矛盾的重要手段,對(duì)落實(shí)最嚴(yán)格的水資源管理制度,嚴(yán)格控制各地區(qū)、各部門取用水量具有重要意義。水量調(diào)度系統(tǒng)的運(yùn)行,為枋洋水利樞紐工程調(diào)度提供決策支持,為實(shí)現(xiàn)水資源總量控制和智慧監(jiān)管提供平臺(tái)支撐。本系統(tǒng)的研究能夠?yàn)榻窈蟮乃Y源優(yōu)化調(diào)度提供一定的參考和借鑒價(jià)值,有利于提高全國水資源管理水平。