南四湖二級壩泄量糾偏模型建設(shè)探討

杜慶順，于百奎，劉媛媛，劉業(yè)森，胡文才，金炎輝

（1.水利部淮河水利委員會沂沭泗水利管理局水文局（信息中心），221018，徐州；2.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；3.水利部數(shù)字孿生流域重點實驗室，100038，北京）

近年，隨著歷史數(shù)據(jù)不斷積累，利用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)提高水利工作智能化水平的應(yīng)用案例不斷涌現(xiàn)，在降雨模式提取、城市洪澇預(yù)測等方面都取得了良好進展。水利部大力推動數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生工程等項目建設(shè)，其中，構(gòu)建知識平臺，通過知識庫、知識引擎建設(shè)，提高數(shù)字孿生水利建設(shè)智能化水平，在防洪調(diào)度等方面發(fā)揮了很好的作用。大型工程作為防洪、水資源調(diào)度等業(yè)務(wù)的主要控制工程，積累了大量的調(diào)度、監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過挖掘歷史數(shù)據(jù)的規(guī)律提高工程調(diào)度效率和精度是可行途徑。

南四湖二級壩樞紐是分泄南四湖上級湖洪水入下級湖的控制工程，由土壩、溢流壩、一閘、二閘、三閘等防洪工程及南水北調(diào)東線二級壩泵站、二級壩船閘和二級壩復(fù)線船閘組成，防洪工程設(shè)計總泄量為14 520 m3/s，其中溢流壩、一閘、二閘和三閘的設(shè)計流量分別為2100 m3/s、4500 m3/s、3300 m3/s 和4620 m3/s。在二級壩一閘、二閘、三閘等閘門開啟過程中，隨著閘門上下游水位和流態(tài)的變化，水閘泄量逐漸發(fā)生變化，當(dāng)超過誤差允許的范圍（即誤差超過調(diào)度指令泄量的10%）時，現(xiàn)有流量計算方法和經(jīng)驗方法均有誤差，一般通過人工測流的方式進行實測，每次測流約耗時4 h，效率較低，因此迫切需要實現(xiàn)水閘的泄量自動糾偏。

一、泄量控制存在的問題

南四湖主要防洪工程有二級壩樞紐、韓莊樞紐、藺家壩樞紐、湖西大堤、湖東堤及湖東滯洪區(qū)等。1958 年興建的二級壩樞紐將南四湖分為上級湖、下級湖，上級湖流域面積27 439 km2，總庫容25.32 億m3；下級湖流域面積3742 km2，總庫容34.80 億m3。南四湖二級壩水利樞紐橫跨湖腰最窄處，是蓄水灌溉、防洪排澇、南水北調(diào)、工業(yè)供水、水陸交通、水產(chǎn)養(yǎng)殖和改善生態(tài)環(huán)境等綜合利用的樞紐工程，包括一閘、二閘、三閘、微山一線船閘等工程，其間以攔湖土壩相連，其中一閘39 孔，設(shè)計流量4500 m3/s；二閘55 孔，設(shè)計流量3300 m3/s；三閘84 孔，設(shè)計流量4620 m3/s。南四湖內(nèi)有大量莊臺、村莊，湖區(qū)內(nèi)魚塘眾多，嚴重影響湖區(qū)的行洪和洪水調(diào)度。目前主要通過上下游水位、閘門開啟高度、開孔數(shù)等數(shù)據(jù)計算泄流量。

當(dāng)上級湖、下級湖的汛末蓄水位分別為34.5 m和32.5 m，二級壩閘上下游水位差△Z 一般保持在1.7～2.0 m。當(dāng)二級壩閘大流量下泄時，剛開閘時瞬時泄流量一般都比較大，在開閘后1～2 h內(nèi)閘前蓄水泄至下級湖，使得閘上水位迅速下降，閘下水位迅速上升，閘上下游水位差逐步減小，下泄流量也會逐步減小，尤其是當(dāng)閘門提出水面時，南四湖湖區(qū)行洪特征與河道行洪類似。

對南四湖二級壩一閘近年調(diào)度及實測數(shù)據(jù)進行分析，流量誤差超出允許范圍的分布較為離散，詳見表1。

表1 南四湖調(diào)度及實測數(shù)據(jù)流量誤差分析

依據(jù)近年南四湖行洪過程中二級壩樞紐調(diào)度情況，當(dāng)閘門上下游水位差大于0.2 m時，一閘、二閘、三閘查線流量與實測流量誤差超過10%的比例分別為30%、22%和26%；當(dāng)閘門上下游水位差小于0.2 m時，一閘、二閘、三閘查線流量與實測流量誤差超過10%的比例分別為80%、65%和72%；且誤差超出范圍的分布較為離散，不具有明顯的規(guī)律或特征。

二、泄量糾偏模型知識庫構(gòu)建

1.歷史調(diào)度資料收集

整理了南四湖二級壩一閘、二閘、三閘的調(diào)度指令執(zhí)行數(shù)據(jù)和泄量糾偏數(shù)據(jù)，主要包括2017—2022年南四湖二級壩一閘、二閘、三閘的調(diào)度指令資料，以及水位監(jiān)測數(shù)據(jù)、工情數(shù)據(jù)、泄量測量記錄等，共收集了430次紙質(zhì)會商記錄、310份調(diào)度指令記錄掃描件、270條實測糾偏記錄。

2.數(shù)據(jù)標(biāo)準化處理

調(diào)度指令執(zhí)行數(shù)據(jù)主要包括調(diào)度指令編號、調(diào)度指令泄量、調(diào)度指令執(zhí)行時間、閘上水位、閘下水位、開高、開孔數(shù)、實際泄量等信息，根據(jù)不同的調(diào)度指令泄量，匯總閘上水位、閘下水位、開高和開孔數(shù)等之間的對應(yīng)關(guān)系和分布區(qū)間，為自動糾偏模型推薦開孔數(shù)和開高提供經(jīng)驗。從調(diào)度指令資料中提取調(diào)度指令編號、調(diào)度指令泄量、調(diào)度指令執(zhí)行時間，根據(jù)調(diào)度指令執(zhí)行時間從水位監(jiān)測數(shù)據(jù)表中提取對應(yīng)測站的閘上水位、閘下水位信息，以及從工情數(shù)據(jù)表中提取水閘的開高、開孔數(shù)、實際泄量等信息。

泄量糾偏數(shù)據(jù)主要包括調(diào)度指令編號、調(diào)度指令泄量、調(diào)度指令執(zhí)行時間、調(diào)整時間、閘上水位、閘下水位、開高、開孔數(shù)、實際泄量等信息，為自動糾偏模型的訓(xùn)練提供樣本。從調(diào)度指令資料中提取調(diào)度指令編號、調(diào)度指令泄量、調(diào)度指令執(zhí)行時間，從泄量測量記錄表中提取測量的實際泄量，根據(jù)測量時間從水位監(jiān)測數(shù)據(jù)表中提取對應(yīng)測站的閘上水位、閘下水位信息，以及從工情數(shù)據(jù)表中提取水閘的開高、開孔數(shù)等信息。

3.數(shù)據(jù)存儲

將標(biāo)準化處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，作為泄量糾偏模型的訓(xùn)練樣本，數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)見表2。

表2 二級壩歷史調(diào)度數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)

處理后的2017—2022 年調(diào)度指令數(shù)據(jù)共150條，其中一閘24 條、二閘78 條、三閘48 條。處理后的2017—2022年泄量糾偏數(shù)據(jù)共268條，其中一閘13條、二閘190條、三閘65條。

三、泄量糾偏模型構(gòu)建及訓(xùn)練

1.輸入樣本

在數(shù)字孿生南四湖二級壩工程建設(shè)過程中，為了解決流量誤差較大的問題，通過構(gòu)建知識平臺專家經(jīng)驗庫，訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)模型來預(yù)測流量、開啟高度、開孔數(shù)，實現(xiàn)南四湖二級壩的泄量預(yù)警和自動糾偏。輸入樣本包括一閘樣本數(shù)據(jù)13 條、二閘樣本數(shù)據(jù)190 條、三閘樣本數(shù)據(jù)65條。

2.模型訓(xùn)練

利用樣本數(shù)據(jù)中的上游水位、下游水位、實測流量等，訓(xùn)練梯度提升回歸模型。

梯度提升回歸模型實現(xiàn)思路：①針對同一個訓(xùn)練集訓(xùn)練多層的弱分類器，每層使用訓(xùn)練集訓(xùn)練一個弱分類模型，從訓(xùn)練出的模型中得到預(yù)測結(jié)果；②根據(jù)訓(xùn)練集中樣本分類、總體分類的準確率來確定每個樣本上應(yīng)重新分配的權(quán)值，將修改過權(quán)重后的新數(shù)據(jù)集訓(xùn)練一個下層的分類器；③對樣本進行多輪訓(xùn)練，直到誤差樣本的比例低于設(shè)定閥值時，將每層分類器按權(quán)重進行融合。

為解決樣本數(shù)量不足問題，隨機抽取各個指令泄量、開孔數(shù)等數(shù)據(jù)，循環(huán)該操作100 次，形成樣本集。樣本集70%的數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練模型，30%的數(shù)據(jù)用于模型測試，以降低模型的過擬合能力，提高泛化能力?？筛鶕?jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)運行中得到的實測流量，自動訓(xùn)練模型，同步更新模型庫，從而提高模型預(yù)測精度。泄量糾偏模型訓(xùn)練完成后，提供RESTful格式的泄量預(yù)測接口，為相關(guān)應(yīng)用提供服務(wù)。

四、泄量糾偏模型應(yīng)用流程及實踐

1.應(yīng)用流程

泄量糾偏模型通過服務(wù)接口為防洪調(diào)度和工程管理提供智能化支撐，調(diào)用流程見圖1。

圖1 不同工況下泄量糾偏模型調(diào)用流程

防洪調(diào)度會商發(fā)出調(diào)度指令后，業(yè)務(wù)系統(tǒng)輸入調(diào)度指令信息，包括調(diào)度水閘名稱、調(diào)度執(zhí)行時間、調(diào)度指令泄量等。當(dāng)水閘處于關(guān)閉狀態(tài)時，泄量糾偏模型獲取當(dāng)前閘上水位、閘下水位等實時監(jiān)測信息，根據(jù)每個水閘的歷史執(zhí)行經(jīng)驗，從水閘對應(yīng)泄量的最小開高、最小開孔數(shù)，到最大開高、最大開孔數(shù)，循環(huán)計算每個開高、開孔數(shù)對應(yīng)的泄量值，最終只保留泄量值與調(diào)度指令泄量誤差在10%內(nèi)的調(diào)度方案并返回業(yè)務(wù)系統(tǒng)；水閘開啟狀態(tài)的調(diào)令轉(zhuǎn)換過程與關(guān)閉狀態(tài)相似。當(dāng)水閘執(zhí)行調(diào)度后，泄量糾偏模型按設(shè)定的時間間隔計算水閘當(dāng)前狀態(tài)流量，如果當(dāng)前泄量與調(diào)度指令泄量偏差超過10%時，發(fā)出預(yù)警，并執(zhí)行泄量自動糾偏計算，泄量糾偏模型獲取當(dāng)前閘上水位、閘下水位等實時監(jiān)測信息，以及調(diào)度指令泄量、當(dāng)前開高、當(dāng)前開孔數(shù)，通過糾偏模型計算出與調(diào)度指令泄量誤差小于10%的開孔數(shù)和開高，返回3類糾偏組合：開孔數(shù)不變、開高不變、開孔數(shù)和開高都變，供業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行調(diào)度決策。

2.應(yīng)用實踐

模型訓(xùn)練完成后，結(jié)合2023年度調(diào)令執(zhí)行及近年實測數(shù)據(jù)進行模擬驗證，對泄量糾偏模型共進行了泄量驗證256 次、開高驗證207 次，驗證結(jié)果均為合格，其中流量誤差不超過6%，開高誤差不超過1%。目前泄量糾偏模型已經(jīng)集成到工程管理系統(tǒng)中，為工程調(diào)度提供支撐。下一步，將結(jié)合模型在實際工作中的使用情況對其不斷優(yōu)化。

五、結(jié)論

本文探索了利用歷史經(jīng)驗提高大型工程調(diào)度效率和精度的方法，建立了南四湖二級壩泄量糾偏模型，以南四湖二級壩實時上下游水位、閘門開度和泄流曲線歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建設(shè)泄量糾偏機器學(xué)習(xí)模型并進行訓(xùn)練，通過服務(wù)接口提供服務(wù)。該模型可精確判定二級壩上下游水位—水閘泄量—閘門開度關(guān)系，可實現(xiàn)當(dāng)泄量超過允許誤差時自動報警，并推薦多種糾偏方案，后續(xù)可通過數(shù)值實驗提供最優(yōu)方案，為二級壩水閘精細化調(diào)度提供技術(shù)支撐。構(gòu)建的模型具有較強的數(shù)值模擬能力，可為其他類似大型水閘工程調(diào)度控制提供參考借鑒，為水旱災(zāi)害防御提供支撐。