宋立松,于桓飛,姚 赟

(浙江省水利河口研究院， 杭州 310020)

浙東引水調(diào)度管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

宋立松,于桓飛,姚 赟

(浙江省水利河口研究院， 杭州 310020)

浙東引水工程輸水線路長，運行管理十分復雜，為了保障浙東引水工程的長期安全穩(wěn)定運行和工程引水調(diào)度效益的發(fā)揮，應用網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫技術對引水線路沿程實時監(jiān)測信息進行了匯聚和分析，提出了基于時間序列分析的引水調(diào)度的周期均值疊加預報的年計劃預報方法、引水調(diào)度動態(tài)修正方法以及引水調(diào)度信息流程；研發(fā)了基于GIS的浙東引水調(diào)度管理系統(tǒng)。系統(tǒng)具有信息監(jiān)測管理、調(diào)度管理、工程管理、政務服務等功能，實現(xiàn)了對引水調(diào)度信息的實時監(jiān)測和匯聚共享。應用結果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在工程引水調(diào)度中發(fā)揮了較好的作用。

浙東引水工程;調(diào)度管理;信息系統(tǒng);實時監(jiān)測;水資源

1 研究背景

為緩解地區(qū)的水資源分布不均，保障地方經(jīng)濟健康穩(wěn)定發(fā)展，通過修建調(diào)水工程重新分配水資源，已成為人類緩解缺水地區(qū)水資源緊張形勢和供需水矛盾的主要途徑[1-3]。浙東引水工程就是為解決浙東蕭紹寧舟地區(qū)水資源短缺問題而修建的重大水利工程,工程引水線路總長度294 km，多年平均引水量8.9億m3，主要由蕭山樞紐、曹娥江大閘、曹娥江至慈溪引水、曹娥江至寧波引水、舟山大陸引水等工程組成，具有輸水線路長、跨多個流域、多個行政區(qū)、工況復雜等特點，是一個多水源、多用戶、多層次、多決策主體的大型水資源系統(tǒng)。為了更好地支持浙東引水工程統(tǒng)一引水調(diào)度和管理，協(xié)調(diào)水資源供給平衡，充分利用計算機、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡及通信技術，建設浙東引水調(diào)度管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)浙東引水工程全程全要素實時監(jiān)控和沿程信息資源的全面共享，通過對各控制區(qū)段水雨情、水量、水質(zhì)、工程運行狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測和分析，為工程科學調(diào)度和水資源優(yōu)化配置提供信息服務，對充分發(fā)揮浙東引水工程的社會效益和經(jīng)濟效益有著重要作用。

2 系統(tǒng)設計

2.1 架構設計

浙東引水調(diào)度管理系統(tǒng)系統(tǒng)采用B/S架構[4-6]模式(圖1)，主要包括數(shù)據(jù)層、應用層、交互層。

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 Framework of the diversion scheduling management system

(1) 數(shù)據(jù)層:包括從各監(jiān)測站直接獲取的實時數(shù)據(jù)、由人工錄入的基礎數(shù)據(jù)及空間數(shù)據(jù)等，具體有工程基礎資料、實時數(shù)據(jù)(閘門開度數(shù)據(jù)、實時流量、水質(zhì)、取水量數(shù)據(jù)、水雨情數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)視數(shù)據(jù))、巡查巡測數(shù)據(jù)、水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史水文資料、氣象數(shù)據(jù)、水文特征資料、全景三維數(shù)據(jù)、空間地理數(shù)據(jù)(基礎地理要素如地名、交通、境界、居民地、地形地貌等及水利專題要素如河道、水閘、堤防、排灌站、水文站網(wǎng)、流量站、閘位站、水質(zhì)監(jiān)測站、視頻監(jiān)控站等)、相關業(yè)務系統(tǒng)專用數(shù)據(jù)(引水計劃、引水條件、調(diào)度方案、工程信息、維修養(yǎng)護信息等數(shù)據(jù))。這些數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務接口提供數(shù)據(jù)服務，與其他相關業(yè)務部門的數(shù)據(jù)交換，主要采用基于數(shù)據(jù)庫復制的數(shù)據(jù)同步和基于消息機制的數(shù)據(jù)推送進行數(shù)據(jù)共享。

(2) 應用層: 通過統(tǒng)一的業(yè)務服務，實現(xiàn)對水量水質(zhì)監(jiān)測監(jiān)控、水量調(diào)度、業(yè)務處理、數(shù)據(jù)綜合處理、基礎資料訪問、基礎地圖訪問等專題服務之間的相互調(diào)用，相互觸發(fā)與數(shù)據(jù)交換來實現(xiàn)對各種專題服務的總體集成。

(3) 交互層:基于WebServices服務架構的人機界面，利用規(guī)范高效的訪問接口進行界面集成。

2.2 系統(tǒng)關鍵技術研究

2.2.1 引水調(diào)度業(yè)務流程

浙東引水工程水量調(diào)度業(yè)務流程如圖2所示。

圖2 引水調(diào)度流程Fig.2 Process of water diversion

首先根據(jù)引水工程水量調(diào)度原則和目標、受水區(qū)水文氣象預報、受水區(qū)水量差積曲線及受水區(qū)上一年用水資料，確定下一年受水區(qū)用水要求；其次，根據(jù)水源區(qū)水文氣象預報和水源水質(zhì)條件，確定下一年引水工程可供水量；然后，根據(jù)受水區(qū)需水要求和引水工程可供水量，結合引水工程的輸水能力，確定各控制斷面供水量和年度水量調(diào)度計劃；最后，確定月水量調(diào)度計劃、應急水量調(diào)度計劃及水量調(diào)度計劃滾動修正方法[7-9]。在實際調(diào)度運行中，在系統(tǒng)中采用了“年預案、月調(diào)整、年終結算、年度結轉”的滾動修正方法對調(diào)度方案進行動態(tài)調(diào)整，主要是根據(jù)前期實際來水信息和各地區(qū)當?shù)毓?、用、需情況，對下月的用水計劃進行動態(tài)調(diào)整。原則上，水源區(qū)按年度預案供水，若月末富春江可供水量與年度預案相差較大，適當降低水源區(qū)引水量制定水源區(qū)引水方案，根據(jù)水源區(qū)月度供水量方案和年度預案該月受水區(qū)的配水權，執(zhí)行“豐增枯減”原則，修正受水區(qū)配水量方案。

2.2.2 水文情勢分析預測

系統(tǒng)采用周期均值疊加預報的長期水文預報方法進行預報，將各水文要素隨時間的變化過程看成是有限個不同周期波相互疊加而形成，通過分析識別出水文要素序列所包含的周期，然后根據(jù)周期外延對水文要素的變化進行預報。首先根據(jù)差積曲線評估近年來本地區(qū)的降水量或來水量的豐枯情況，并結合氣象預報等資料，得到下一年度預測降雨量或來水量，查相應頻率曲線了解相應保證率，為調(diào)度提供依據(jù)。其數(shù)學模型為

(1)

式中：x(t)為水文要素序列；pi(t)為第i個周期波序列；ε(t)為誤差項。計算流程如圖3、圖4所示，計算步驟如下所述。

圖3 年度降雨量預估Fig.3 Estimation of annual rainfall

圖4 各月配水Fig.4 Water allocation in each month

2.2.2.1 受水區(qū)年月度計劃

第1步，通過輸入上一年的真實降雨量，結合距平差積表，模擬不同分組下的情況，計算組間方差和組內(nèi)方差，利用F分布中最大的那組值的平均值作為第1組周期波，然后用距平差值減去第1組周期波長X，重新對X進行分組求有代表意義的那組周期波，最終以平均值加上2組周期作為最終的年預計降雨量。

第2步，通過年預計降雨量值，按大小進行排序，按最終落在的那個區(qū)間求保證率，然后根據(jù)典型年份的月需水計劃通過線性插值進行求解，生成每月的受水區(qū)的計劃。

第3步，通過地方上報的用水需求和水源區(qū)可供水進行實際分配，生成最終月度計劃。

2.2.2.2 水源區(qū)年月度計劃

第1步，通過輸入年徑流量值，求得保證率。

第2步，利用線性插值法，根據(jù)提供的典型年份，求得各地區(qū)可供水量。假定x1對應的y坐標為f(x1)，x0對應的y坐標為f(x0),那么點x對應的y坐標計算公式為

(2)

2.2.3 系統(tǒng)信息流程

根據(jù)水量調(diào)度業(yè)務流程設計引水調(diào)度管理系統(tǒng)日調(diào)度信息流程如圖5所示。首先系統(tǒng)中通過數(shù)據(jù)庫設定觸發(fā)器，在每天上午8：30，自動生成每日引水條件匯總表，引水條件包括富春江電站前3 d平均下泄流量、閘口站前1 d高平潮江水含氯度、允許最大日平均引水流量、蕭山樞紐前1 d水質(zhì)類別、各引水區(qū)平原河網(wǎng)代表站水位、沿線各地未來5 d天氣及降雨預報情況、濁度(考慮加入該數(shù)據(jù)作為是否可引水的條件之一)；然后根據(jù)匯總的每日引水條件并結合其他條件(引水計劃，需要滿足每日的引水量；下游受水地區(qū)的需水情況；下游閘站以及蕭山樞紐整體的工程情況)生成調(diào)度建議方案。

圖5 日調(diào)度運行系統(tǒng)流程Fig.5 Flowchart of daily scheduling operation

調(diào)度建議一般有：①無限制條件，建議引水；②蕭山樞紐水質(zhì)為V類/劣V類，建議暫停引水；③富春江電站前3 d平均下泄流量不滿足調(diào)度運行方案，建議暫停引水；④閘口站前1 d高平潮江水含氯度不滿足調(diào)度運行方案，建議暫停引水；⑤某水位站處于高水位，建議排澇或適時暫停引水；⑥某地區(qū)未來預報降雨量較大，建議適時暫停引水或排澇。之后執(zhí)行調(diào)度建議并進行調(diào)度反饋。系統(tǒng)原則上可以通過數(shù)據(jù)監(jiān)控實時切換常規(guī)調(diào)度方案與應急調(diào)度方案(洪澇期/干旱期)調(diào)度方案，最終由用戶自行確認是否是需要切換常規(guī)調(diào)度和應急調(diào)度的方案。

3 系統(tǒng)功能設計與實現(xiàn)

浙東引水調(diào)度綜合管理系統(tǒng)主要是通過數(shù)據(jù)匯集將通過各種途徑采集到的實時數(shù)據(jù)、巡查巡測數(shù)據(jù)及其他相關業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)等匯總到數(shù)據(jù)中心，進而開展水量調(diào)度業(yè)務管理、調(diào)度監(jiān)視預警、安全運行管理等服務，其功能主要包括：監(jiān)測管理、調(diào)度管理、工程管理、政務服務和系統(tǒng)維護(圖6)。

圖6 系統(tǒng)功能框架Fig.6 Frame of system functions

3.1 監(jiān)測管理

通過對氣象、實時雨情、水情、流量、水質(zhì)、工情等情況的監(jiān)視監(jiān)控，使浙東引水工程相關管理部門領導及工作人員及時掌握各交界斷面的水量水質(zhì)、各受水區(qū)的水質(zhì)及引水水量及各個時段的水量變化情況，并根據(jù)國家水質(zhì)評價標準綜合評定水質(zhì)各類監(jiān)測要素。當出現(xiàn)超警狀況時，向工作人員發(fā)出超警信息。

(1) 水雨情監(jiān)測查詢主要用于實時監(jiān)測分析浙東引水工程沿線及周邊的雨情、河道水情、水閘閘上閘下水情，為運行調(diào)度提供基礎信息[10-11]。

(2) 水質(zhì)監(jiān)測分析[12]主要用于監(jiān)測水質(zhì)測站的溫度、溶解氧、pH值、電導率、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮9項指標，以便實時掌握各交界斷面、引水區(qū)地表水水質(zhì)變化情況及變化趨勢，同時根據(jù)國家水質(zhì)評價標準，進行水質(zhì)各類監(jiān)測要素自動評定，動態(tài)生成水質(zhì)綜合評價表和河網(wǎng)水質(zhì)現(xiàn)狀圖，及時發(fā)現(xiàn)突發(fā)環(huán)境污染事件，為環(huán)境質(zhì)量評價和環(huán)境污染控制提供基礎信息。

(3) 水量監(jiān)測分析主要用于實時監(jiān)測引水干線主要交界斷面流量、取水口取水信息，以便及時掌握整個引水工程供水情況、分水情況、取水情況及引水運行調(diào)度執(zhí)行情況。

(4) 閘門開度監(jiān)測查詢模塊通過各重要性控制水閘閘位啟閉自動監(jiān)控設備，實現(xiàn)對閘門開度及終端機用電電壓的實時監(jiān)控，以便實時掌握供水情況、引水運行調(diào)度執(zhí)行情況。

(5) 實時視頻圖像發(fā)布模塊將以插件方式在客戶端瀏覽器中嵌入播放，實現(xiàn)對閘門工況及水量調(diào)度執(zhí)行情況、河道水面情況的實時監(jiān)視及視頻監(jiān)控歷史信息的查詢。

(6) 自動獲取引水工程沿線及周邊地區(qū)的氣象信息，為引水工程調(diào)度管理工作人員提供氣象服務。

(7) 按照運行調(diào)度方案，當超過警戒值時，系統(tǒng)在地圖上進行閃爍或發(fā)聲，并根據(jù)實際需要，系統(tǒng)自動或手動向有關領導及管理人員的手機發(fā)布預警信息，以便及時采取應急響應措施。

圖7 引水調(diào)度信息界面Fig.7 Diversion dispatching information

3.2 調(diào)度管理

調(diào)度管理[13-14]是通過水雨情、水質(zhì)、水位、氣象預報等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)結合引水年(月)度計劃、工情信息、地方用水需求等數(shù)據(jù)進行分析判斷，提出調(diào)度運行方案建議，并實時監(jiān)控調(diào)度運行的執(zhí)行情況，及時對違規(guī)進行預警，在完成引水之后，能夠自動地進行引水評價工作，為浙東引水管理局日常工作業(yè)務開展及調(diào)度決策提供支撐(圖7)。水量調(diào)度系統(tǒng)主要包括制定引水計劃、實時水量調(diào)度、應急水量調(diào)度、調(diào)度方案總結評價等模塊。

(1) 引水計劃分為受水區(qū)和水源區(qū)，分別對應年度計劃和月度計劃。受水區(qū)的年度計劃通過往年數(shù)據(jù)進行25%，50%等保證率的排序選取典型年份，然后根據(jù)周期均值疊加預報的長期水文預報方法預計降雨量，通過線性插值求得保證率，根據(jù)保證率在結合典型年份中的月度計劃通過線性插值求得各月的供水量。

(2) 實時水量調(diào)度是根據(jù)已制定并批復的調(diào)度方案，結合實時的供水監(jiān)測數(shù)據(jù)、工程運行情況和臨時變化，制定各閘站實時的運行控制方案，并由浙東引水管理局監(jiān)督其他引水工程的運行調(diào)度執(zhí)行情況。

(3) 應急水量調(diào)度是指在洪澇期、干旱期、突發(fā)水污染事件或發(fā)生運行安全險情時，系統(tǒng)對險情進行報警、根據(jù)不同的險情，啟動運行相應的應急調(diào)度模型，制定出各閘站運行控制方案，啟動應急調(diào)度后系統(tǒng)實時監(jiān)視預警模塊自動調(diào)整預警值，以監(jiān)督各引水工程的執(zhí)行情況，并根據(jù)調(diào)度方案要求，結合實際監(jiān)控數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠自動提供干旱、洪澇應急提示，并發(fā)布預警信息至相關管理人員。

(4) 調(diào)度方案總結評價是指每次調(diào)度完成后即時進行總結評估，人工核實、確認流量數(shù)據(jù)，進行引水調(diào)度的績效反饋和評估，分析水量調(diào)度方案和實時調(diào)度指令的執(zhí)行情況，為優(yōu)化調(diào)度方案提供參考。

3.3 工程管理

工程管理主要包括：工程基礎信息查詢、工程巡查及記錄、工程維修方案及備案、全景影像[15-16]等功能模塊，為浙東引水有關的水利工程的安全運行、高效管理提供支撐。其中全景影像在線展示使用全景影像切片發(fā)布為在線電子底圖，可與谷歌等多種在線圖結合，實現(xiàn)多級高清在線圖瀏覽展示。工程巡查[17-18]是由巡查人員或管理人員采用無線手持智能設備，通過無線網(wǎng)與數(shù)據(jù)中心聯(lián)網(wǎng)，進行水利工程安全巡查管理，能夠實現(xiàn)管理人員對出險部位的定位查詢及相關問題信息的查詢，使所報送問題的處理更為及時，包括瀏覽巡查人員上傳的照片、聲音等內(nèi)容，同時電子地圖提供巡查軌跡繪制功能。

3.4 政務服務

主要包括浙東引水工程信息

發(fā)布、公眾服務、政務公開、建設與管理及移動服務等功能。信息發(fā)布包括工程要聞、通知公告、各地動態(tài)、工程面貌、綜合信息、工作簡報等；公眾服務包括水利工程工情、水雨情、水量信息的發(fā)布以及公眾留言、網(wǎng)上咨詢、監(jiān)督投拆等；政務公開包括機構設置、管理制度、通知公告、政策法規(guī)、招標采購等；建設與管理主要向公眾發(fā)布浙江引水工程投資建設進展、運行調(diào)度等情況；同時建立水雨情、水質(zhì)、流量、工情信息等的移動應用服務，供相關領導及工作人員外出期間第一時間便捷地獲悉監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的各類信息。

3.5 系統(tǒng)維護管理

系統(tǒng)維護管理主要實現(xiàn)用戶分組、用戶管理、用戶權限等管理，同時提供對系統(tǒng)內(nèi)各個基本功能的使用幫助。建立一站式單點登陸機制，所有系統(tǒng)用戶均以一次登錄完成所有應用子系統(tǒng)的身份認證和權限分配，通過權限的設置對用戶能調(diào)用的界面和相應的功能進行控制。

4 運行效果

系統(tǒng)建成投入運行后，實現(xiàn)了浙東引水各級管理機構相關信息的共享，為浙東引水工程的安全運行、統(tǒng)一引水調(diào)度和管理提供了有力的信息支撐，通過系統(tǒng)可全面、迅速、及時、準確地掌握浙東引水沿線地區(qū)水雨情信息、水污染狀況、水資源配置和利用狀況以及主要水利工程運行情況，為水資源調(diào)度提供了實時信息支撐和調(diào)度決策支持。

從2015年調(diào)度實踐來看，浙東引水工程累計運行191 d，蕭山樞紐引水3.12億m3，三興閘累計引水2.16億m3，引水末端受水區(qū)慈溪市已累計受水達2.57億m3(超過慈溪市多年平均水資源量6.4億m3的1/3)，由于有了浙東引水的合理調(diào)度，一方面浙東平原地區(qū)的防汛防臺工作主動性大大增強，區(qū)域防汛調(diào)度更加靈活和從容，引水沿線各地汛期的預排預降力度普遍加大，一改以往臺汛期預排預降的矛盾心理；另一方面引水實施后，引水沿線河網(wǎng)水系聯(lián)通，水體流動性加大，水體的自凈能力和水生態(tài)修復能力逐步提高，引水沿線過水區(qū)、受水區(qū)共8個監(jiān)測斷面的水質(zhì)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示， 5個斷面水質(zhì)變優(yōu)，水質(zhì)普遍提高1～2個類別，其他斷面監(jiān)測指標也明顯改善，引水期整體水質(zhì)明顯提高，區(qū)域水環(huán)境持續(xù)改善。系統(tǒng)在水資源保障、水環(huán)境改善、防洪排澇能力提升等方面均發(fā)揮了較好的信息支撐和決策支持，有效地提高了引水沿線的水安全保障能力。

5 結 論

(1) 浙東引水調(diào)度系統(tǒng)從浙東引水調(diào)度的實際操作出發(fā)，依托于電子地圖和GIS技術、移動互聯(lián)網(wǎng)技術，對實時信息和各引水工程的調(diào)度運行情況進行了圖、表監(jiān)控監(jiān)視，并對全過程進行記錄，既保障了引水工程的安全運行和引水調(diào)度效益的發(fā)揮，又為后期的調(diào)度優(yōu)化提供依據(jù)，為水資源精細化管理和精準調(diào)度奠定了基礎。

(2) 系統(tǒng)具有較強的實用性，但在調(diào)度管理上還需要建立相應的管理機制來保障，才能讓系統(tǒng)功能充分發(fā)揮，更好地為浙東引水工程的長期安全穩(wěn)定運行，提高水安全保障能力提供有力支撐。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Design and Implementation of Scheduling Management Systemfor Water Diversion Project in East Zhejiang Province

SONG Li-song, YU Huan-fei, YAO Yun

(Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary, Hangzhou 310020,China)

The water diversion project in the east of Zhejiang province is featured with long route and complex operation management. In order to guarantee the safe and stable running and benefits of the project, we designed and developed a management system for the scheduling of the diversion project based on geological information system (GIS). The system has functions inclusive of information monitoring and management, scheduling management, project management, and administrative services. Network technology and database technology were employed for gathering and analyzing real-time monitoring information along the route. Methods of yearly superposition forecasting and dynamic correction were put forward based on time series analysis, and the workflow of scheduling was designed. The system has run stably and played a good role in the water diversion project.

water diversion project in East Zhejiang; scheduling management; information system; real time monitoring;water resources

2016-03-25；

2016-05-09

浙江省科技計劃項目(2013C33033)

宋立松(1969-)，男，四川樂山人，教授級高級工程師，從事水利信息化研究，(電話)15867136671(電子信箱)slssong@sina.com。

10.11988/ckyyb.20160266

2017,34(7):126-131

TV873.1

A

1001-5485(2017)07-0126-06