張學(xué)功，潘佐華，項(xiàng)小平，秦玲玲，謝敏輝

（寧波市白溪水庫(kù)管理局，浙江 寧海 315606）

1 問(wèn)題的提出

當(dāng)前，城市建設(shè)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和人民生活水平快速發(fā)展，社會(huì)水資源供需矛盾日益突出，相應(yīng)地對(duì)水資源開(kāi)發(fā)利用及管理提出更高的要求。白溪水庫(kù)是寧波市水資源開(kāi)發(fā)利用工作最前沿、最重要的一項(xiàng)工程措施，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)調(diào)度運(yùn)用，極大地挖掘現(xiàn)有水資源潛力，是水庫(kù)工程管理者的必然選擇。然而，由高校和科研單位開(kāi)發(fā)研制的白溪水庫(kù)調(diào)度決策自動(dòng)化系統(tǒng)多為“體積”較大、結(jié)構(gòu)通用、功能全面但復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，缺乏針對(duì)性，表現(xiàn)為軟件功能設(shè)置與水庫(kù)工程管理單位對(duì)調(diào)度管理工作的需求不匹配。為此，張學(xué)功曾經(jīng)開(kāi)發(fā)一款基于Excel的水庫(kù)調(diào)度決策輔助系統(tǒng)[1]，這款小軟件投入應(yīng)用后滿(mǎn)足白溪水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行中的部分功能需求，效果較好。但隨著時(shí)間的推移，這款軟件的缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不安全、軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不甚合理、多種不同規(guī)則的調(diào)洪驗(yàn)算方法在Excel中應(yīng)用不穩(wěn)定、軟件功能設(shè)定和代碼容易被破壞等。

因此，從白溪水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行實(shí)際需要出發(fā)，利用面向?qū)ο蟮腣B編程語(yǔ)言和Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)一款C/S架構(gòu)的白溪水庫(kù)調(diào)度輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)上游降水產(chǎn)流預(yù)估、興利調(diào)度方案分析、防洪調(diào)度模擬分析與決策制定、工程管理信息錄入/查詢(xún)、水利工程計(jì)算器及水庫(kù)調(diào)度工作所需的其他輔助功能的高效運(yùn)行與管理。

2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。主要考慮水庫(kù)工程特性、水文歷史數(shù)據(jù)及各功能模塊需要等。

（2）預(yù)估預(yù)報(bào)模型和洪水模擬。預(yù)估預(yù)報(bào)分析主要是針對(duì)降水產(chǎn)流預(yù)估設(shè)計(jì)，選擇簡(jiǎn)單實(shí)用的降水產(chǎn)流方法，并給出可參考的誤差分析結(jié)果；洪水模擬主要考慮洪水量對(duì)水庫(kù)的影響，以洪水量為依據(jù)模擬可能面臨的洪水。可選擇降雨徑流相關(guān)預(yù)報(bào)（P — Pa — Rs三變量分析）模型、蓄滿(mǎn)產(chǎn)流模型、經(jīng)驗(yàn)徑流系數(shù)法等簡(jiǎn)單、實(shí)用并有一定精度的預(yù)估預(yù)報(bào)分析模型。

（3）防洪調(diào)度模型。根據(jù)決策者不同的決策目標(biāo)和偏好，分別設(shè)計(jì)規(guī)則模式、水位控制模式、流量控制模式和指令模式等多種調(diào)度分析模型。

（4）興利調(diào)度模型。當(dāng)前中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)技術(shù)和預(yù)報(bào)成果還不能滿(mǎn)足生產(chǎn)生活需要，因此考慮采用不同時(shí)間尺度的長(zhǎng)系列調(diào)節(jié)計(jì)算法作為系統(tǒng)應(yīng)用模型。另外，研發(fā)水庫(kù)長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度方案[2]，供決策參考。

（5）系統(tǒng)可擴(kuò)展性和可移植性處理方法。精心設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的變化。利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)模型和功能的擴(kuò)展。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)各個(gè)模塊的開(kāi)發(fā)均是圍繞數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行，通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的分解和調(diào)度決策流程設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要有系統(tǒng)管理、信息管理、預(yù)估預(yù)報(bào)分析、興利調(diào)度分析、防洪調(diào)度分析、輔助查詢(xún)計(jì)算等6項(xiàng)功能。

（1）系統(tǒng)管理。包括系統(tǒng)簡(jiǎn)介、數(shù)據(jù)庫(kù)連接等功能。通過(guò)系統(tǒng)簡(jiǎn)介，讓用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)及功能設(shè)置有一個(gè)整體認(rèn)識(shí)。數(shù)據(jù)庫(kù)連接功能是方便用戶(hù)在不同的電腦上使用時(shí)，快速地設(shè)置數(shù)據(jù)源連接信息，搭建后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)與前臺(tái)應(yīng)用間的溝通渠道。

（2）信息管理。針對(duì)工程特性、調(diào)度運(yùn)用數(shù)據(jù)、歷史水文數(shù)據(jù)及工程管理文檔等大量的歷史積累信息，進(jìn)行科學(xué)地庫(kù)表設(shè)計(jì)存儲(chǔ)，設(shè)置方便的匯總/查詢(xún)/錄入管理窗口。

（3）預(yù)估預(yù)報(bào)分析。根據(jù)流域水文特征和雨情數(shù)據(jù)，設(shè)置“（三層）蓄滿(mǎn)產(chǎn)流模式”和“徑流系數(shù)法估計(jì)”2個(gè)模型，實(shí)現(xiàn)逐日降水產(chǎn)流預(yù)估預(yù)報(bào)，根據(jù)給定的初始條件（初始庫(kù)水位、預(yù)報(bào)誤差限、上游工程蓄水情況等）初步分析次洪水過(guò)后水庫(kù)水位的變化特征。

作業(yè)人員可根據(jù)設(shè)定的（逐日）暴雨方案或（逐日）氣象預(yù)報(bào)成果進(jìn)行過(guò)程（或逐日）降水產(chǎn)流量分析，成果可應(yīng)用于防洪調(diào)度分析模塊中的洪水模擬部分（類(lèi)似于工程水文中的洪水設(shè)計(jì)作業(yè)，本系統(tǒng)采用對(duì)選定的典型洪水過(guò)程按洪水量同倍比縮放得到模擬洪水成果）。作業(yè)人員在總結(jié)分析歷史作業(yè)誤差的基礎(chǔ)上，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)面臨階段作業(yè)成果的可能誤差范圍，從而進(jìn)一步修正模塊的輸出成果。成果以表格形式展示，可保存、匯總、打印、導(dǎo)出等。

（4）興利調(diào)度分析。根據(jù)工程管理需要和長(zhǎng)期調(diào)度方案研究成果，考慮設(shè)計(jì)指令調(diào)度模式（采用傳統(tǒng)的長(zhǎng)系列時(shí)歷法調(diào)節(jié)計(jì)算，時(shí)段可分為月、旬，計(jì)算周期可以是旬、月或更長(zhǎng)）、常規(guī)調(diào)度模式（設(shè)計(jì)調(diào)度方案）、優(yōu)化調(diào)度模式（優(yōu)化調(diào)度圖、優(yōu)化調(diào)度函數(shù)）3種調(diào)度分析方案，為用戶(hù)提供興利調(diào)度決策輔助分析。成果以表格形式展示，可實(shí)現(xiàn)匯總、統(tǒng)計(jì)和打印、導(dǎo)出等。

（5）防洪調(diào)度分析。主要是預(yù)置預(yù)泄調(diào)度方案、模擬分析及指令翻譯。預(yù)置預(yù)泄調(diào)度方案是根據(jù)面臨雨水情和控泄量等初始條件快速預(yù)置預(yù)泄調(diào)度方案，可給定不同的時(shí)段長(zhǎng)度，進(jìn)行詳細(xì)的預(yù)泄調(diào)度過(guò)程的模擬，通常時(shí)段長(zhǎng)度越小，計(jì)算結(jié)果（庫(kù)水位變化過(guò)程、出庫(kù)流量變化等）越準(zhǔn)確。模擬分析是根據(jù)氣象預(yù)報(bào)和相應(yīng)產(chǎn)流分析成果，通過(guò)對(duì)選定的歷史洪水過(guò)程線進(jìn)行洪水量倍比縮放和一定的手動(dòng)修正，得到一條可供分析利用的模擬洪水過(guò)程線，再對(duì)得到的模擬洪水過(guò)程線開(kāi)展多方案（模式）模擬調(diào)度分析，掌握面臨不同情況（主要是不同雨量、洪水類(lèi)型、洪水規(guī)模）的水庫(kù)調(diào)洪控制指標(biāo)，供實(shí)時(shí)調(diào)度階段決策參考。指令翻譯實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)決策翻譯功能。

系統(tǒng)提供部分設(shè)置、修改功能，可供用戶(hù)根據(jù)面臨實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)直接得到的模擬洪水成果進(jìn)行干預(yù)修正，以盡可能接近面臨階段的實(shí)際情況。成果以表格、圖形方式在窗口展示，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)中間方案的臨時(shí)存儲(chǔ)、查詢(xún)、匯總、統(tǒng)計(jì)和打印、輸出等功能。

（6）輔助功能。主要與水庫(kù)調(diào)度工作相關(guān)的一些文檔和信息的查詢(xún)、工程參數(shù)計(jì)算和匯總及系統(tǒng)使用幫助等。

3.3 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能的定位決定了系統(tǒng)信息流程，主要是各個(gè)模塊與數(shù)據(jù)庫(kù)的雙向信息流通（見(jiàn)圖1）。系統(tǒng)應(yīng)用流程主要是各功能模塊的應(yīng)用邏輯流程（見(jiàn)圖2）。

圖2 系統(tǒng)應(yīng)用流程圖

3.4 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

應(yīng)用平臺(tái)操作系統(tǒng)采用Windows xp及更高版本；數(shù)據(jù)庫(kù)采用MS - SQL Server 2000及高版本或其他支持ODBC標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。計(jì)算機(jī)硬件選用當(dāng)前主流配置。

4 應(yīng)用分析

雙擊應(yīng)用程序的桌面圖標(biāo)或在安裝目錄下雙擊“白溪水庫(kù)調(diào)度輔助系統(tǒng).exe”，可啟動(dòng)應(yīng)用程序，進(jìn)入系統(tǒng)主界面。如果安裝時(shí)未提前設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)連接，則首次啟動(dòng)程序時(shí)會(huì)自動(dòng)彈出數(shù)據(jù)源配置窗口，要求配置相關(guān)信息。

進(jìn)入系統(tǒng)后，窗口上部分別有系統(tǒng)管理、預(yù)估預(yù)報(bào)、興利調(diào)度、防洪調(diào)度、信息查詢(xún)、信息導(dǎo)入、工具和幫助8個(gè)主菜單，每個(gè)主菜單又設(shè)置相應(yīng)的功能子菜單。

本系統(tǒng)的研發(fā)持續(xù)多年，功能上也是逐步完善，并在白溪水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行中予以應(yīng)用。從應(yīng)用情況分析，降水產(chǎn)流預(yù)估預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度分析等功能均可滿(mǎn)足實(shí)際工作需要。

4.1 預(yù)估預(yù)報(bào)

通過(guò)對(duì)白溪水庫(kù)建庫(kù)以來(lái)的28場(chǎng)洪水反演計(jì)算分析，降水產(chǎn)流預(yù)估預(yù)報(bào)的計(jì)算誤差基本在±15%以?xún)?nèi)，考慮到計(jì)算時(shí)段較長(zhǎng)（以日為單位，逐日計(jì)算）、無(wú)校正糾偏、應(yīng)用上主要是進(jìn)行暴雨洪水影響前的形勢(shì)分析等因素，其成果誤差基本能滿(mǎn)足工作需要。28場(chǎng)洪水降水產(chǎn)流預(yù)估預(yù)報(bào)作業(yè)誤差分布情況見(jiàn)表1。

表1 降水產(chǎn)流預(yù)估預(yù)報(bào)作業(yè)誤差分布情況表

4.2 防洪調(diào)度

在“預(yù)泄分析”窗口可分析給定條件（面臨時(shí)刻庫(kù)水位、后期調(diào)度決策等）下的水庫(kù)預(yù)泄調(diào)度方案（庫(kù)水位變化過(guò)程線、出庫(kù)流量過(guò)程線等），成果以表格和圖形的方式展現(xiàn)。從實(shí)際應(yīng)用角度考慮，窗口提供定流量預(yù)泄和定開(kāi)度預(yù)泄2種調(diào)度模式，方便用戶(hù)選擇（見(jiàn)圖3）。

在2012年8月上旬的“?？迸_(tái)風(fēng)影響前，8月5日晚，上級(jí)防指部門(mén)指示白溪水庫(kù)在8月6日午后開(kāi)閘預(yù)泄后于7日8時(shí)將庫(kù)水位預(yù)泄至162.00 m。5日晚水庫(kù)技術(shù)人員應(yīng)用本系統(tǒng)“預(yù)泄分析”功能反復(fù)驗(yàn)算后，確定在上級(jí)防指要求的控泄指標(biāo)下，7日8時(shí)庫(kù)水位理論上只能降至162.40 m。后水庫(kù)按上級(jí)防指調(diào)度決策執(zhí)行，7日實(shí)際庫(kù)水位降至162.46 m，與之前的理論計(jì)算值基本一致。

在“模擬分析”窗口可實(shí)現(xiàn)生成模擬洪水過(guò)程線和針對(duì)模擬洪水過(guò)程線開(kāi)展多模式、多方案的防洪調(diào)度方案模擬分析（見(jiàn)圖4）。窗口也設(shè)置了部分右鍵輔助功能，如對(duì)表格的插入/刪除行操作、數(shù)據(jù)修正、成果導(dǎo)出等。

圖3 預(yù)泄調(diào)度分析圖

圖4 模擬調(diào)度分析窗口圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)在近年白溪水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度過(guò)程中得到初步應(yīng)用。從應(yīng)用的情況得出：

（1）系統(tǒng)功能設(shè)置反映白溪水庫(kù)的工程特點(diǎn)和運(yùn)行調(diào)度管理的要求，基本彌補(bǔ)水庫(kù)委托相關(guān)科研單位開(kāi)發(fā)的大型預(yù)報(bào)調(diào)度軟件的不足。

（2）系統(tǒng)具有針對(duì)性強(qiáng)、功能明確、簡(jiǎn)潔實(shí)用、操作方便及良好的可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。

（3）實(shí)際工作中，用戶(hù)面對(duì)的水文氣象信息瞬息萬(wàn)變，且無(wú)重復(fù)性，因此在應(yīng)用本系統(tǒng)的分析功能時(shí)，需要用戶(hù)積累一定的經(jīng)驗(yàn)和掌握大量的歷史水文信息，具有一定的降水產(chǎn)流理論知識(shí)，這有助于用戶(hù)判斷預(yù)估預(yù)報(bào)作業(yè)成果誤差限和面臨暴雨洪水的影響情勢(shì)，提高作業(yè)成果的可靠性。

（4）系統(tǒng)內(nèi)部的界面展示和個(gè)別輔助功能等細(xì)節(jié)部分還需進(jìn)一步改進(jìn)、完善；系統(tǒng)當(dāng)前采用的是C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，今后可根據(jù)用戶(hù)需要逐步向B/S架構(gòu)轉(zhuǎn)變。

[1] 張學(xué)功，盧林全，匡全忠，等.基于Excel的白溪水庫(kù)調(diào)度決策輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì).浙江水利科技，2009(6)：43 - 45.

[2] 張學(xué)功，鐘平安，歐述俊，等.寧波市白溪水庫(kù)隱性隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度研究.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2013(2)：148 - 151.