莫曉聰 ，丁小玲 ，3，李 強(qiáng) ，李遠(yuǎn)超 ，畢 勝 ，黃 燦

（1. 長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北 武漢 430015；2. 武漢長(zhǎng)江科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司，湖北 武漢 430015；3. 華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

洱海是云南省第二大高原淡水湖，具有防洪，調(diào)節(jié)氣候，提供工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水等多種功能，對(duì)大理地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)文明協(xié)調(diào)建設(shè)與發(fā)展起著舉足輕重的作用。隨著大理城市化、工業(yè)化，以及旅游業(yè)的快速發(fā)展，洱海流域的開(kāi)發(fā)利用隨之加快，水資源供需矛盾日益突出。因此，以最嚴(yán)格水資源管理制度為指導(dǎo)原則[1-2]，科學(xué)合理地調(diào)度洱海水資源，改善洱海流域水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部條件[3]，對(duì)解決流域用水矛盾，保護(hù)河流和湖泊生態(tài)環(huán)境健康具有重要意義。

洱海入湖水資源量主要包括上游河道、蒼山十八溪和其他小型支流來(lái)水，以及工程引水、污水排放、自然降雨等，取水用水涉及生活、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)等多個(gè)方面，洱海承擔(dān)湖濱及西洱河防洪、引洱入賓灌溉供水、西洱河發(fā)電用水，以及緩解下游河道水質(zhì)污染等調(diào)度任務(wù)?，F(xiàn)狀調(diào)度管理模式自 1990 年至今已運(yùn)行多年，為洱海的供水、防洪調(diào)度提供了決策支持，但基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化程度仍有待提高，水質(zhì)和取用水量等環(huán)節(jié)監(jiān)管數(shù)據(jù)有待完善，此外，已有的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法和人工經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的預(yù)報(bào)調(diào)度計(jì)劃存在不確定性較高、精度不足等問(wèn)題，難以完全滿足水資源的科學(xué)調(diào)度與監(jiān)管要求。因此，搭建一套新的水資源綜合調(diào)度管理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)水資源調(diào)度系統(tǒng)）框架，對(duì)洱海的入湖、出湖水質(zhì)水量等各環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控，為洱海水資源安全保障和合理利用提供決策數(shù)據(jù)。

1 水資源調(diào)度系統(tǒng)需求

結(jié)合最嚴(yán)格水資源管理制度要求，對(duì)洱海水資源調(diào)度管理需求進(jìn)行梳理，調(diào)度業(yè)務(wù)總體流程分為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)度計(jì)劃編制、水資源統(tǒng)計(jì)分析等 3 個(gè)部分，三者之間是相互關(guān)聯(lián)的閉環(huán)反饋關(guān)系。具體流程分析如下：

1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為保障調(diào)度方案的有效實(shí)施，需開(kāi)展水雨情、水量、水質(zhì)、工情等的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，完善基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)體系，提高監(jiān)控信息采集、傳輸?shù)臅r(shí)效性。水資源調(diào)度系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)監(jiān)測(cè)信息的采集、傳輸、接收、存儲(chǔ)和展示，當(dāng)測(cè)站監(jiān)測(cè)指標(biāo)超過(guò)警戒閾值時(shí)，顯示實(shí)時(shí)預(yù)警信息。

2）調(diào)度計(jì)劃編制。調(diào)度計(jì)劃編制是在當(dāng)前情勢(shì)和歷史數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，采用預(yù)報(bào)和調(diào)度模型制定未來(lái)調(diào)度計(jì)劃方案。根據(jù)洱海流域水資源調(diào)度運(yùn)行管理辦法，需在每年 1 和 4 月分別制定本年度和汛期流域水資源調(diào)度運(yùn)行方案。主要包括以下 2 種計(jì)劃方案編制：a. 水資源調(diào)度計(jì)劃。在批準(zhǔn)的水量分配方案和年度來(lái)水預(yù)報(bào)、用水需求預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程運(yùn)行情況，按照優(yōu)先保障城鄉(xiāng)生活和洱海生態(tài)用水，合理分配工業(yè)用水，科學(xué)安排農(nóng)業(yè)和發(fā)電用水的原則，制定年度水量分配方案和調(diào)度計(jì)劃，科學(xué)確定用水時(shí)段和用水量，實(shí)施年度總量控制和水量統(tǒng)一調(diào)度。b. 洪水調(diào)度方案。在現(xiàn)有調(diào)度規(guī)則基礎(chǔ)上，結(jié)合預(yù)報(bào)洪水，合理安排西洱河和引洱入賓工程泄洪，保障洱海湖濱岸帶及西洱河防洪安全的同時(shí)，也保障下游的防洪安全。

3）水資源統(tǒng)計(jì)分析。水資源統(tǒng)計(jì)分析是對(duì)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和調(diào)度計(jì)劃方案的總結(jié)，同時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、監(jiān)視、跟蹤調(diào)度計(jì)劃執(zhí)行情況，通過(guò)水資源統(tǒng)計(jì)分析總結(jié)歷史調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步指導(dǎo)未來(lái)的科學(xué)調(diào)度。水資源統(tǒng)計(jì)分析對(duì)實(shí)測(cè)降水量、流量、取用水量、水質(zhì)等進(jìn)行不同時(shí)空尺度的統(tǒng)計(jì)，分析入湖徑流、取用水量、工程運(yùn)行、水質(zhì)等時(shí)間序列的特征和變化規(guī)律，為流域水資源日常管理提供數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)和報(bào)表導(dǎo)出的功能；根據(jù)調(diào)度計(jì)劃和實(shí)際監(jiān)測(cè)信息對(duì)調(diào)度計(jì)劃執(zhí)行情況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，為調(diào)度部門(mén)提供調(diào)度實(shí)施情況的綜合信息，指導(dǎo)水資源調(diào)度計(jì)劃的編制和實(shí)時(shí)的調(diào)度決策。

根據(jù)水資源調(diào)度業(yè)務(wù)總體流程和思路，針對(duì)洱?，F(xiàn)有調(diào)度模式自動(dòng)化監(jiān)測(cè)體系不夠完善，計(jì)劃不確定性較高等局限性，水資源調(diào)度系統(tǒng)重點(diǎn)在于進(jìn)一步完善洱海數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化監(jiān)測(cè)體系，難點(diǎn)在于研發(fā)一套多模型預(yù)報(bào)調(diào)度體系支撐調(diào)度計(jì)劃編制，并通過(guò)水資源統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)調(diào)度實(shí)施情況進(jìn)行評(píng)估，結(jié)合人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行反饋修正。

2 水資源調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體框架分析

洱海水資源調(diào)度系統(tǒng)分為 5 個(gè)層次，總體框架如圖 1 所示。

圖 1 水資源調(diào)度系統(tǒng)總體框架圖

5 個(gè)層次具體分析如下：

1）信息采集層。信息采集層是調(diào)度系統(tǒng)的感知部分，通過(guò)建立自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)雨量、流量、水質(zhì)、水量等信息的實(shí)時(shí)采集，為水資源調(diào)度管理提供數(shù)據(jù)支撐。

2）網(wǎng)絡(luò)通信層。網(wǎng)絡(luò)通信層為水資源調(diào)度系統(tǒng)各層之間、層內(nèi)各部分之間提供數(shù)據(jù)傳輸通道及交換網(wǎng)絡(luò)，采用物聯(lián)網(wǎng)[4]和 4G 無(wú)線通信方式傳輸。物聯(lián)網(wǎng)總線通過(guò)數(shù)據(jù)采集器提供數(shù)據(jù)清理、預(yù)處理功能，支持不同設(shè)備的接入，兼容多種通信協(xié)議及傳輸規(guī)約，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的過(guò)濾、格式化和轉(zhuǎn)換，可提高水資源調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量和處理效率。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)物聯(lián)網(wǎng)匯聚后通過(guò) 4G 通信節(jié)點(diǎn)傳輸至數(shù)據(jù)中心進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。

3）數(shù)據(jù)資源層。數(shù)據(jù)資源層實(shí)現(xiàn)各類(lèi)數(shù)據(jù)的匯聚交換與資源管理，與信息采集和業(yè)務(wù)平臺(tái)進(jìn)行交互通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ)。根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)別分為基礎(chǔ)、監(jiān)測(cè)、空間、模型和業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口（REST API）為水資源調(diào)度系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用及第三方平臺(tái)提供可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

4）應(yīng)用支撐層。為支撐水資源調(diào)度業(yè)務(wù)應(yīng)用，研發(fā)需水、水資源預(yù)測(cè)，供水調(diào)度，洪水預(yù)報(bào)、調(diào)度等專(zhuān)業(yè)模型，以及統(tǒng)計(jì)分析模型，建立業(yè)務(wù)應(yīng)用模型庫(kù)，將模型服務(wù)進(jìn)行整合封裝、共享發(fā)布，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)接口。

5）業(yè)務(wù)應(yīng)用層。業(yè)務(wù)應(yīng)用層基于用戶需求，以及數(shù)據(jù)資源層和模型支撐層提供的服務(wù)接口，開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)視、水資源分析、供水和防洪調(diào)度、決策會(huì)商等功能模塊，實(shí)現(xiàn)一個(gè)入口，一個(gè)平臺(tái)，統(tǒng)一界面，為洱海水資源科學(xué)調(diào)度與統(tǒng)一管理提供參考依據(jù)和決策支持。

2.2 模型研發(fā)

通過(guò)模型的在線計(jì)算，實(shí)現(xiàn)調(diào)度計(jì)劃的編制是水資源調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)的難點(diǎn)。一方面，將自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為模型輸入驅(qū)動(dòng)模型計(jì)算引擎；另一方面，充分結(jié)合流域特點(diǎn)構(gòu)建模型，并通過(guò)參數(shù)率定和驗(yàn)證保證科學(xué)性。具體分析如下：

1）數(shù)據(jù)支撐。結(jié)合洱海水資源調(diào)度模型在線計(jì)算需求，在已有歷史數(shù)據(jù)接入基礎(chǔ)上，根據(jù)流域水文、氣象、地理特征，合理劃分計(jì)算單元，選擇代表性監(jiān)測(cè)斷面，建立自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)雨量、流量、水質(zhì)等信息的實(shí)時(shí)采集和匯集，并選取規(guī)模以上取用水戶，進(jìn)行水量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，為模型計(jì)算提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支撐。

2）模型計(jì)算。在需水預(yù)測(cè)方面，采用定額法進(jìn)行年需水量預(yù)測(cè)，結(jié)合各產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)典型用水過(guò)程，進(jìn)行年需水過(guò)程預(yù)測(cè)；在水資源預(yù)測(cè)方面，采用傳統(tǒng)的水量統(tǒng)計(jì)和基于氣象因子的智能學(xué)習(xí)等多種模型相結(jié)合的方式進(jìn)行預(yù)測(cè)；在洪水預(yù)報(bào)方面，根據(jù)洱源徑流區(qū)、北三江、西部蒼山、洱海東南部等不同下墊面特點(diǎn)，進(jìn)行分區(qū)預(yù)報(bào)，采用多種模型分別進(jìn)行率定和驗(yàn)證，選擇各個(gè)分區(qū)驗(yàn)證效果最優(yōu)的模型；在供水調(diào)度方面，以供水保證率最大為目標(biāo)，結(jié)合年度水資源預(yù)測(cè)，采用優(yōu)化算法進(jìn)行水資源調(diào)配模型求解，得到優(yōu)化調(diào)度方案；在防洪調(diào)度方面，依據(jù)現(xiàn)有的調(diào)度規(guī)則進(jìn)行在線計(jì)算，同時(shí)結(jié)合入湖洪水預(yù)報(bào)過(guò)程，通過(guò)優(yōu)化調(diào)度提供調(diào)度方案，為防汛決策提供參考。

此外，實(shí)現(xiàn)模型實(shí)時(shí)穩(wěn)定在線運(yùn)行，除加強(qiáng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)維護(hù)外，在線數(shù)據(jù)在輸入模型時(shí)需根據(jù)不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)的規(guī)則進(jìn)行合理性校驗(yàn)和插補(bǔ)等預(yù)處理，保證模型對(duì)外部輸入的適應(yīng)性。

2.3 功能模塊設(shè)計(jì)

洱海水資源調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行功能模塊設(shè)計(jì)，包括監(jiān)測(cè)監(jiān)視、水資源分析、供水調(diào)度、防洪調(diào)度、決策會(huì)商、系統(tǒng)管理等 6 個(gè)部分，其中監(jiān)測(cè)監(jiān)視對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)信息，水資源分析對(duì)應(yīng)歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，供水和防洪調(diào)度應(yīng)對(duì)不同調(diào)度期、目標(biāo)的調(diào)度計(jì)劃編制，決策會(huì)商提供會(huì)商管理支持。具體功能結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖 2 水資源調(diào)度系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1）監(jiān)測(cè)監(jiān)視模塊。以 GIS 地圖的方式展示流域水資源調(diào)度相關(guān)的基本信息，包括水系、行政區(qū)、測(cè)站、取水口、用水單元等信息，可以通過(guò)地圖查詢測(cè)站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息；以圖表的形式對(duì)降雨量、出入湖流量、取用水量、供水水質(zhì)等實(shí)時(shí)信息進(jìn)行查詢。

2）水資源分析模塊。水資源分析模塊分為雨情、來(lái)水、用水及洱海調(diào)度運(yùn)行等分析模塊，按照管理部門(mén)的需求分為年、月、日 3 種統(tǒng)計(jì)時(shí)間尺度，實(shí)現(xiàn)對(duì)流域水資源數(shù)量、質(zhì)量、利用狀況及調(diào)度方案的分析評(píng)價(jià)，通過(guò)報(bào)表的生成和導(dǎo)出，為調(diào)度部門(mén)提供流域水資源及調(diào)度實(shí)施等情況的綜合性信息。

3）供水調(diào)度模塊。供水調(diào)度模塊包括供水情勢(shì)分析，以及調(diào)度方案管理、計(jì)劃編制、實(shí)施評(píng)估等子模塊，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前情勢(shì)—未來(lái)計(jì)劃—調(diào)度后評(píng)估全流程的管理。其中，調(diào)度計(jì)劃編制是在流域年度來(lái)水預(yù)報(bào)、用水需求預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，以洱海法定的最低、最高及汛限等水位為約束，對(duì)西洱河閘和引洱入賓工程進(jìn)行調(diào)度，按照洱海水量分配原則制定年度水量分配方案和調(diào)度計(jì)劃。

4）防洪調(diào)度模塊。與供水調(diào)度類(lèi)似，防洪調(diào)度模塊包括情勢(shì)分析、方案管理、調(diào)度方案編制和評(píng)估等子模塊。洪水調(diào)度方案編制基于自動(dòng)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和降雨預(yù)報(bào)信息，采用多種預(yù)報(bào)模型進(jìn)行分區(qū)入湖洪水預(yù)報(bào)，結(jié)合防洪調(diào)度規(guī)則和上級(jí)下發(fā)的防洪指令要求，進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，制定防洪調(diào)度方案，為防汛部門(mén)提供決策支持。

5）決策會(huì)商模塊。決策會(huì)商模塊包括以下管理功能模塊：a. 方案比選，根據(jù)供水、防洪調(diào)度方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)多方案比選模型優(yōu)選出幾組合理的方案供決策者選擇，結(jié)合監(jiān)視信息和調(diào)度執(zhí)行進(jìn)展情況提供會(huì)商決策支持；b. 知識(shí)庫(kù)，提供歷史案例和相關(guān)調(diào)度文件的查詢；c. 會(huì)議紀(jì)要，提供會(huì)商會(huì)議全流程的記錄跟蹤；d. 發(fā)文管理，支持調(diào)度指令的上傳和下達(dá)。

6）系統(tǒng)管理模塊。系統(tǒng)管理模塊對(duì)流域基礎(chǔ)、測(cè)站、模型等信息進(jìn)行維護(hù)和管理，同時(shí)提供用戶、角色和權(quán)限等后臺(tái)管理功能。

3 水資源調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)水資源調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分為以下 4 個(gè)部分：

1）采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集和傳輸，建立一套自動(dòng)化的水資源監(jiān)測(cè)體系。

2）數(shù)據(jù)資源層選用 Oracle 作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，以 SL 323—2011《實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)庫(kù)》，SZY 302—2012《國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)及標(biāo)識(shí)》，SL 325—2014《水質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)》等數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，設(shè)計(jì)了 5 類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理。

3）采用 Java 語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)了水資源調(diào)度的專(zhuān)業(yè)支撐模型，并封裝成 Web 服務(wù)，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化接口。

4）業(yè)務(wù)應(yīng)用層采用 J2EE 開(kāi)放式體系架構(gòu)，運(yùn)用 Web Service，AJAX，XML，JSON，React，以及持久層框架等核心技術(shù)，開(kāi)發(fā) B/S 模式的應(yīng)用系統(tǒng)，在保證技術(shù)先進(jìn)性的同時(shí)兼顧技術(shù)的實(shí)用性。

水資源調(diào)度系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，面向業(yè)務(wù)管理人員提供實(shí)時(shí)監(jiān)視、水資源分析、供水和調(diào)度、會(huì)商決策等功能模塊。以“防洪調(diào)度”模塊為例展示系統(tǒng)可視化效果，相關(guān)界面的截圖如圖 3 所示，通過(guò)界面頂部的菜單欄和左側(cè)的二級(jí)菜單可實(shí)現(xiàn)不同功能模塊的切換。水資源調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行后，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與模型模擬技術(shù)相結(jié)合，提供調(diào)度決策支持，為實(shí)現(xiàn)洱海流域水資源總量控制和智慧監(jiān)管提供管理平臺(tái)支撐。

圖 3 調(diào)度系統(tǒng)可視化效果界面圖

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)洱海流域水資源調(diào)度管理實(shí)際需求，分析現(xiàn)有管理模式在數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集、統(tǒng)一監(jiān)管和模型科學(xué)決策支撐等方面存在的不足，搭建水資源綜合調(diào)度管理系統(tǒng)框架，可服務(wù)于水資源調(diào)度管理的全過(guò)程，為洱海水資源科學(xué)調(diào)度與統(tǒng)一管理提供參考依據(jù)和決策支持。

洱海水資源調(diào)度系統(tǒng)現(xiàn)已上線試運(yùn)行，業(yè)務(wù)人員可通過(guò)此系統(tǒng)在線查看實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)和調(diào)度情勢(shì)，完成水資源和防洪調(diào)度計(jì)劃編制工作，試運(yùn)行期間將進(jìn)一步根據(jù)采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定和更新。此外，針對(duì)洱海水生態(tài)環(huán)境改善需要[5-6]，水資源調(diào)度系統(tǒng)中水資源調(diào)度初步考慮了生態(tài)需水，但流域內(nèi)水生態(tài)環(huán)境調(diào)度目前尚處于探索階段，因此，面向流域水生態(tài)環(huán)境改善目標(biāo)的調(diào)度管理模式有待進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)。