葛銘坤 蘇州市水利建設(shè)監(jiān)理有限公司

1.引言

閘泵堰等水利工程在防洪排澇、引調(diào)水、改善水環(huán)境、通航等方面都有巨大的功能效益。我國水利工程數(shù)量眾多，尤其是東部平原河網(wǎng)地區(qū)水系發(fā)達(dá)閘泵密布且往往跨越不同的行政區(qū)，因此管理協(xié)調(diào)困難，同時(shí)存在年久失修結(jié)構(gòu)老化、管理人員不夠?qū)I(yè)化、調(diào)度機(jī)制不健全、自動(dòng)化程度不高等諸多問題，但對(duì)于水利工程的管理依舊停留在較為粗獷的管理模式，在應(yīng)對(duì)洪澇風(fēng)險(xiǎn)、市政泵站放江、城市偷排污等突發(fā)狀況時(shí)應(yīng)對(duì)不及時(shí)、決策靠經(jīng)驗(yàn)、調(diào)控不精細(xì)，因此本文依據(jù)國內(nèi)外水利工程水利信息化管理、智慧管理等方面提出精細(xì)化的水利工程管理模式，以期為提高我國水利工程管理水平提供借鑒。

2.水利工程信息化管理

由于閘泵堰等水利工程數(shù)量眾多、地域分散、運(yùn)行管理時(shí)效性要求高等特征，采用物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)信息技術(shù)，通過物聯(lián)感知系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集水雨工情視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)，結(jié)合遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，增強(qiáng)防洪除澇及水環(huán)境提升的反應(yīng)時(shí)效性。

2.1 物聯(lián)感知系統(tǒng)

物聯(lián)感知系統(tǒng)由水雨工情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備等組成。

水雨工情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由前端傳感器（水位計(jì)、雨量計(jì)、閘門開度儀、電流變送器）、數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)等四部分組成，將采集的水位、雨量、閘門開度、水泵運(yùn)行情況等信息自動(dòng)傳輸?shù)揭惑w化管理平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)和展示。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由前端采集設(shè)備、視頻傳輸、管理中心、監(jiān)控中心四部分組成，主要監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行情況與閘泵站周圍情況。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)參數(shù)主要有pH、溫度、溶氧、濁度、總磷、氨氮、高錳酸鹽，葉綠素等，以在線自動(dòng)分析儀器為核心，滿足無人值守條件下的長期、穩(wěn)定水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集需求。

2.2 遠(yuǎn)程操作、自動(dòng)化控制

閘門、泵除了需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集以外，還需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，包括運(yùn)行監(jiān)視、事故報(bào)警、控制與調(diào)節(jié)等，通過控制中心向閘泵站的控制柜傳輸指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘、泵進(jìn)行開、關(guān)、停止等遠(yuǎn)程操作，并可以查詢閘泵站的歷史操作記錄。

控制柜為閘泵站監(jiān)控的主要設(shè)備，通過以太網(wǎng)的通訊方式向控制中心發(fā)送采集的各種數(shù)據(jù)和事件信息，并接受控制中心下發(fā)的命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘站設(shè)備的監(jiān)控，同時(shí)控制柜又能脫離控制中心獨(dú)立工作。控制柜遠(yuǎn)程控制與現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制并行，不存在優(yōu)先等級(jí)，可實(shí)現(xiàn)交叉控制。如：遠(yuǎn)程開，手動(dòng)停；手動(dòng)開，遠(yuǎn)程停等，使操作人員無須一定要到控制盤前去就地操作，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。在正常生產(chǎn)過程中，閘門的啟閉都是通過控制中心的計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作。

3.智慧管理系統(tǒng)

智慧管理系統(tǒng)以物聯(lián)感知系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，以遠(yuǎn)程控制為手段，以模型數(shù)值模擬為核心，以預(yù)報(bào)預(yù)警為保障，統(tǒng)籌兼顧，實(shí)現(xiàn)對(duì)眾多水利工程的智慧決策遠(yuǎn)程調(diào)度代替人工調(diào)度，在不同調(diào)度模式下實(shí)現(xiàn)無縫切換，發(fā)揮水資源管理最大效益。

3.1 閘泵堰綜合調(diào)度模式

閘泵堰的調(diào)度模式依據(jù)不同調(diào)度情景，分為水安全調(diào)度、水資源調(diào)度、水環(huán)境調(diào)度。

城市洪水內(nèi)澇危害巨大，因此水安全調(diào)度是不同調(diào)度模式中最重要的，而閘泵在其中便扮演著抽排澇水、控制水位、控制分流比等重要作用。

區(qū)域水資源分配不均衡，而引水過程經(jīng)常大部分水量從骨干河道流走，難以兼顧小河，因而利用閘泵對(duì)水資源進(jìn)行再分配對(duì)于城市供水安全至關(guān)重要。

通過閘泵調(diào)水引流引入優(yōu)質(zhì)水源，可以增加河道的水環(huán)境容量，增大河道流速，提高河水自凈能力，是迅速有效改善水環(huán)境質(zhì)量的綜合治理措施之一。

一切調(diào)度方案都要在水安全相關(guān)要求的基礎(chǔ)上運(yùn)行，同時(shí)還要兼顧水資源和水環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)綜合效益的最大化，針對(duì)水安全、水資源、水環(huán)境等情景擬定相應(yīng)的多種調(diào)度情景，基于當(dāng)?shù)厮乃|(zhì)模型，計(jì)算不同調(diào)度情景模式下的方案集，每個(gè)調(diào)度情景均設(shè)置多種調(diào)度方案，依托預(yù)設(shè)的調(diào)度情景，下文的智慧決策系統(tǒng)可以在不同的調(diào)度模式中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，具體的調(diào)度情景可以有：

（1）日常水環(huán)境調(diào)度情景；

（2）日常水資源調(diào)度情景；

（3）大、中、小降雨水質(zhì)恢復(fù)的調(diào)度情景；

（4）管網(wǎng)破損入河應(yīng)急調(diào)度；

（5）突發(fā)污染事件的調(diào)度情景（如小餐館排污等）；

（6）日常水環(huán)境調(diào)度切換到防洪調(diào)度情景；

（7）汛期調(diào)度情景。

3.2 數(shù)值模擬系統(tǒng)

利用MIKE、SWMM、InfoWorks ICM等多種城市雨洪數(shù)學(xué)模型，可以完整的模擬暴雨產(chǎn)流、匯流全過程，并建立閘門的水位-開度-流量過程線，計(jì)算單個(gè)閘門在不同開度、不同水位組合下的過流量，計(jì)算多個(gè)閘門在其不同開度、不同水位組合下的分流比，進(jìn)而模擬不同調(diào)度情景下的水位、流量、水質(zhì)變化情況，并利用實(shí)測(cè)的水位、流量、水質(zhì)等數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，提高模型模擬精度，從而為調(diào)度決策提供科學(xué)依據(jù)。

3.3 預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)

基于ICM-LIVE的預(yù)報(bào)預(yù)警模型結(jié)合實(shí)時(shí)雨情、水情、工情、水質(zhì)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)不同預(yù)報(bào)方案邊界條件、預(yù)警閾值、預(yù)警信息以及關(guān)注點(diǎn)等要素的配置，實(shí)時(shí)在線滾動(dòng)預(yù)報(bào)未來一段時(shí)間內(nèi)研究區(qū)域內(nèi)任意關(guān)注點(diǎn)的水位、流量和污染物濃度變化過程并發(fā)布預(yù)警信息。

預(yù)報(bào)預(yù)警模能夠按照不同特征水位、水質(zhì)指標(biāo)設(shè)置關(guān)注河道斷面或關(guān)注點(diǎn)的預(yù)警閾值，關(guān)聯(lián)實(shí)際的計(jì)算水位和污染物濃度結(jié)果，呈現(xiàn)不同預(yù)警級(jí)別。系統(tǒng)平臺(tái)預(yù)報(bào)預(yù)警滾動(dòng)計(jì)算原則上采用一維模型，當(dāng)實(shí)時(shí)雨情、水情或預(yù)報(bào)的水位、流量、污染物超過預(yù)警閾值時(shí)，以閃爍、聲音等多種方式進(jìn)行報(bào)警，如果降雨超過紅色預(yù)警值，或者水質(zhì)劣化超過一定程度時(shí)，系統(tǒng)將可以切換到相應(yīng)調(diào)度模式，并在調(diào)度預(yù)案中進(jìn)行比選和推薦。

3.4 智慧決策系統(tǒng)

智慧水利決策系統(tǒng)以GIS平臺(tái)為基礎(chǔ)，基于上文中的物聯(lián)感知系統(tǒng)、遠(yuǎn)程操作、預(yù)報(bào)預(yù)警、數(shù)值模擬等功能構(gòu)建智能化的一鍵調(diào)度決策系統(tǒng)。

系統(tǒng)融合基礎(chǔ)地理地形數(shù)據(jù)，標(biāo)注攝像頭、水閘、泵站地理位置，實(shí)現(xiàn)管理目標(biāo)快速定位，能夠快速瀏覽、查詢歷史資料與實(shí)時(shí)信息和預(yù)測(cè)信息，供調(diào)度指揮人員及時(shí)掌握各站點(diǎn)的運(yùn)行情況，并通過綜合分析各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括水位信息、天氣預(yù)報(bào)的降水、風(fēng)力等情況，生成相關(guān)調(diào)度指令以控制水閘、水泵的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)閘泵站在水安全調(diào)度、水資源調(diào)度和水環(huán)境調(diào)度中的智能切換。

利用河網(wǎng)水位、水質(zhì)等監(jiān)測(cè)資料，對(duì)水環(huán)境調(diào)度與基本生態(tài)環(huán)境需求、防洪除澇的關(guān)系進(jìn)行探討。若水位u超過擬定的預(yù)警值umax，則水環(huán)境調(diào)度與防洪排澇發(fā)生關(guān)聯(lián)，若水位u低于擬定的最低水位標(biāo)準(zhǔn)umin，則有水環(huán)境調(diào)度與基本生態(tài)環(huán)境需求發(fā)生關(guān)聯(lián)。利用主客觀權(quán)重法對(duì)當(dāng)?shù)馗鳁l河流對(duì)于調(diào)控模型的重要度進(jìn)行賦權(quán)，將權(quán)重與相應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果相乘并累加，可得到當(dāng)?shù)貎?nèi)河網(wǎng)的水位調(diào)度綜合評(píng)價(jià)，比較各調(diào)控模型的綜合評(píng)分，選取符合得分較優(yōu)的調(diào)控方案，實(shí)現(xiàn)方案切換。

4.結(jié)論

我國水利工程管理中存在著很多問題，制約了我國水利工程的健康發(fā)展，水利工程精細(xì)化管理著力于信息化、智慧管理等方面，由以往的經(jīng)驗(yàn)管理方式向決策更加科學(xué)、反應(yīng)更加快捷、調(diào)控更加精細(xì)的管理方式轉(zhuǎn)變，在保障安全的基礎(chǔ)上不斷提高水利工程的綜合效益，從而推動(dòng)我國水利事業(yè)的不斷發(fā)展。