許 珂,馬 媛,王 超,張 健,李谷涵
(1.江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心,江蘇鎮(zhèn)江212013;2.太湖流域管理局水文局信息中心,上海200434;3.中國水利水電科學(xué)研究院,北京100038)
太湖流域地處長江三角洲核心區(qū)域,河流縱橫交織,是全國河道密度最大的地域,自然條件決定流域治理與管理需面對(duì)龐雜繁復(fù)的江-河-湖關(guān)系[1-3]。近年來針對(duì)重點(diǎn)河湖水資源調(diào)控,水環(huán)境污染問題治理,水資源供需保障,開展引江濟(jì)太調(diào)水工程[4-6]。兩河一湖是保障流域整體供水安全的骨干性工程[7],其中太浦河、望虞河是主要引供水河道,而太湖不僅是流域水資源調(diào)蓄核心,也是環(huán)太湖城市和下游地區(qū)重要的飲用水水源[8]。故而太湖流域管理需要綜合考慮水質(zhì)與水量、供水與排水、防洪與抗旱及協(xié)調(diào)不同地區(qū)部門工作等因素[9]。
根據(jù)流域水環(huán)境綜合治理目標(biāo)和水環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)[10],經(jīng)過多年研發(fā),太湖流域管理局已陸續(xù)開發(fā)了防汛值班系統(tǒng)、防汛抗旱指揮系統(tǒng)、太湖水資源監(jiān)控管理信息平臺(tái)、藍(lán)藻信息采集系統(tǒng)等多個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)[11]。然而現(xiàn)有各系統(tǒng)具有很強(qiáng)的業(yè)務(wù)針對(duì)性,功能相對(duì)單一,在充分利用已建相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,開發(fā)基于事件驅(qū)動(dòng)的太湖流域會(huì)商與決策系統(tǒng),科學(xué)、有效地支持流域內(nèi)水資源的優(yōu)化配置、洪水防治及應(yīng)急水污染事件調(diào)度,同時(shí)保證流域與區(qū)域統(tǒng)籌調(diào)度的開展、實(shí)施,增強(qiáng)流域水資源精細(xì)調(diào)度、科學(xué)調(diào)度能力[12]。
太湖流域自然條件優(yōu)越,水陸交通便利,經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)雄厚,是我國人口最稠密的地區(qū)之一[13]。多年來,流域水利工程的建設(shè)及控制運(yùn)用在流域防洪、供水、水污染防治等方面發(fā)揮了重要作用[14,15]。
本世紀(jì)前,太湖流域的突出問題是防洪,調(diào)度工作主要圍繞防洪安全開展,隨著流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)高速發(fā)展,流域水資源、水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展矛盾日益突出,供水、水環(huán)境、生態(tài)用水需求不斷增加。2005年后,隨著引江濟(jì)太的實(shí)施,流域水利工程調(diào)度需要統(tǒng)籌流域防洪、供水安全以及改善水環(huán)境。太湖流域水資源工程調(diào)度開始圍繞防洪、供水及水生態(tài)“三個(gè)安全”開展,調(diào)度目標(biāo)也逐步調(diào)整為流域防洪、供水、水環(huán)境和水生態(tài)的多目標(biāo)[16]。
依據(jù)流域的水情特征和用水狀況,將全年太湖控制水位劃分為若干個(gè)時(shí)段,實(shí)行分期和分目標(biāo)控制。汛前加大太浦閘排水量,預(yù)降太湖水位,結(jié)合資源利用,改善黃浦江上游水源地水質(zhì);當(dāng)太湖水位高于太湖防洪控制線,發(fā)揮“兩河一湖”蓄泄作用,實(shí)行洪水調(diào)度,通過望亭立交、太浦閘等環(huán)湖樞紐排泄洪水;汛后加強(qiáng)雨洪資源利用,組織實(shí)施引江濟(jì)太,主要通過控制望虞河常熟水利樞紐、望虞河望亭水利樞紐、太浦河太浦閘工程等的運(yùn)行工況,維持流域內(nèi)主要水系適宜水位,確保供水安全。
系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前流域總體水雨情、工情、水環(huán)境等信息,結(jié)合預(yù)報(bào)降雨,利用太湖流域水質(zhì)/水動(dòng)力等模型對(duì)未來一段時(shí)間的區(qū)域水情、水質(zhì)等情勢(shì)進(jìn)行模擬預(yù)測,提供一定預(yù)見期內(nèi)的預(yù)警預(yù)判,并自動(dòng)提示告警觸發(fā)原因。以預(yù)警信息為事件觸發(fā),自動(dòng)調(diào)用模型計(jì)算或進(jìn)行歷史相似性分析等,提出推薦的調(diào)度方案或處置措施,主動(dòng)將相關(guān)結(jié)果信息推送到交互界面,為調(diào)度會(huì)商與決策提供全面的支撐信息[17]。業(yè)務(wù)流程如圖1所示,具體流程分析如下。
(1)綜合預(yù)警:根據(jù)氣象、水、雨、工、水質(zhì)等流域?qū)崟r(shí)信息,兼顧降雨預(yù)報(bào),利用太湖流域水質(zhì)/水動(dòng)力等模型對(duì)之后的區(qū)域水情、水質(zhì)情勢(shì)進(jìn)行預(yù)測模擬,提供一定預(yù)見期內(nèi)的預(yù)警預(yù)判。以預(yù)警信息為條件觸發(fā)不同預(yù)警事件,為實(shí)時(shí)調(diào)度與會(huì)商提供技術(shù)支撐。預(yù)警監(jiān)視內(nèi)容包括指標(biāo)超標(biāo)報(bào)警、水質(zhì)快速惡化預(yù)警、調(diào)度執(zhí)行不當(dāng)報(bào)警、突發(fā)水污染報(bào)警、納雨能力預(yù)警等。
(2)情勢(shì)分析:分為當(dāng)前情勢(shì)和模擬預(yù)測兩個(gè)模塊,結(jié)合預(yù)警信息進(jìn)行模擬分析,判斷目前事件有無工程調(diào)度指令修改執(zhí)行的必要。①當(dāng)前情勢(shì):展示流域內(nèi)目前的水情、工程情況,包含兩河一湖沿線骨干工程、測站的當(dāng)前水情及工情信息。依據(jù)工程的基礎(chǔ)信息和實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)確定預(yù)警指標(biāo),判斷預(yù)警情況及程度;②模擬預(yù)測:當(dāng)前情勢(shì)的分析、判斷結(jié)果結(jié)合降雨預(yù)報(bào)和邊界條件。利用水質(zhì)/水動(dòng)等模型對(duì)兩河一湖重點(diǎn)斷面進(jìn)行水位變化模擬預(yù)測,展示當(dāng)前調(diào)令下流域重點(diǎn)區(qū)域的未來情勢(shì)。
(3)方案編制:結(jié)合模擬預(yù)測結(jié)果,對(duì)當(dāng)前情勢(shì)進(jìn)行判斷。如果判斷目前事件調(diào)度指令不甚滿足流域調(diào)度目標(biāo)則新建調(diào)度事件。提供多種目前事件基本信息的設(shè)置條件,以滿足不同的調(diào)度事件類型。利用基于相似分析的當(dāng)前事件調(diào)度指令智能決策結(jié)果,為目前的流域情勢(shì)提供調(diào)度方案推薦和調(diào)度指令建議。
(4)會(huì)商支持:將防汛調(diào)度人員會(huì)商決策時(shí)需要依據(jù)的流域內(nèi)水情、雨情、水質(zhì)、氣象、工程運(yùn)行情況、情勢(shì)分析結(jié)果、相似分析調(diào)度推薦等信息進(jìn)行綜合全面的展示。
(5)執(zhí)行監(jiān)控:關(guān)注于當(dāng)前調(diào)度指令的執(zhí)行情況,對(duì)當(dāng)前調(diào)度指令影響的骨干工程水情、工情進(jìn)行集中可視化展示,結(jié)合模擬預(yù)測判斷調(diào)度指令執(zhí)行偏差。
(6)效果評(píng)價(jià):評(píng)價(jià)歷史調(diào)度事件調(diào)度情況與調(diào)度效果。
事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由3 種方式觸發(fā):①系統(tǒng)自動(dòng)判斷流域當(dāng)前總體情勢(shì)及預(yù)警信息,觸發(fā)適合的調(diào)度事件;②依據(jù)太湖流域?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)變化,結(jié)合降雨預(yù)報(bào)的模擬預(yù)測,自動(dòng)判斷當(dāng)前情勢(shì)是否發(fā)生變化,根據(jù)系統(tǒng)邏輯判斷是否觸發(fā)新的調(diào)度事件;③人工觸發(fā)創(chuàng)建新事件。
2.2.1 洪水調(diào)度事件及水資源調(diào)度事件觸發(fā)邏輯
自動(dòng)監(jiān)測太湖流域重點(diǎn)測站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),與預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和調(diào)度指標(biāo)做對(duì)比:太湖水位高于防洪控制水位時(shí),觸發(fā)洪水調(diào)度事件,水位超過設(shè)計(jì)洪水位(4.65 m)時(shí)提高防洪等級(jí),實(shí)行超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急方案;太湖水位低于調(diào)水限制水位時(shí),觸發(fā)水資源調(diào)度事件,水位低于低水位控制線(2.70 m)時(shí),實(shí)行抗旱應(yīng)急調(diào)度方案。當(dāng)前流域骨干工程調(diào)度指示指標(biāo)如圖2。
水位處于防洪控制水位和調(diào)水限制水位間時(shí),常規(guī)實(shí)行水資源調(diào)度;但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)布洪澇災(zāi)害預(yù)警時(shí)觸發(fā)洪水調(diào)度事件進(jìn)行預(yù)泄。
洪澇災(zāi)害預(yù)警:當(dāng)接收到氣象局發(fā)布的暴雨或臺(tái)風(fēng)預(yù)警時(shí),根據(jù)降水、臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)等數(shù)據(jù)信息,通過太湖流域模型滾動(dòng)計(jì)算,對(duì)重要湖庫、江河控制斷面預(yù)報(bào)結(jié)果與重要控制斷面預(yù)警閾值對(duì)比分析,分析得出存在水位迅速提升超防洪控制水位風(fēng)險(xiǎn),啟動(dòng)三級(jí)及以上應(yīng)急響應(yīng)時(shí),觸發(fā)重要控制斷面調(diào)度事件的生成。
2.2.2 水污染調(diào)度事件觸發(fā)邏輯
在水資源調(diào)度事件及洪水調(diào)度事件的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)對(duì)太湖及河網(wǎng)重要區(qū)域及控制斷面水雨情、水質(zhì)、工程調(diào)度情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。當(dāng)實(shí)測水質(zhì)指標(biāo)超過閾值時(shí),或水量水質(zhì)預(yù)警模型預(yù)測水質(zhì)指標(biāo)將出現(xiàn)快速惡化,即水質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)變幅較大時(shí),或流域內(nèi)相關(guān)監(jiān)測單位反饋突發(fā)水污染告警時(shí),經(jīng)會(huì)商審核觸發(fā)水污染調(diào)度事件,如圖3所示。
(1)指標(biāo)超標(biāo)預(yù)警:水資源調(diào)度的控制站點(diǎn)水位、控制斷面水量、水質(zhì)等的實(shí)測數(shù)據(jù)、調(diào)用預(yù)警模型計(jì)算出的短期預(yù)測數(shù)據(jù)與預(yù)警指標(biāo)閾值進(jìn)行比較,超過限定時(shí)進(jìn)行預(yù)警。
(2)水質(zhì)快速惡化預(yù)警:重要水質(zhì)監(jiān)測站水質(zhì)出現(xiàn)快速惡化,實(shí)測數(shù)據(jù)變幅較大,雖暫未超出調(diào)度指標(biāo),但調(diào)用預(yù)警模型實(shí)現(xiàn)通過在相應(yīng)站點(diǎn)加入定量污染物進(jìn)行預(yù)測模擬后,預(yù)測結(jié)果預(yù)警。
(3)突發(fā)水污染告警:當(dāng)流域內(nèi)各相關(guān)監(jiān)測單位反饋突發(fā)水污染事件時(shí)進(jìn)行告警。
(1)系統(tǒng)總體框架。調(diào)度會(huì)商與決策系統(tǒng)在太湖流域模型算法及各類數(shù)據(jù)資源的基礎(chǔ)上建設(shè)。系統(tǒng)自身框架如圖4所示。
系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)主要包括氣象、實(shí)時(shí)水雨情、歷史水雨情、基礎(chǔ)工程、實(shí)時(shí)工情等均來源于太湖流域水環(huán)境信息共享平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)接口。建設(shè)了一系列能夠設(shè)置、特制和多次開發(fā)實(shí)現(xiàn)會(huì)商與決策系統(tǒng)全部功能的通用組件作為系統(tǒng)的支撐,具體包括:應(yīng)用圖形組件、JS 腳本組件、REST 服務(wù)組件、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)服務(wù)組件和業(yè)務(wù)規(guī)則配置系統(tǒng),保障會(huì)商與決策系統(tǒng)的可靠性、先進(jìn)性和可拓展性。
(2)水資源調(diào)度會(huì)商決策系統(tǒng)功能。太湖流域會(huì)商與決策系統(tǒng)針對(duì)流域調(diào)度人員設(shè)計(jì)開發(fā)了日常業(yè)務(wù)管理、調(diào)度預(yù)警監(jiān)視、調(diào)度情勢(shì)分析、調(diào)度相似分析、方案模擬與評(píng)估、會(huì)商支持等功能。以“水資源調(diào)度事件”為例,展示太湖流域水資源(引江濟(jì)太)調(diào)度會(huì)商決策子系統(tǒng)可視化效果,子系統(tǒng)主要包括形勢(shì)分析、相似分析、模擬調(diào)度與調(diào)度評(píng)價(jià)等功能模塊。其中:形勢(shì)分析包含當(dāng)前形勢(shì)、未來模擬兩部分;相似分析包含分析結(jié)果、調(diào)度建議兩部分;模擬調(diào)度包含方案管理、方案制作、方案比選3個(gè)部分。其功能組成如圖5所示。
(1)當(dāng)前情勢(shì):查看相應(yīng)流域當(dāng)前的調(diào)度情勢(shì),包括水情、雨情及工情等重要信息,了解流域內(nèi)的調(diào)度情況,以便針對(duì)事件作出相應(yīng)的工程調(diào)度。業(yè)務(wù)功能主要包括:信息展示,即將流域內(nèi)各控制斷面的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行展示,包括水情、雨情和工情;事件分析,即根據(jù)流域內(nèi)的調(diào)度情勢(shì)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)當(dāng)前調(diào)度情勢(shì)做出總體分析,判定事件類型。
(2)未來模擬:對(duì)事件進(jìn)行模擬計(jì)算分析未來影響情況,為事件判定提供依據(jù)。首先,自動(dòng)獲取或設(shè)置流域內(nèi)降雨預(yù)報(bào)以及邊界條件信息;其次,根據(jù)預(yù)警信息和當(dāng)前調(diào)度情勢(shì),參考降雨預(yù)報(bào)與邊界條件情況,并設(shè)置調(diào)度起始時(shí)間,通過模擬計(jì)算分析未來影響情況;進(jìn)而,對(duì)事件未來模擬情況作總體分析。
基于太湖、望虞河等水資源調(diào)度的形勢(shì)分析成果,以事件判定為依據(jù),計(jì)算出當(dāng)前事件和歷史同類型事件的相似度,根據(jù)事件指標(biāo)的相似度排序提出調(diào)度建議,為未來模擬做好準(zhǔn)備工作。
依據(jù)水資源調(diào)度情勢(shì)分析反饋的流域信息確定目前事件類型,通過相似分析方法結(jié)合水情(太湖水位及望虞河、太浦河代表站水位)、降雨預(yù)報(bào)(太湖流域各區(qū)面降雨量)、水質(zhì)(望虞河、太浦河、太湖湖區(qū)代表水質(zhì)站數(shù)據(jù))和工程運(yùn)行情況(常熟樞紐、望亭立交、太浦閘的日內(nèi)均流量)等指標(biāo)的變化曲線,從相同事件類型的歷史事件庫(2006年8月-當(dāng)前時(shí)間的去年今日)中進(jìn)行篩選、對(duì)比得出若干相似事件,并分析其相似度;對(duì)相似度高的若干事件與當(dāng)前事件進(jìn)行相似度排序,為模型的調(diào)用計(jì)算提供多個(gè)可選擇方案;最后,結(jié)合排序后相似度最高的歷史事件,為當(dāng)前事件提出調(diào)度建議。相似分析的業(yè)務(wù)流程如圖6所示。
(1)分析結(jié)果:通過系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別的所有當(dāng)前事件的基本信息,系統(tǒng)對(duì)事件信息進(jìn)行分析判定事件類型,從歷史事件庫中搜索與當(dāng)前事件為相同類型的歷史事件,結(jié)合水情、降雨預(yù)報(bào)、水質(zhì)和工程運(yùn)行情況等指標(biāo)對(duì)比分析相似度,同時(shí)將綜合相似度最大的若干歷史事件在列表中的排序展示,用戶將列表中的事件和目前事件做指標(biāo)比對(duì),分析其調(diào)度指令對(duì)當(dāng)前流域情勢(shì)的可借鑒價(jià)值。
(2)調(diào)度建議:依據(jù)用戶人工配置的具體事件調(diào)度目標(biāo)、邊界條件,對(duì)歷史上的相似事件進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)相似度和事件總體相似度分析,之后對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)相似度和總體相似度排序,將相似度最高的歷史事件調(diào)度指令,作為對(duì)目前流域內(nèi)水資源調(diào)度的調(diào)度建議,并為接下來做調(diào)度模擬提供依據(jù)。
(1)模擬調(diào)度:包括方案配置、方案管理和方案比選。配置調(diào)度方案的基本信息;進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的設(shè)置以及預(yù)報(bào)降雨、邊界條件和工程調(diào)度方案的設(shè)置;進(jìn)行模擬計(jì)算分析各重要控制斷面水質(zhì)、水位、水量變化過程,結(jié)合GIS 地圖進(jìn)行模擬成果的動(dòng)畫演示;管理所有調(diào)度方案,進(jìn)行對(duì)比后選定最優(yōu)的調(diào)度方案。
(2)調(diào)度評(píng)價(jià):對(duì)代表性方案調(diào)度過程中的太湖水位、代表站水質(zhì)、區(qū)域水質(zhì)交換、災(zāi)害損失等要素的調(diào)度效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),并存為歷史調(diào)度事件,為之后的相似分析提供依據(jù)。界面設(shè)計(jì)中,分三部分進(jìn)行展示,上部為選擇需要評(píng)價(jià)的方案,中部為對(duì)該方案形成的評(píng)價(jià)報(bào)告,包括方案編號(hào)、時(shí)間編號(hào)、方案名稱、事件名稱等信息,下部為對(duì)方案評(píng)價(jià)的各項(xiàng)詳細(xì)信息的展示。
針對(duì)太湖流域綜合調(diào)度管理實(shí)際需求,建設(shè)了基于事件驅(qū)動(dòng)的太湖流域調(diào)度會(huì)商與決策支持系統(tǒng),可服務(wù)于太湖流域洪水調(diào)度、水資源調(diào)度管理和水污染治理的多個(gè)場景,為流域水資源配置與管理提供了依據(jù)與決策支持。
會(huì)商與決策系統(tǒng)已正式上線,系統(tǒng)將統(tǒng)籌流域防洪、供水、水環(huán)境等調(diào)度目標(biāo),通過逐日積累的調(diào)度方案數(shù)據(jù)庫不斷完善能顯示流域防洪、引供水、水環(huán)境、水生態(tài)安全等諸多事件類型調(diào)度合理程度的綜合調(diào)度指標(biāo)體系,用來匹配多目標(biāo)的流域調(diào)度需求。其次,針對(duì)流域生態(tài)文明建設(shè)的新要求,在面向流域區(qū)域水生態(tài)環(huán)境改善調(diào)度管理模式有待進(jìn)一步研究與開發(fā)。 □