劉國富，金建樂

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江麗水，323000）

0 引言

水庫調(diào)度包括防洪調(diào)度和興利調(diào)度，通過水利設(shè)施對天然來水進(jìn)行再調(diào)節(jié)，汛期攔蓄洪水、消減洪峰，減輕下游災(zāi)害損失，減少水庫棄水，增加發(fā)電效益，非汛期增加河道供水量，為下游生態(tài)環(huán)保、城市供水、航運、旅游等綜合利用創(chuàng)造更有利條件。

水庫流域調(diào)度主要根據(jù)水庫所在流域氣象和水庫當(dāng)前水雨情信息，按照水庫調(diào)度規(guī)則開展調(diào)度工作，但在實際調(diào)度過程中，存在許多局限性。具有一定調(diào)節(jié)性能的水庫，不僅需要為電網(wǎng)調(diào)峰保電、迎峰度夏做好準(zhǔn)備，也要為地方政府防汛抗旱減災(zāi)發(fā)揮作用。汛期需騰空庫容、攔洪削峰，汛后需滿足抗旱、供水、航運、生態(tài)、環(huán)保等綜合用水要求，造成防洪與興利的矛盾，對水庫調(diào)度工作提出了更高的要求。然而，水庫管理單位對本流域以外的氣象和水雨情信息知之甚少，缺乏全流域綜合調(diào)度的觀念和意識，在遭遇特殊天氣情況，如相鄰流域發(fā)生大洪水時，由于對相關(guān)流域水雨情信息掌握不足，錯峰調(diào)度極易造成本流域防洪調(diào)度受限、水庫水位快速升高等特殊情況，或造成下游梯級水庫不必要的棄水，降低水量利用率，對水庫大壩及下游防汛造成較大安全隱患，增大水庫調(diào)度風(fēng)險。因此，一個具有風(fēng)險預(yù)警功能和流域綜合調(diào)度能力的智能防洪調(diào)度體系極其重要。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能防洪調(diào)度體系基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，從感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層全面實現(xiàn)流域數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)共享、網(wǎng)絡(luò)互通、智能綜合調(diào)度等功能，包括實時信息感知、預(yù)警級別判斷、監(jiān)測預(yù)警發(fā)布、智能開展調(diào)度決策等內(nèi)容。調(diào)度體系總流程見圖1。通過實時感知流域水雨情、電站發(fā)電泄洪狀況、水庫蓄滿狀態(tài)、流域未來氣象預(yù)報等，開展雨強、雨量、流量超限預(yù)警，分析可容蓄降水量、來水量，預(yù)測水庫超汛限水位、河道超警戒水位，實時發(fā)布預(yù)警信息，建立流域智能防洪調(diào)度體系，實時預(yù)測流域關(guān)鍵斷面和重要水庫汛情，科學(xué)開展流域梯級調(diào)度，減輕下游洪水災(zāi)害，減少梯級水庫棄水，提高水量利用率，發(fā)揮發(fā)電、防洪等綜合效益。

圖1 智能防洪調(diào)度體系總體流程Fig.1 Flowchart of the intelligent flood control and regulation system

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)以數(shù)據(jù)庫、模型庫、方法庫和知識庫作為基本信息支撐，通過總控程序構(gòu)成智能防汛調(diào)度體系的運行環(huán)境，輔以友好的人機界面，有效地實現(xiàn)實時預(yù)警監(jiān)測、智能調(diào)度這一復(fù)雜過程。因此，體系由數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、模型庫子系統(tǒng)、方法庫子系統(tǒng)、知識庫子系統(tǒng)和人機會話子系統(tǒng)五部分構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 智能防洪調(diào)度系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the intelligent flood control and regulation system

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 開發(fā)思路

（1）采用C/S（客戶端/服務(wù)器端）結(jié)構(gòu)開發(fā)模式，構(gòu)建統(tǒng)一的監(jiān)測預(yù)警與調(diào)度決策支撐系統(tǒng)。

（2）加強人機交互功能，采用面向?qū)ο蟮目梢暬绞竭M(jìn)行開發(fā)，界面設(shè)計以操作簡便、交互友好為指導(dǎo)原則。

（3）保證數(shù)據(jù)的真實性與及時性，采用數(shù)據(jù)同步技術(shù)保障數(shù)據(jù)的實時性和可靠性。

2.2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)和主要功能

系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫為核心，結(jié)合模型庫和方法庫，對調(diào)度決策各事件任務(wù)進(jìn)行管理。結(jié)合需求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示，各模塊的主要功能如下：

圖3 智能防洪調(diào)度系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)Fig.3 Logical structure of the intelligent flood control and regu-lation system

（1）信息感知?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)流域水雨情、氣象數(shù)值預(yù)報、電站實時出力、水庫閘門開度等信息實時采集、智能分析和處理。包括流域水文站、水位站、雨量站的水位、降水量、流量信息，氣象部門的短期、中期、長期降水量數(shù)值預(yù)報信息和水庫電站水位、出力、閘門開度信息等。

（2）智能判斷。通過實時監(jiān)測雨強、雨量、流量，分析計算可容蓄降水量、來水量，預(yù)測水庫超汛限水位、河道超警戒水位，實時開展預(yù)警判斷。

（3）監(jiān)測預(yù)警。通過構(gòu)建洪水預(yù)報模型庫，采用多種模式開展洪水預(yù)報，開展防汛抗旱預(yù)警?；趧討B(tài)徑流系統(tǒng)開展可容蓄降水量分析預(yù)警。預(yù)警信息通過短信、語音、畫面進(jìn)行發(fā)布。

（4）調(diào)度決策。建立水庫防汛防旱調(diào)度預(yù)警及決策支持平臺。實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)分析處理、預(yù)警風(fēng)險提示、水庫調(diào)度方案建議等功能，開展梯級調(diào)度和流域智能調(diào)度。

3 基本原理

3.1 實時信息動態(tài)感知

感知層實現(xiàn)所有實時水雨情信息（水位、雨量、流量等）、流域內(nèi)水電站信息（發(fā)電機組出力、開停機狀態(tài)、水庫蓄滿狀態(tài)等）、流域氣象預(yù)報信息及水庫閘門泄洪信息等的動態(tài)感知，通過有效信息自動識別，運用先進(jìn)技術(shù)開展分析預(yù)判，并對各關(guān)鍵控制斷面信息進(jìn)行實時監(jiān)視。

3.2 水庫流域風(fēng)險實時預(yù)警

以重要水庫或關(guān)鍵斷面為控制節(jié)點，運用動態(tài)徑流系數(shù)和氣象數(shù)據(jù)預(yù)報信息，開展水庫可容蓄降水量預(yù)警、水庫超正常蓄水位預(yù)警、關(guān)鍵斷面超警戒水位預(yù)警、相鄰流域降雨來水對水庫錯峰調(diào)度影響等多種洪水風(fēng)險預(yù)測，為科學(xué)安排水庫調(diào)度計劃、合理控制水庫水位提供技術(shù)支撐。

3.2.1 可攔蓄水量預(yù)測

在網(wǎng)絡(luò)層利用自動識別技術(shù)，開展流域內(nèi)小水電可攔蓄水量計算。自動采集全流域?qū)崟r水雨情信息、氣象預(yù)報信息，根據(jù)測站地理分布和單站降雨量計算水庫平均雨量及流域各支流平均雨量，并分類保存到數(shù)據(jù)庫。再根據(jù)流域內(nèi)各小水電實時攔蓄水量與正常蓄水位時的蓄水量差值，計算流域內(nèi)總的可攔蓄水量，為水庫流域首次洪水計算的扣損提供參考依據(jù)，有利于提高洪水預(yù)報精度。

3.2.2 可容蓄降水預(yù)警

運用動態(tài)徑流系數(shù)，開展水庫可容蓄降水量預(yù)警。根據(jù)水庫實時采集的水位、庫容、流量、前期降水量信息，結(jié)合月份、前期降水量、洪水期等相關(guān)參數(shù)動態(tài)確定當(dāng)前的徑流系數(shù)，以及水庫正常庫容、流域面積特征等水庫參數(shù)。按徑流量公式計算可容蓄凈水量和可容蓄降水量，并計算機組不發(fā)電、保證出力發(fā)電、70%滿負(fù)荷發(fā)電、裝機容量發(fā)電等組合條件下可容蓄凈水量和可容蓄降水量，實時監(jiān)視水庫可容蓄降水量，降低庫水位超過正常蓄水位的風(fēng)險。通過相鄰流域資料調(diào)用，為缺少資料的中小水庫提供可容蓄降水量預(yù)警。

3.2.3 水位超限預(yù)警

運用氣象數(shù)值預(yù)報，采用多模型預(yù)報方法預(yù)測水庫水位。根據(jù)氣象預(yù)報信息，結(jié)合短時、短期、旬、雙周、月降水量數(shù)據(jù)預(yù)報，以及水庫當(dāng)前水位、流量、發(fā)電信息、動態(tài)徑流系數(shù)，開展短期洪水預(yù)報和中長期洪水預(yù)報，預(yù)測不同發(fā)電組合時水庫期末水位和最高水位，延長洪水預(yù)見期，為盡早開展水庫調(diào)度爭取主動。

3.2.4 防汛預(yù)警

基于大數(shù)據(jù)分析水情預(yù)測結(jié)果，開展水庫調(diào)度防汛預(yù)警。根據(jù)當(dāng)前水庫水位、水情預(yù)測水位及預(yù)報誤差，以期末預(yù)測水位或最高水位是否超汛限水位或正常蓄水位為依據(jù)，通過大數(shù)據(jù)對預(yù)測洪水進(jìn)行推演，模擬洪水對上下游的影響，確定防汛預(yù)警級別，提出水庫調(diào)度發(fā)電建議。以機組不發(fā)電、保證出力發(fā)電、40%滿負(fù)荷發(fā)電、70%滿負(fù)荷發(fā)電、裝機容量發(fā)電等組合條件下計算的期末水位作為判定依據(jù)，判定水庫泄洪風(fēng)險，開展水庫調(diào)度防汛預(yù)警。

3.2.5 抗旱預(yù)警

根據(jù)水庫下游城市生活、生態(tài)、航運等供水需求，按水庫設(shè)計來水保證率，計算供水期各月最低控制水位線。結(jié)合水庫調(diào)度圖保證出力區(qū)下限和水庫當(dāng)前水位、流量、發(fā)電信息，以后期庫水位是否落在破壞出力區(qū)或供水期各月最低控制線以下為判定依據(jù)，確定抗旱預(yù)警級別和抗旱風(fēng)險，提出水庫調(diào)度限制發(fā)電建議。

3.3 流域智能調(diào)度決策

3.3.1 梯級調(diào)度

充分發(fā)揮流域龍頭水庫的調(diào)蓄能力，合理攔蓄洪水，增加各水庫可利用水量。根據(jù)上游水庫出庫水量、流域各支流實時流量及預(yù)測后期來水量，準(zhǔn)確預(yù)測下游水庫入庫洪水流量、到達(dá)時間及水庫最高水位，為梯級電站及早安排發(fā)電、及時消落水庫水位爭取主動，減少水庫棄水，提高水量利用率和發(fā)電效益。

3.3.2 智能決策

在應(yīng)用層建立流域洪水預(yù)報智能調(diào)度決策系統(tǒng)，科學(xué)開展梯級水庫調(diào)度。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與行業(yè)領(lǐng)域動態(tài)結(jié)合，實現(xiàn)廣泛智能化的解決方案。通過大數(shù)據(jù)智能計算、分析，充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等計算手段，模擬各種組態(tài)下的調(diào)度方案并確定最佳方案。通過構(gòu)建的智能水庫調(diào)度決策系統(tǒng)推演影響程度，再利用網(wǎng)絡(luò)層對終端用戶進(jìn)行信息發(fā)布、指令下達(dá)、人員轉(zhuǎn)移等，實現(xiàn)全流域最優(yōu)調(diào)度，降低社會經(jīng)濟(jì)損失。

4 實例應(yīng)用

4.1 基本概況

甌江流域麗水境內(nèi)已建成?。?）型及以上水庫90多座，總庫容60多億m3。其中，大型水庫2座，中型水庫30余座，?。?）型水庫60多座。甌江干流已形成緊水灘、石塘等8座梯級水庫，裝機容量達(dá)71萬kW。甌江流域各電站未實現(xiàn)水雨情信息共享及水庫梯級聯(lián)合調(diào)度，且無全流域洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)，無法為甌江沿岸的防汛抗臺和電站的梯級調(diào)度提供技術(shù)支撐和決策支持。

緊水灘作為甌江干流唯一具有調(diào)節(jié)性能的水庫，擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)，同時需要實施錯峰調(diào)度，保護(hù)干流兩岸主要防御對象的防洪安全。2014年甌江全流域洪水時，由于缺少相關(guān)流域水雨情信息，缺乏科學(xué)論證水庫錯峰調(diào)度合理性與必要性的技術(shù)手段，在嚴(yán)格執(zhí)行麗水市防汛指揮部的調(diào)度指令后，緊水灘庫水位達(dá)到歷史最高值，水庫大壩存在較大的安全隱患。通過建立甌江流域智能防洪調(diào)度體系，實時共享流域上下游信息，監(jiān)視關(guān)鍵斷面重要水庫汛情，開展風(fēng)險預(yù)警和科學(xué)調(diào)度，確保防汛抗旱安全。

4.2 功能實現(xiàn)

4.2.1 動態(tài)感知流域?qū)崟r信息

實時采集全流域水雨情、氣象數(shù)值預(yù)報、水庫工況等信息（圖4），對水庫實時水位達(dá)到或超過正常蓄水位開展分級預(yù)警，水位站實時水位達(dá)到警戒水位時實時提醒。

圖4 甌江流域水情監(jiān)視圖Fig.4 Hydrologicalinformation about Ou River basin

4.2.2 監(jiān)視關(guān)鍵斷面和重要水庫汛情

實時監(jiān)視流域關(guān)鍵支流控制斷面和重要水庫實時汛情（圖5），展示流域各斷面平均降水量、洪水流量、實時水位等演進(jìn)過程，為下游實現(xiàn)科學(xué)防洪調(diào)度提供決策支持。

圖5 甌江流域關(guān)鍵斷面實時水情圖Fig.5 Real-time hydrologicalinformation on key sections of Ou River basin

4.2.3 基于短期水庫洪水預(yù)報的防汛預(yù)警

根據(jù)當(dāng)前庫水位、水情預(yù)測水位及預(yù)報誤差，以期末預(yù)測水位或最高水位是否超汛限水位或正常蓄水位為依據(jù)，確定防汛預(yù)警級別和防汛風(fēng)險。防汛預(yù)警級別設(shè)置見表1。

表1 防汛預(yù)警級別設(shè)置Table 1 Classification of flood warning

4.2.4 基于下游綜合用水約束的抗旱預(yù)警

根據(jù)水庫下游城市生活、生態(tài)、航運等供水需求及預(yù)測來水，確定抗旱預(yù)警級別和抗旱風(fēng)險?？购殿A(yù)警級別設(shè)置見表2。

表2 抗旱預(yù)警級別設(shè)置Table 2 Classification of drought warning

4.2.5 基于多技術(shù)運用的智能防洪調(diào)度體系

基于氣象數(shù)值預(yù)報（見圖6）、動態(tài)徑流系數(shù)、短期洪水預(yù)報、下游綜合用水、水庫流域運行參數(shù)等，建立流域智能調(diào)度決策平臺，實現(xiàn)調(diào)度方案科學(xué)決策，并為流域水庫調(diào)度和下游的錯峰調(diào)度提供決策依據(jù)，確保水庫大壩和下游人民生命財產(chǎn)安全。

圖6 氣象數(shù)值預(yù)報與調(diào)度決策Fig.6 Prediction of meteorologicalinformation and regulation decisions

5 結(jié)語

水庫流域智能防洪調(diào)度體系基于物聯(lián)網(wǎng)、氣象數(shù)值預(yù)報、動態(tài)徑流系數(shù)等技術(shù)應(yīng)用，實時預(yù)測關(guān)鍵斷面和重要水庫入庫流量，合理開展各級水庫實時調(diào)度，充分發(fā)揮龍頭水庫的調(diào)節(jié)能力，攔蓄洪水、削減洪峰，減輕洪水災(zāi)害，并為梯級水庫發(fā)電和防洪調(diào)度提供決策支撐，降低梯級水庫棄水風(fēng)險，增加發(fā)電量，提高梯級水庫水量利用率，具體如下：

（1）為水庫下游沿岸城市及防護(hù)區(qū)域的防汛抗臺提供水情預(yù)報和決策支持。

（2）為發(fā)生全流域洪水時的水庫錯峰調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)手段。

（3）為下游梯級電站開展梯級調(diào)度提供信息共享和技術(shù)支撐。

（4）為流域中小水庫提供超汛限水位預(yù)警和可容蓄降水預(yù)警。

（5）指導(dǎo)水庫流域防洪度汛和水庫日常調(diào)度?！?/p>