基于數字化閘壩監控系統的聯合調度關鍵技術研究與應用

倪娜娜

(遼寧江河水利水電新技術設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110003)

隨著當今我國城市現代化步伐的加快和城市規模的不斷擴大，越來越多的河流演變為城市河道，甚至一些農村河道和農灌溝渠也將納入到城市范圍。由于城市河道既是整個江河流域的一部分，又是重要市政基礎設施，再加上城市河道服務對象、流經位置及承擔任務等特殊性，決定了其在城市經濟發展、防洪排澇和生態保護中的重要地位。為了滿足城市發展和生態景觀等需求，在城市河道上往往修建眾多的閘、壩和橋梁等水工建筑物，進行攔河蓄水、抬高水位，從而改變了河道形式，對河道防洪減災措施提出了新要求。閘、壩作為城市河道重要水利工程，在城市河道防洪調度中發揮著重要作用。建國以來，全國曾多次發生閘、壩潰垮或城市河道漫堤事故，給社會帶來了巨大生命及財產損失，嚴重妨礙社會發展，整體安全狀況十分嚴峻。

近年來現代自動化、信息化技術日新月異，水利閘壩自動化監測技術也獲得了充分的發展，但由于閘壩結構和城市河道聯合調度的特殊性，其相關領域技術研究進展緩慢。本文以渾河工程實踐為基礎，針對我國城市河道水工建筑物多、管理機制不健全、監測手段落后，閘群和壩群等河道水利樞紐綜合調度、控制難度大等問題，充分運用現代監測與信息化技術，在數字化閘壩監測、河道梯級樞紐工程綜合調度和防洪風險分析等相關技術領域開展研究與應用，有力推動了數字化閘壩安全監測和河道梯級樞紐綜合調度技術發展，極大增強了城市河道抗御洪水能力和綜合調度水平，有效保障了城市河道周邊生命財產安全。

1 數字化閘壩安全監測分析評價系統技術研究

針對閘壩監測手段落后、管理機制不健全、閘壩安全運行分析評價不及時等問題。本文通過研發集數據采集、通訊、整編、分析、評價等一站式、共享型的數字化閘壩安全監測技術，首次實現了閘壩水位、流量、結構應力、位移變形、滲流、土壓力、溫度和裂縫等多指標的一站式采集與多信息共享型管理，將復雜多變的閘壩監控信息轉變為可識別的數字或數據，進一步結合傳統水利建立了數字化模型，同步構建了數字化閘壩群在線式安全監測分析評價系統，實現了城市河道閘壩的預報預警和在線綜合分析評價。如圖1—2所示。

圖1 閘壩安全監測分析評價系統功能

2 閘壩自動控制系統構建與現地防護技術研究

本文通過分析城市河道壩群和閘群的控制應用原理，結合河道建筑物對河道行洪能力、生態保護等方面的實際影響，開展不同水利工程的自動控制系統構建技術、群測群控的集成技術和全線通訊平臺搭建等技術研究。借助傳感、信息和可視化等先進信息化技術，研發出集雨水情、監測、控制與視頻等各類信息一體化的監測系統構建技術；同時，針對自動化本身系統特點，進行了設備現場防護和施工工藝技術研究，為系統長期穩定運行提供了保障。如圖3—4所示。

圖2 閘壩安全監測分析評價系統界面

圖3 遠程視頻監視系統

圖4 雨水情監測系統

3 城市河道樞紐工程聯合控制與綜合調度技術研究

綜合數字化閘壩監測信息及河道上的水庫、橡膠壩、調節閘、船閘、控制閘等控制工程閘壩群，開展梯級樞紐工程聯合控制和綜合調度技術研究。本文以調度允許時間為約束條件，以抗御能力為參數，創建城市河流閘壩群聯合調度模型和閘壩控制方案。構建了城市河道樞紐工程聯合控制與綜合調度系統平臺；解決了城市河道水利工程聯合控制運用和綜合調度難題。渾河沈陽城市段水利工程布置如圖5所示。

圖5 渾河沈陽城市段水利工程布置概化圖

3.1 數字化河道物理模型構建

本研究模擬渾河上(沈陽城市段)在建、擬建的堤防、水閘等水工建筑物，劃分河道觀測(河道水位、流速等參數)斷面，借助流場實時測量系統(VDMS)、水位流速測量系統等平臺作為觀測工具；進行物理模型、數字模型的相似度建模和洪水模擬相似度評估，為水工建筑物工程設計參數、河道治理方案以及防洪減災決策提供支撐。室內物理模型如圖6所示。渾河沈陽城市段100a一遇的洪水淹沒如圖7所示。

圖6 室內物理模型示意圖

圖7 渾河沈陽城市段100a一遇的洪水淹沒

3.2 河道洪水預報預警模型技術研究

以渾河大伙房至沈陽城市段間的水文監測、防洪減災、語音報汛、氣象監測、工情監測等系統基礎信息為依據，在渾河物理模型建設技術研究的基礎上構建渾河(沈陽城市段)洪水預報預警模型。系統模型借助預報實時變量信息(包括雨水情、工情等信息)作為啟動預報預警模型和方法的約束條件；同時，對預報預警模型的計算成果或其參數不斷進行實時校正，并在系統平臺中展示實時、預報的水位(流量)、洪量和洪水過程要素。本研究的支撐模型采用具有代表性的蓄滿產流模型，Pa值的計算方法采用前15d(可自定義)的土壤蓄水情況和降水量逐日計算，以更準確地描述土壤的前期影響值。降水過程，徑流產生過程均可保存、查詢，洪水預報模型計算結果可通過借助圖形交互處理的方式進行人工干預，進一步得到可以發布的連續預報成果，為渾河工程樞紐聯合調度運用系統提供了數字模型基礎。如圖8所示。

3.3 綜合調度決策支持系統構建技術研究

課題基于WEB技術，搭建了防洪減災調度系統平臺，開發了針對管理支持信息、渾河物理模型試驗成果和渾河工程聯合調度方案研究成果的信息支持系統。主要功能:沈陽市地理信息查詢、渾河沈陽段流域水雨情查詢、衛星云圖在線查詢、流域

圖8 渾河洪水預報預警系統功能

特征斷面信息管理、流域區段特征信息管理、流域樞紐調度模型支持、流域模型試驗研究成果管理、流域防汛機構組織管理、流域防汛人員組織管理、救災物資管理、救災物資調度、搶險責任管理、避險信息管理、辦公自動化支持、防洪BBS系統支持和系統數據維護后臺管理系統。系統界面設計如圖9所示。

圖9 系統界面設計成果

4 結語

縱觀國內外該領域研究現狀與發展趨勢，本文根據城市河道樞紐水工建筑物多，在線式安全監測分析評價、聯合調度和控制難度大等特點，開展了數字化閘壩安全監測分析、城市河道物理模型與數字模型構建、樞紐工程綜合調度與控制、一站式綜合調度系統構建等關鍵技術的研究。首次以調度允許時間為約束條件和以抗御能力為參數，創建了城市河流閘壩群聯合調度模型和閘壩控制方案；建立了城市河道樞紐工程聯合控制與綜合調度系統平臺，填補了閘壩群綜合調度技術空白。