枋洋樞紐水量調度系統設計與實現

趙玉嬌，蘇煜杭，楊 曄

（1.國電南京自動化股份有限公司,江蘇 南京 210061；2.廈門水務原水投資運營有限公司,福建 廈門 361000）

1 引言

當前,隨著中國區域經濟快速發展和城市化進程加快,水資源開發不平衡、地下水量開采量大、水資源利用效率低等問題日趨嚴重,水資源短缺現象逐漸凸顯[1]。同時,區域降水量時空分布不均、用水管理水平不高,導致水資源供需矛盾逐漸激化,制約了社會經濟快速發展[2]。因此,提高水資源管理水平,嚴格控制取用水量勢在必行。水資源管理的重要任務之一是編制科學的水量調度方案,優化配置水資源,緩解供需矛盾,使有限的水資源發揮最大的綜合效益[3],而編制科學的水量調度方案需要科學準確的可供水量計算、需水預測及科學合理的優化配置模型作為依托。自20 世紀中期起我國就開始了對水資源優化配置的研究。近年來,隨著實踐的逐步開展和研究的不斷深入,根據可持續發展的要求,已成功實施了多項水量調度工作。

長泰枋洋水利樞紐工程是福建省廈門、漳州兩市共同依托九龍江流域,實現跨區域、跨流域水資源配置的重要工程,是水利部全國172 個重大節水供水水利項目之一。工程位于長泰縣枋洋鎮,水系屬九龍江北溪龍津溪支流,由上存水庫、尚吉電站、溪口閘壩及溪口-許莊引水隧洞等組成,上存水庫與溪口閘庫聯合調度,通過上存水庫對上存-溪口區間徑流和石兜水庫進行補償調節,在滿足長泰片和廈門片用水需求的前提下,盡量蓄存汛期來水,減少棄水量,以充分利用水資源。

本文結合枋洋水利樞紐水量調度系統建設經驗,針對近年來水資源優化調度系統應用現狀,以及對水量分配與調度實際需求,設計研發了水量優化調度系統軟件平臺。

2 系統架構

水量優化調度系統通過對軟件系統的分層設計和平臺功能的模塊化設計,實現軟件系統的集成。系統采取B/S 模式進行架構,選用MySQL 作為數據庫管理系統,并通過專用的通訊系統通訊,采用面向對象軟件設計技術,自下而上由以下幾層構成：

1）數據支撐層。該層為系統業務及主要功能提供數據支撐,根據數據類別可分為水利工程運行數據、實時監測數據、評價數據及預報數據等,數據經業務層處理后完成功能展示。

2）業務支撐層。該層的核心為來水預測模型、需水預測模型以及調度模型的計算等服務。數據通過模型的計算可完成水量調度計劃的編制,進而完成水量調度方案的確定。

3）軟件功能層。根據系統功能的需求分析可將系統的功能分為五大模塊,分別是信息服務、常規調度、應急調度、實時調度以及日常業務管理。

系統架構見圖1。

圖1 水量優化調度系統結構

3 系統實現

水量優化調度的基礎是構建水量優化調度模型,其核心是科學協調生產,兼顧生活、農業、工業和生態用水需求,以生活、農業、工業與生態環境用水的最大保證率為目標,對水量進行合理分配。根據業務具體需求進行功能模塊設計,包括信息服務、常規調度、應急調度、實時調度、日常業務管理五大模塊,功能結構見圖2。

圖2 水量調度系統功能結構圖

3.1 信息服務

信息服務模塊為系統基礎部分,提供龍津溪流域基本信息的展示,包括水資源綜合信息展示、水量情勢分析以及會商決策管理三個方面內容。

水資源綜合信息展示包括水系、行政區、水資源分區、水庫、水文站、控制斷面、取水口的基礎信息、GIS 圖層、工程運行監測信息、當前調度計劃等信息的展示；水量情勢分析評估已經發生的調度過程和結果,對比調度計劃和實際情況的偏差對調度方案進行評價分析,為調度方案的調整修正提供數據支撐,包括綜合情勢分析、來水情勢分析、供水情勢分析以及水資源情勢分析等內容；會商決策管理是通過會商分析編制完成的各套方案的基本情況,方案執行時可能受到影響的斷面、取水口、城市以及各斷面影響時長等決策出一套可執行方案,是對歷史調度會商信息的記錄與展示。

3.2 常規調度

常規調度模塊完成調度方案管理、年、月、旬三種時間尺度的方案編制以及方案決策等功能。方案管理是對調度方案的統一管理,功能上實現了對調度方案的新增、編輯、刪除以及查詢等。調度方案編制包括如下內容：基本信息、徑流預報、可供水量計算、需水預測、水量分配、水庫調節以及結果分析。

基本信息,包括調度計劃起始時間、終止時間、方案描述等基本信息以及調度方案網絡概化圖；徑流預報,分析龍津溪流域與廈門地區降水時空演變規律,依據成因分析與數理統計方法,選擇與該區域降水具有較高相關性的太平洋海溫與大氣環流預報因子,構建氣候預報因子與月徑流量的多元回歸模型,比較不同方法的預測結果與預測精度,確定徑流預報方案,通過表格、柱狀圖以及折線圖等方式對預報結果進行展示；可供水量計算,正算法、倒算法以及經驗公式法均可對可供水量進行計算,九龍江流域處于東南沿海,正算法適用于此次計算,為調度方案編制提供數據支撐；需水預測,以定額法為基本方法,采用趨勢法進行復核預測各區域各部門用水需求,結合可供水量制定水量分配方案；水量分配基于可供水量以及需水預測的計算結果,計算上存水庫與溪口閘壩的水資源可利用量動態變化,采用智能優化算法進行水資源優化調度模型求解,以供定需完成對不同地區不同部門的用水分配；水庫調節計算是在供需水計算和水量分配計算的基礎上,根據水庫的基本信息采用不同的水庫調度模型實現水量調度；結果分析主要是計算水資源區、行政區、用水單元、水庫的水量供需和水資源調度過程。

方案決策是對眾多分配方案進行對比篩選,根據各方意見進行會商決策,選出最優水量分配方案進行下一步調度實施。

3.3 應急調度

應急調度是為突發事件服務的,在任何領域,突發事件都是不可避免的,水資源調度也不例外。通過應急調度模塊能夠有效減少突發事件發生時的生命財產損失。該模塊包括突發水污染調度、工程事故應急調度以及特殊干旱應急調度,實現三種突發事件來臨時的供水安全保障。

應急調度主要包括預警分析、方案生成、會商決策、執行監控以及成果管理等內容。其中針對不同的突發事件類型,預警分析有所不同其他內容大同小異。突發水污染預警分析包括水質預警、污染識別以及擴散模擬；特殊干旱預警分析包括干旱預警、干旱識別以及干旱預測模擬；工程事故預警除了工程預警外增加了險情標繪以及險情上報等內容。基于預警分析等結果,分析評估事件的緊迫性,通過加大水庫泄流量,改變取水口啟閉狀態等制定應對方案。

3.4 實時調度

實時調度根據短期水量調度計劃,編制并發布實時調度指令并對調度指令進行分析管理。該模塊為水量調度微觀優化管理的方案實施層,是水量調度系統與閘站監控系統的接口界面。

實時調度包含調度指令的發布管理、特征管理、資料管理、分類管理以及綜合分析。發布管理即編輯并發布調度指令,并能實現調度指令的增刪改查。對閘站監控系統的水量調度反饋進行實時監控,如偏離目標值超出閾值范圍,則重新制定調度目標,發布新的調度指令覆蓋原指令；特征管理是對調度指令的一些特征數據如調度工程、調度指標、特征水位等進行管理；資料管理對調度指令相關的資料進行管理,如調度指令發布前的準備工作、調度會商材料、調度現場資料以及調度結束工作總結等資料進行管理；分類管理則是將調度指令進行合理分類,進而方便調度指令的分析管理；調令綜合分析是對已經完成的調度指令調度過程進行數據化分析,為往后的調度提供經驗教訓。

3.5 日常業務管理

日常業務管理模塊主要完成基本信息管理、公文發布、用水申報受理、統計計算等業務處理工作,能夠實現用水申報受理、可供水信息接收、調度方案上報下發、調度指令生成下發以及各種信息匯總統計等日常業務處理功能,是相關工作人員日常工作平臺。

4 系統應用

水量優化調度系統在長泰枋洋水利樞紐工程得到了應用,面向業務管理人員提供信息服務、常規調度、應急調度、實時調度、日常業務管理等功能模塊。以“常規調度”為例,對枋洋水利樞紐各重要控制斷面進行水量供需平衡計算,并以圖形化方式展示各控制斷面每月來水量、需水量、預警等級及供需差值,界面展示見圖3,通過頁面左側菜單欄可實現不同功能模塊的切換。

圖3 水量供需平衡分析界面

5 結語

水量優化調度系統是提高水資源管理水平,有效緩解用水供需矛盾的重要手段,對落實最嚴格的水資源管理制度,嚴格控制各地區、各部門取用水量具有重要意義。水量調度系統的運行,為枋洋水利樞紐工程調度提供決策支持,為實現水資源總量控制和智慧監管提供平臺支撐。本系統的研究能夠為今后的水資源優化調度提供一定的參考和借鑒價值,有利于提高全國水資源管理水平。