萩蘆溪流域水資源調度系統信息化

林志健

(莆田市萩蘆溪水電管理處，福建 莆田 351131)

0 引言

萩蘆溪是福建省莆田市第二大河流，主河道長60 km，流域面積達628 km2，發源于仙游縣游洋鎮，經涵江區莊邊鎮、白沙鎮、萩蘆鎮和江口鎮注入興化灣，擔負著向涵江區及荔城區西天尾鎮提供原水的重任。近年來，流域水資源管理已成為水利工作的一大著力點，而中小流域覆蓋地域廣闊、工程建筑設施點多且面廣、管理對象繁多、管理業務十分復雜，必須結合水資源調度和信息化手段，對流域進行科學管理和有效調度，實現充分利用水資源，又切實保護生態環境。

水資源調度系統的建設與信息化緊密相關，涉及到流域水雨情、水量分析、水質監測及調度規則等方面，既要有水系徑流和社會各行業用水的定量預測分析，又有不同時段、不同缺水條件下的水量調度規則的定性分析，受到許多人為及邊界因素的影響，來、用水量分析成果的可靠性很大程度上決定了模型輸出的合理性。水資源調度系統的信息化就是以計算機系統為運行工具，把優化、實時調度模型與各種非數字化的信息處理結合起來，定性與定量分析相結合，為決策者提供大量、全方位的輔助信息，最終實現科學的調度決策。

1 當前流域水資源調度管理面臨的問題

1.1 供需問題

由于萩蘆溪水資源的天然時空分布差異較大，地區間和各用水部門間也存在著很大的用水競爭性，因此如何利用好水資源，包括對水資源的開發、利用、保護與管理，解決水資源供需矛盾和用水競爭，發揮水資源的最大應用效益，實現水資源的可持續性利用，是擺在萩蘆溪水電管理處乃至整個社會面前的重要課題。因此迫切需要利用信息化管理來進行水資源優化調度，提高萩蘆溪對社會經濟的支撐能力。

1.2 調度手段落后

由于萩蘆溪范圍大，工程分散，分水建筑物多，降雨時空分布不均勻，而水電管理處仍使用傳統方法實施水資源調度，使萩蘆溪的水資源調配總是落后于客觀實際的變化。

1.3 監控方式落后

萩蘆溪水系流域量測水方法基本采用人工讀數，導致人工計量效率很低，執行起來不方便，既費力又費時，數據的實時性也很差，人為因素影響大;水位觀測靠人工目測，啟閉機采用手搖式操作，管理人員勞動強度大，工作效率低。調配水靠人工指令調度，調整不及時易造成調度不穩定及水量浪費。

2 水資源調度系統設計

2.1 系統設計目標

在貫徹水利部治水新思路的前提下，建立萩蘆溪水資源調度系統信息化的目標是將現代化技術全面引入到萩蘆溪的建設管理中，提升流域的自動化和管理水平，逐步實現對萩蘆溪水資源的優化配置，完成流域水情數據采集、閘門自動控制和水資源調度等，使萩蘆溪調度管理全面走向自動化。

2.2 系統組成

萩蘆溪水資源調度系統包括3個部分:①自動化監控系統，包括水情自動測報系統以及閘門自動控制;②計算機網絡;③應用決策支持系統，它是水資源調度系統最重要、最有價值的部分，本文將重點論述。

2.3 自動化監控系統

2.3.1 水情自動測報系統

系統由數據采集(VHF、GPRS)和中心站組成，數據采集包括水位數據、供水計量、流量數據以及水質監測。遙測站和中心站構成星狀網絡，中心站為中心節點，測站采用隨機自報和定時自報相結合的工作方式發送數據，并且具有固態存儲數據的功能，中心站具有數據處理、分析、查詢等功能，并能向上級提供信息。傳感器的選擇首先考慮可靠性，水位采集采用浮子式傳感器;供水計量采用電磁流量計;因萩蘆溪因溪流流速波動性大，溪道流量監測方法宜采用流速-面積-流量法，所以采用穩定可靠、精度高的時差法超聲波流量計，水質主要監測總磷、總氮、葉綠素以及常規5項等常用飲用水指標。

2.3.2 閘門自動控制

閘門自動控制由中心站和現場監控站組成，系統網絡采用星型網方式，以大網協議傳輸，主要由水閘控制中心現地控制單元、啟閉組成?，F地控制層設有LCU，分別執行對應水閘設備的實時監控，并采集相應閘上水位傳感器、閘下水位傳感，并向水電管理處傳輸閘門自控數據。萩蘆溪水資源調度可通過閘門自動實現，現場遠程終端單元通過無坎寬頂堰水力學公式計算實時出水量，水資源調度系統根據出水量，再去調整閘門開啟度。

2.4 計算機網絡

通過計算機網絡將萩蘆溪管理處各部門的計算機連接起來，同時將管理處與各管理所、各管理房的通信傳輸及監控網絡整合到此網絡中，建立數據傳輸業務平臺，對遠程控制、實時采集數據提供傳輸通道，同時也為應用決策支持系統等信息化系統建立網絡平臺。

2.5 應用決策支持系統

應用決策支持系統包括水資源調度監控預警系統、供水信息管理系統以及群閘聯合優化調度系統。

2.5.1 水資源調度監控預警系統

系統立足于實時監控調度指令執行情況的業務需要，對采集的水情信息、水閘實時工況信息進行有效梳理，并基于GIS地理信息基礎平臺進行展現，對超出調度規則范圍的信息進行實時語音智能預警，根據業務需求生成對應的業務報表，為水資源調度運行監控提供實時信息支撐。

1)實時信息集成:系統實現將自動采集下來的數據在GIS平臺上，通過選擇不同的類別(水位、流量、水閘)顯示各遙測站點的水位情況和水閘當前水流情況和開度狀況。

2)調度規則設定:系統實現對水位、流量、閘門開度、水閘電流監視信息的調用規則的設定。設定的規則包括:①水位超控制標準;②開始放水和結束放水10 min后自動預警通知;③閘門開度和出現故障時預警報警;④水閘電機過流、過載、斷相、欠壓、短路、堵轉等時自動預警通知。

3)預警模板設定:建立水位、流量、閘門開度、水流各種預警信息模板，分類建立不同規則的詞條庫，用以快速進行預警信息的制作。

4)監控預警發布:系統實現根據監測數據的分析和預警模板產生的預警信息，并自動翻譯成語音信號，通過高音喇叭向有關人員發布預警信息。同時，在系統后臺中保留預警信息和發送的狀態。通過預警查詢可以檢索出預警的發布情況。

5)生成業務報表:系統實現根據業務需求自定義配置業務報表相關的字段信息，自動生成對應的業務報表。報表的字段定義可以依據具體情況定制。

2.5.2 供水信息管理系統

系統由供水實時信息查詢、供水日報、統計報表、供水線路、供水計劃及水量計量等組成。

系統可以在電子地圖上提供實時信息查詢，為調度決策者提供支持，在供水調度實施過程中，系統將每日定時自動生成供水日報并自動生成以下報表:供水調度指令報表、供水量月、年報表等。系統還將顯示供水線路圖，提供月度供水計劃數據的瀏覽、錄入和修改等功能，并且生成年度的供水計劃表。最后系統還提供水量計量數據的錄入功能，以及水量數據按用戶按月(或者按月的匯總功能)以及水費計算功能。

2.5.3 群閘聯合優化調度系統

流域水資源的調度基本是由水閘啟閉來實現，群閘的調度是水資源調度優化最終的控制手段。群閘聯合優化調度系統由水閘調度模型、群閘聯合調度優化數學模型和預案庫構成。通過群閘聯合調度優化數學模型對假設的調度方案進行模擬，得到用于水閘調度模型學習的預案庫，水閘調度模型根據水閘下游邊界條件和實時監測的水情水質數據，形成一個水閘初步調度方案，然后經過群閘聯合調度優化數學模型對調度方案進行模擬。當模擬結果達到期望的目標，這時的調度方案即為可以下達的調度方案;當模擬結果不能達到期望的目標時，需要人工對調度方案進行修正，再通過群閘聯合調度優化數學模型進行模擬，直到獲得一個能滿足調度目標的調度方案。

群閘聯合優化調度系統流程框圖見圖1。

圖1 群閘聯合優化調度系統流程框圖

1)監測數據導入:影響水閘調度的因素很多，在水閘調度分析時，需要提供水閘主要影響因素數據，包括水閘上游水位、水閘下游水位、期望水閘上游水位(水閘關閉后上游穩定水位)等數據。這些數據可以通過Excel表格導入或界面輸入等方式，提供水閘調度模型的初始數據。

2)水閘調度模型:根據不同水閘的不同需求，如防汛排澇、日常水質改善、供水等，以及不同的水閘調度方式設定不同調度目標參數，建立水閘調度模型。

3)形成調度方案:根據提供的一組水閘調度監測數據，這些監測數據包括水閘上游水位、水閘下游水位、期望水閘上游水位，并結合水閘調度模型，自動生成預設的調度方案。

4)群閘聯合調度優化數學模型:群閘聯合調度優化數學模型是為調度模型提供訓練用的預案，以及檢驗調度模型給出的調度方案。率定驗證后的數學模型可以作為原型的近似代替。

模型通過提供的流量、水位、有效過水斷面面積、蓄水斷面積、沿主流向的河道縱向距離、時間、單位長度河段均勻旁側入流量、動量校正系數、重力加速度、河道的阻力坡降、側向流的動量等數據參數，運用數學模型，自動快速計算產生調度預案，并有人工干預判別提供的調度方案。

模型中提供的數據通過Excel導入方式或數據庫讀取方式獲取初始數據，并顯示在系統主界面上，客戶可以根據具體情況對導入的數據進行調整。

5)預案查詢管理:實現對群閘聯合優化調度產生的調度預案的入庫，保存在預案庫中。通過輸入調度預案的關鍵詞，如流量、水位、水系等，自動檢索對預案庫中新入庫的調度預案和已有的調度預案信息，以列表的方式顯示預案信息，并可以查看到預案的詳細信息。同時實現通過選擇事先擬定的不同調度條件，為水閘調度模型提供學習預案。

6)調度方案展示:系統實現根據群閘聯合調度優化數學模型的模擬情況，通過自動或人工干預方式判別模擬結果，并保存、顯示最終產生的調度方案?？蓪崿F調用事先知道的調度方案模擬結果，并與最終產生的調度方案模擬結果進行對比。

3 結語

隨著社會經濟的發展，水在社會經濟中發揮的作用越來越大，要求萩蘆溪流域水系在用水管理中科學地配置利用水資源。通過信息化系統的實施建設，能明顯改善工作環境，提高工作效率，提高水的利用率。每年能減少損失水量上百萬方，多發電量幾百萬度，直接為我處增加經濟收入上百萬元。

但水資源調度管理系統是一個十分龐大而又復雜的系統，在具體實施過程中要堅持“因地制宜、視需定建，突出重點、量力而行、先搞試點、逐步擴展、高效可靠、確保效果”的原則，充分利用現有的基礎設施，建立高效可靠、先進實用的水資源規劃、調度、實時監控管理系統，形成各種水情、旱情網，結合水資源管理、調度決策的需求，實現水資源的優化配置，提高管理部門的正常工作效率、質量、效益和決策的科學性和正確性，從而推動萩蘆溪流域水資源調度現代化建設的進程，為莆田市興化灣南岸建設提供強有力的保障。

[1] 顧世祥，李靖，傅驊.流域水資源調度決策支持系統[J].黑龍江水專學報，2002，29(03):21-23.

[2] 劉道國.都江堰灌區水資源調度系統建設淺析[J].中國水利，2006(21):58-60.

[3] 冉毅.“都江堰渠首樞紐閘群智能聯合調度系統”初探[J].四川水力發電，2010(03):118-119.

[4] 鄧坤，張璇，楊永生.流域水資源調度研究綜述[J].水資源研究，2011(04):1-3.