平原河網水利工程精細化管理研究

葛銘坤 蘇州市水利建設監理有限公司

1.引言

閘泵堰等水利工程在防洪排澇、引調水、改善水環境、通航等方面都有巨大的功能效益。我國水利工程數量眾多，尤其是東部平原河網地區水系發達閘泵密布且往往跨越不同的行政區，因此管理協調困難，同時存在年久失修結構老化、管理人員不夠專業化、調度機制不健全、自動化程度不高等諸多問題，但對于水利工程的管理依舊停留在較為粗獷的管理模式，在應對洪澇風險、市政泵站放江、城市偷排污等突發狀況時應對不及時、決策靠經驗、調控不精細，因此本文依據國內外水利工程水利信息化管理、智慧管理等方面提出精細化的水利工程管理模式，以期為提高我國水利工程管理水平提供借鑒。

2.水利工程信息化管理

由于閘泵堰等水利工程數量眾多、地域分散、運行管理時效性要求高等特征，采用物聯網等先進信息技術，通過物聯感知系統實時采集水雨工情視頻監控等數據，結合遠程控制系統，增強防洪除澇及水環境提升的反應時效性。

2.1 物聯感知系統

物聯感知系統由水雨工情數據采集系統、視頻監控系統、水質監測設備等組成。

水雨工情數據采集系統由前端傳感器（水位計、雨量計、閘門開度儀、電流變送器）、數據采集終端、數據傳輸、數據接收與存儲等四部分組成，將采集的水位、雨量、閘門開度、水泵運行情況等信息自動傳輸到一體化管理平臺進行存儲和展示。

視頻監控系統由前端采集設備、視頻傳輸、管理中心、監控中心四部分組成，主要監控機組運行情況與閘泵站周圍情況。

水質監測設備的監測參數主要有pH、溫度、溶氧、濁度、總磷、氨氮、高錳酸鹽，葉綠素等，以在線自動分析儀器為核心，滿足無人值守條件下的長期、穩定水質監測數據采集需求。

2.2 遠程操作、自動化控制

閘門、泵除了需對數據進行采集以外，還需要實現遠程控制功能，包括運行監視、事故報警、控制與調節等，通過控制中心向閘泵站的控制柜傳輸指令，實現對閘、泵進行開、關、停止等遠程操作，并可以查詢閘泵站的歷史操作記錄。

控制柜為閘泵站監控的主要設備，通過以太網的通訊方式向控制中心發送采集的各種數據和事件信息，并接受控制中心下發的命令，實現對閘站設備的監控，同時控制柜又能脫離控制中心獨立工作。控制柜遠程控制與現場手動控制并行，不存在優先等級，可實現交叉控制。如：遠程開，手動停；手動開，遠程停等，使操作人員無須一定要到控制盤前去就地操作，真正實現遠程控制。在正常生產過程中，閘門的啟閉都是通過控制中心的計算機進行操作。

3.智慧管理系統

智慧管理系統以物聯感知系統監控數據為驅動，以遠程控制為手段，以模型數值模擬為核心，以預報預警為保障，統籌兼顧，實現對眾多水利工程的智慧決策遠程調度代替人工調度，在不同調度模式下實現無縫切換，發揮水資源管理最大效益。

3.1 閘泵堰綜合調度模式

閘泵堰的調度模式依據不同調度情景，分為水安全調度、水資源調度、水環境調度。

城市洪水內澇危害巨大，因此水安全調度是不同調度模式中最重要的，而閘泵在其中便扮演著抽排澇水、控制水位、控制分流比等重要作用。

區域水資源分配不均衡，而引水過程經常大部分水量從骨干河道流走，難以兼顧小河，因而利用閘泵對水資源進行再分配對于城市供水安全至關重要。

通過閘泵調水引流引入優質水源，可以增加河道的水環境容量，增大河道流速，提高河水自凈能力，是迅速有效改善水環境質量的綜合治理措施之一。

一切調度方案都要在水安全相關要求的基礎上運行，同時還要兼顧水資源和水環境，以實現綜合效益的最大化，針對水安全、水資源、水環境等情景擬定相應的多種調度情景，基于當地水文水質模型，計算不同調度情景模式下的方案集，每個調度情景均設置多種調度方案，依托預設的調度情景，下文的智慧決策系統可以在不同的調度模式中實現自動切換，具體的調度情景可以有：

（1）日常水環境調度情景；

（2）日常水資源調度情景；

（3）大、中、小降雨水質恢復的調度情景；

（4）管網破損入河應急調度；

（5）突發污染事件的調度情景（如小餐館排污等）；

（6）日常水環境調度切換到防洪調度情景；

（7）汛期調度情景。

3.2 數值模擬系統

利用MIKE、SWMM、InfoWorks ICM等多種城市雨洪數學模型，可以完整的模擬暴雨產流、匯流全過程，并建立閘門的水位-開度-流量過程線，計算單個閘門在不同開度、不同水位組合下的過流量，計算多個閘門在其不同開度、不同水位組合下的分流比，進而模擬不同調度情景下的水位、流量、水質變化情況，并利用實測的水位、流量、水質等數據進行率定，提高模型模擬精度，從而為調度決策提供科學依據。

3.3 預報預警系統

基于ICM-LIVE的預報預警模型結合實時雨情、水情、工情、水質數據庫實現不同預報方案邊界條件、預警閾值、預警信息以及關注點等要素的配置，實時在線滾動預報未來一段時間內研究區域內任意關注點的水位、流量和污染物濃度變化過程并發布預警信息。

預報預警模能夠按照不同特征水位、水質指標設置關注河道斷面或關注點的預警閾值，關聯實際的計算水位和污染物濃度結果，呈現不同預警級別。系統平臺預報預警滾動計算原則上采用一維模型，當實時雨情、水情或預報的水位、流量、污染物超過預警閾值時，以閃爍、聲音等多種方式進行報警，如果降雨超過紅色預警值，或者水質劣化超過一定程度時，系統將可以切換到相應調度模式，并在調度預案中進行比選和推薦。

3.4 智慧決策系統

智慧水利決策系統以GIS平臺為基礎，基于上文中的物聯感知系統、遠程操作、預報預警、數值模擬等功能構建智能化的一鍵調度決策系統。

系統融合基礎地理地形數據，標注攝像頭、水閘、泵站地理位置，實現管理目標快速定位，能夠快速瀏覽、查詢歷史資料與實時信息和預測信息，供調度指揮人員及時掌握各站點的運行情況，并通過綜合分析各種實時數據，包括水位信息、天氣預報的降水、風力等情況，生成相關調度指令以控制水閘、水泵的開關，實現閘泵站在水安全調度、水資源調度和水環境調度中的智能切換。

利用河網水位、水質等監測資料，對水環境調度與基本生態環境需求、防洪除澇的關系進行探討。若水位u超過擬定的預警值umax，則水環境調度與防洪排澇發生關聯，若水位u低于擬定的最低水位標準umin，則有水環境調度與基本生態環境需求發生關聯。利用主客觀權重法對當地各條河流對于調控模型的重要度進行賦權，將權重與相應的評價結果相乘并累加，可得到當地內河網的水位調度綜合評價，比較各調控模型的綜合評分，選取符合得分較優的調控方案，實現方案切換。

4.結論

我國水利工程管理中存在著很多問題，制約了我國水利工程的健康發展，水利工程精細化管理著力于信息化、智慧管理等方面，由以往的經驗管理方式向決策更加科學、反應更加快捷、調控更加精細的管理方式轉變，在保障安全的基礎上不斷提高水利工程的綜合效益，從而推動我國水利事業的不斷發展。