長(zhǎng)距離引調(diào)水工程輸水調(diào)度狀態(tài)分析及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃瓅瑤 王漢東 吳永妍 黃會(huì)勇

摘要：

引調(diào)水工程往往線路長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)多，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量大，控制要求復(fù)雜，人工分析判讀難度大。針對(duì)上述問(wèn)題，構(gòu)建長(zhǎng)距離引調(diào)水工程輸水調(diào)度狀態(tài)分析及預(yù)警系統(tǒng)，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、調(diào)度規(guī)程、水利專業(yè)模型，提出輸水調(diào)度運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)判讀方法。介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框架、技術(shù)路線及系統(tǒng)功能，并以南水北調(diào)中線工程為例進(jìn)行了應(yīng)用研究。結(jié)果表明：該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了中線工程輸水運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)判讀，能進(jìn)行不同工況下的輸水調(diào)度運(yùn)行過(guò)程模擬，可為調(diào)度人員進(jìn)行狀態(tài)分析判讀提供重要支撐。

關(guān)鍵詞：

引調(diào)水工程； 水量調(diào)度； 預(yù)警系統(tǒng)； 南水北調(diào)中線工程

中圖法分類號(hào)：TV213

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.020

文章編號(hào)：1006-0081（2023）03-0111-06

0 引 言

水量調(diào)度控制是長(zhǎng)距離引調(diào)水工程安全、高效運(yùn)行的重要保障，對(duì)工程建設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有決定性影響［1-3］。準(zhǔn)確掌握輸水調(diào)度的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息和運(yùn)行趨勢(shì)，是確保水量調(diào)度安全高效運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提［4-6］。為確保工程安全運(yùn)行，引調(diào)水工程調(diào)度規(guī)程對(duì)引調(diào)水工程控制建筑物及工程重點(diǎn)部位的水位、流量等提出了明確的運(yùn)行要求。調(diào)度人員需要根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)判斷當(dāng)前輸水調(diào)度狀態(tài)是否滿足安全運(yùn)行要求。對(duì)于大型引調(diào)水工程來(lái)說(shuō)，由于輸水路線長(zhǎng)，控制節(jié)點(diǎn)多，數(shù)據(jù)采集頻率高，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量非常大。以南水北調(diào)中線工程為例，全線有64座節(jié)制閘、97座分水口、54座退水閘，按5 min的數(shù)據(jù)采集頻率，24 h會(huì)產(chǎn)生61 920條流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，80 352條水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及機(jī)電設(shè)備運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等［7-8］。另外，引調(diào)水工程控制節(jié)點(diǎn)之間往往具有關(guān)聯(lián)性，某一節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)可能會(huì)影響到上下游多個(gè)節(jié)點(diǎn)，調(diào)度人員無(wú)法直觀分析和判斷運(yùn)行狀態(tài)的變化趨勢(shì)，其不僅需要獲取當(dāng)前的輸水調(diào)度狀態(tài)，還需要準(zhǔn)確地判斷其變化趨勢(shì)，以幫助其采取科學(xué)的調(diào)度控制措施［6］。

針對(duì)上述輸水調(diào)度狀態(tài)人工判讀工作量大、效率低、變化趨勢(shì)難以預(yù)測(cè)等問(wèn)題，本文結(jié)合數(shù)據(jù)分析技術(shù)和水利專業(yè)模型，提出引調(diào)水工程輸水調(diào)度狀態(tài)分析方法，并構(gòu)建長(zhǎng)距離引調(diào)水工程輸水調(diào)度狀態(tài)分析及預(yù)警系統(tǒng)。整合引調(diào)水工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、調(diào)度規(guī)程、輸水運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及機(jī)電設(shè)備運(yùn)行工況數(shù)據(jù)，構(gòu)建輸水調(diào)度狀態(tài)分析綜合數(shù)據(jù)庫(kù)［9］；通過(guò)數(shù)據(jù)分析自動(dòng)判讀輸水狀態(tài)，構(gòu)建水力學(xué)模型進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行過(guò)程模擬計(jì)算，實(shí)現(xiàn)輸水調(diào)度過(guò)程模擬，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)調(diào)度運(yùn)行狀態(tài)變化趨勢(shì)，并對(duì)當(dāng)前狀態(tài)判讀結(jié)果進(jìn)行修正；構(gòu)建輸水調(diào)度狀態(tài)分級(jí)評(píng)價(jià)模型，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)輸水調(diào)度狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)，生成輸水調(diào)度運(yùn)行狀態(tài)預(yù)警信息；構(gòu)建基于GIS的輸水調(diào)度可視化場(chǎng)景，直觀展示輸水調(diào)度狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)交互式信息查詢。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輸水調(diào)度狀態(tài)判讀與預(yù)警、輸水調(diào)度過(guò)程模擬、信息查詢與展示等功能。本文闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框架、技術(shù)路線及系統(tǒng)功能，并以南水北調(diào)中線一期工程水量調(diào)度為例進(jìn)行了應(yīng)用研究。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 輸水調(diào)度狀態(tài)判斷流程

引調(diào)水工程控制建筑物及工程重點(diǎn)部位的水位流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映了工程調(diào)度運(yùn)行的真實(shí)狀態(tài)，調(diào)度人員通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷當(dāng)前調(diào)度運(yùn)行狀態(tài)及調(diào)度控制是否符合調(diào)度規(guī)程要求。為了避免頻繁、過(guò)度甚至錯(cuò)誤操作閘門，調(diào)度人員還需要對(duì)調(diào)度狀態(tài)的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)判，這主要依靠調(diào)度人員豐富的調(diào)度經(jīng)驗(yàn)。將信息技術(shù)與調(diào)度業(yè)務(wù)深度融合，通過(guò)水利專業(yè)模型和數(shù)據(jù)分析，可以模擬調(diào)度過(guò)程，輔助調(diào)度人員進(jìn)行狀態(tài)判斷和變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)。輸水調(diào)度狀態(tài)判讀及預(yù)警信息生成的技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

1.2 總體框架

長(zhǎng)距離引調(diào)水工程輸水調(diào)度狀態(tài)分析及預(yù)警系統(tǒng)基于GIS平臺(tái)構(gòu)建輸水調(diào)度運(yùn)行狀態(tài)可視化展示環(huán)境，整合引調(diào)水工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、輸水調(diào)度狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、機(jī)電設(shè)備運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、調(diào)度規(guī)程、水利空間數(shù)據(jù)；結(jié)合水動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了輸水調(diào)度狀態(tài)的判讀與告警、輸水調(diào)度狀態(tài)變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)、輸水調(diào)度狀態(tài)預(yù)警、輸水調(diào)度狀態(tài)信息可視化展示等功能。系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)的思想，自底向上依次為數(shù)據(jù)層、模型層、應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚，提供數(shù)據(jù)支撐服務(wù)；模型層整合專業(yè)模型、調(diào)度規(guī)則，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸水調(diào)度狀態(tài)的判讀與預(yù)警；應(yīng)用層提供調(diào)度人員交互，實(shí)現(xiàn)調(diào)度運(yùn)行狀態(tài)分析判讀、變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)、信息展示與查詢等功能。系統(tǒng)總體框架見(jiàn)圖2。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 輸水調(diào)度狀態(tài)分析綜合數(shù)據(jù)庫(kù)

輸水調(diào)度狀態(tài)判讀需要根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、調(diào)度規(guī)程相關(guān)要求等來(lái)進(jìn)行綜合分析。輸水調(diào)度狀態(tài)分析綜合數(shù)據(jù)庫(kù)可分為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、調(diào)度規(guī)程數(shù)據(jù)庫(kù)，其數(shù)據(jù)主要包括：引調(diào)水工程控制建筑物及工程重點(diǎn)部位的水位流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、閘門啟閉機(jī)電設(shè)備工況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、引調(diào)水工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、引調(diào)水工程調(diào)度規(guī)程、水利空間數(shù)據(jù)等。工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、調(diào)度規(guī)程、水利空間數(shù)據(jù)屬于靜態(tài)數(shù)據(jù)，變動(dòng)更新頻率低，整理入庫(kù)即可；水位流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、機(jī)電設(shè)備閘門工況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)屬于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，需要?jiǎng)討B(tài)采集實(shí)時(shí)更新。輸水調(diào)度狀態(tài)分析綜合數(shù)據(jù)庫(kù)見(jiàn)圖3。

2.2 水力學(xué)模擬模型

恒定流水面線通過(guò)下式（能量方程）計(jì)算：

Z1+Y1+α1μ212g=Z2+Y2+α2μ222g+hw（1）

式中：Z1為上游計(jì)算斷面渠底高程；Z2為下游計(jì)算斷面水位；Y1為上游計(jì)算斷面水深；Y2為下游計(jì)算斷面水深；μ1為上游計(jì)算斷面平均流速；μ2為下游計(jì)算斷面平均流速；α1，α2為動(dòng)能修正系數(shù)，一般情況下可令α1=α2=1；hw為水頭損失；g為重力加速度。明渠非恒定流過(guò)程可用Saint-Venant方程組來(lái)描述，方程組如下：

Qx+Ft+q=0－Zx=μ|μ|c2R+μgμx+1gμt－qgF（2μ－μqx）（2）

式中：Q為流量；F為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；μ為流速；Z為水位；c為均勻流公式中的謝才系數(shù)；R為濕周；q為單位長(zhǎng)渠段上分出的流量；μqx為q在渠道水流方向上的流速分量；t為時(shí)間；x為斷面的距離坐標(biāo)。

針對(duì)弧形閘門，節(jié)制閘過(guò)閘流量可采用下式計(jì)算：

Q=σmεbe 2gh（3）

式中：Q為過(guò)閘流量；σ為淹沒(méi)系數(shù)；m為流量系數(shù)；e為閘孔開(kāi)度；b為閘孔寬度；ε為側(cè)收縮系數(shù)；h為閘門上下游水位差。

將非恒定流方程和節(jié)制閘過(guò)閘流量方程進(jìn)行聯(lián)合求解，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸水調(diào)度狀態(tài)動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬。

2.3 輸水調(diào)度狀態(tài)判讀與預(yù)警

首先，根據(jù)水位、流量、開(kāi)度、閘門啟閉機(jī)電設(shè)備運(yùn)行工況等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以工程調(diào)度規(guī)程作為約束條件，實(shí)現(xiàn)輸水調(diào)度狀態(tài)判讀，并生成輸水調(diào)度狀態(tài)告警信息；其次，以當(dāng)前時(shí)刻的輸水調(diào)度狀態(tài)作為初始條件，通過(guò)水力學(xué)模型進(jìn)行輸水調(diào)度動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬計(jì)算，生成未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)輸水調(diào)度狀態(tài)變化趨勢(shì)；最后，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合當(dāng)前時(shí)刻的輸水調(diào)度狀態(tài)，對(duì)輸水調(diào)度狀態(tài)判讀結(jié)果進(jìn)行修正，并生成輸水調(diào)度狀態(tài)預(yù)警信息。

輸水調(diào)度狀態(tài)信息主要包括渠段輸水流量狀態(tài)信息、渠段輸水流量變幅信息、渠段水位狀態(tài)信息、渠段水位降速狀態(tài)信息、分水口流量狀態(tài)信息等，調(diào)度規(guī)則給出了在不同工況下確保工程安全運(yùn)行的水位、流量等一系列約束條件。根據(jù)輸水調(diào)度狀態(tài)信息和工程調(diào)度規(guī)則，構(gòu)建輸水調(diào)度狀態(tài)評(píng)價(jià)模型，將狀態(tài)信息的定量數(shù)值轉(zhuǎn)化為定性的狀態(tài)等級(jí)劃分，分為安全、預(yù)警、警戒3種狀態(tài)等級(jí)，并分別用綠色、橙色、紅色表示，使輸水調(diào)度狀態(tài)信息展示更加直觀。

2.3.1 渠段輸水流量狀態(tài)信息

設(shè)渠段的實(shí)測(cè)流量為Flowc，渠段加大流量為MaxFlow，流量增加量為Δflow，不同流量狀態(tài)的判斷條件見(jiàn)表1。

2.3.2 渠段水量變幅信息

渠段上游節(jié)制閘的過(guò)閘流量是該渠段的入渠流量，下游節(jié)制閘的過(guò)閘流量是該渠段的出渠流量，當(dāng)入渠流量小于出渠流量時(shí)，其實(shí)是利用渠段調(diào)蓄能力進(jìn)行供水。入渠水量與出渠水量之差應(yīng)滿足渠段內(nèi)水位降速要求。設(shè)入渠水量為Qin，出渠水量為Qout，實(shí)際供水量為Qs，則渠段水量變化量Qd=Qin-（Qout + Qs）。當(dāng)Qd＞0時(shí)，表明渠段水位上升；當(dāng)Qd＜0時(shí)，表明渠段水位下降。取QD=|Qd|，則QD＞0。設(shè)某一水位條件下，達(dá)到允許的最大水位降速時(shí)對(duì)應(yīng)的渠段水量差為Qmax，給定水量變化量ΔQ，渠段水量變化等級(jí)劃分見(jiàn)表2。

2.3.3 渠段水位狀態(tài)信息

節(jié)制閘特征水位包括目標(biāo)水位、設(shè)計(jì)水位、加大水位、目標(biāo)水位上限、目標(biāo)水位下限等，各特征水位示意見(jiàn)圖4。正常輸水調(diào)度狀態(tài)下渠段的水位應(yīng)在目標(biāo)水位附近，根據(jù)調(diào)度規(guī)程，渠段水位不能高于加大水位，也不能低于目標(biāo)水位下限。

設(shè)渠段實(shí)時(shí)水位為WLc，加大水位為WLmax，目標(biāo)水位上限為WLtup，目標(biāo)水位下限為WLtdown，給定水位變化量Δwl，Δwl＞0，渠段水位狀態(tài)等級(jí)劃分見(jiàn)表3。

2.3.4 渠段水位降速狀態(tài)信息

渠段水位降速應(yīng)低于調(diào)度規(guī)程允許的降速閾值，包括日最大降速和小時(shí)最大降速，設(shè)實(shí)測(cè)日渠段水位降速為SWLd，實(shí)測(cè)小時(shí)渠段水位降速為SWLh，調(diào)度規(guī)程所允許的最大日水位降幅為TWLd，最大小時(shí)水位降幅為TWLh，給定日水位降幅增量為Δwld，小時(shí)水位降幅增量為Δwlh，Δwld＞0，Δwlh＞0，則渠段水位降速狀態(tài)信息可按表4劃分等級(jí)。

2.3.5 分水口流量狀態(tài)信息

各分水口的分水流量不應(yīng)大于其設(shè)計(jì)流量，設(shè)分水口的設(shè)計(jì)流量QF，實(shí)測(cè)分水流量為Qf，給定分水口流量增量Δq，Δq≥0，分水口分水流量狀態(tài)等級(jí)劃分見(jiàn)表5。

輸水調(diào)度狀態(tài)是動(dòng)態(tài)變化的，調(diào)度人員在采取調(diào)度控制措施時(shí)，首先要考慮當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)還需要結(jié)合運(yùn)行狀態(tài)的變化趨勢(shì)，只有這樣才能采取最合適調(diào)度控制措施。例如，如果當(dāng)前狀態(tài)為預(yù)警狀態(tài)，但是經(jīng)過(guò)Δt后的狀態(tài)為安全狀態(tài)，調(diào)度人員就不必急于采取調(diào)控措施進(jìn)行干預(yù)，因?yàn)楦鶕?jù)運(yùn)行趨勢(shì)，會(huì)自動(dòng)調(diào)整為安全狀態(tài)；相反，如果當(dāng)前狀態(tài)為安全狀態(tài)，但是經(jīng)過(guò)Δt后的狀態(tài)為預(yù)警狀態(tài)或警戒狀態(tài)，則應(yīng)該提前進(jìn)行干預(yù)，不應(yīng)等經(jīng)過(guò)Δt時(shí)間后再采取措施。

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判讀得到各類狀態(tài)信息后，設(shè)定一個(gè)時(shí)段Δt，通過(guò)水力學(xué)模型模擬計(jì)算Δt時(shí)段內(nèi)的輸水調(diào)度狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，對(duì)經(jīng)過(guò)Δt后的輸水調(diào)度狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)判讀，按表6對(duì)狀態(tài)信息進(jìn)行修正。

3 應(yīng)用實(shí)例

南水北調(diào)中線工程線路長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)多，調(diào)度控制要求復(fù)雜。基于GIS平臺(tái)構(gòu)建輸水調(diào)度運(yùn)行狀態(tài)信息可視化場(chǎng)景［10-12］，構(gòu)建南水北調(diào)中線工程輸水調(diào)度狀態(tài)分析綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，其中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)接口從閘站監(jiān)控系統(tǒng)中接入，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取流程及調(diào)度運(yùn)行規(guī)則庫(kù)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5～6。

構(gòu)建南水北調(diào)中線工程水力學(xué)模型，以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為模型初始條件、以工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、運(yùn)行規(guī)則庫(kù)作為模型約束邊界條件，進(jìn)行模擬計(jì)算，從而得到輸水狀態(tài)的變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖7。

根據(jù)輸水狀態(tài)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)度人員可以對(duì)中線工程沿線輸水狀態(tài)進(jìn)行初步直觀判斷，進(jìn)一步結(jié)合水力學(xué)模型模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)輸水狀態(tài)進(jìn)行修正，避免過(guò)于頻繁調(diào)整閘門開(kāi)度，修正的結(jié)果可以直接體現(xiàn)在調(diào)度指令中，調(diào)度指令及狀態(tài)顯示見(jiàn)圖8。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)建立輸水調(diào)度狀態(tài)分析綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建水利專業(yè)模型，實(shí)現(xiàn)了輸水調(diào)度運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)判讀、輸水調(diào)度運(yùn)行過(guò)程模擬計(jì)算、輸水調(diào)度運(yùn)行狀態(tài)變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)及預(yù)警信息生成，并以可視化方式直觀展示輸水調(diào)度狀態(tài)信息。本文構(gòu)建的輸水調(diào)度運(yùn)行狀態(tài)分析及預(yù)警系統(tǒng)大大減輕了調(diào)度人員人工判讀輸水調(diào)度狀態(tài)的工作量，提高了工作效率，為調(diào)度人員制定科學(xué)、精準(zhǔn)的調(diào)度控制方案提供了技術(shù)支撐。

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（編輯：江 文）

State analysis and early warning system design for water conveyance dispatch of long-distance water diversion project

HUANG Liyao1，2，WANG Handong1，2，WU Yongyan1，HUANG Huiyong1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research? Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 2.Key Laboratory of Internet plus Smart Water，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）Abstract：

Water diversion projects often have long lines，many nodes，large amount of monitoring data，complex control requirements，and difficult manual analysis and interpretation.In view of the above problems，this paper proposed to build a water conveyance and dispatching state analysis and early warning system for long-distance water diversion and transfer projects.Combined with the monitoring data，dispatching regulations and water conservancy professional models，it proposed to automatically interpret the operation state of water conveyance and dispatching.The overall framework，technical route and system functions of the system design were described，and an application study was carried out with the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project as an example.The results showed that the system realized the automatic interpretation of the water conveyance operation state of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project.Also，the system could simulate the water conveyance dispatching operation process under different working conditions，and provide important support for the dispatcher to carry out state analysis and interpretation.

Key words：

water diversion project；water resource regulation；warning system；Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

收稿日期：

2022-08-10

基金項(xiàng)目：

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFC3200305）

作者簡(jiǎn)介：

黃瓅瑤，女，工程師，碩士，主要從事水利信息化應(yīng)用研究工作。E-mail：huangliyao@cjwsjy.com.cn