洱海流域水资源调度系统设计与实现

莫晓聪 ，丁小玲 ，3，李 强 ，李远超 ，毕 胜 ，黄 灿

（1. 长江水利委员会长江科学院，湖北 武汉 430015；2. 武汉长江科创科技发展有限公司，湖北 武汉 430015；3. 华中科技大学水电与数字化工程学院，湖北 武汉 430074）

0 引言

洱海是云南省第二大高原淡水湖，具有防洪，调节气候，提供工农业生产用水等多种功能，对大理地区的社会经济、生态文明协调建设与发展起着举足轻重的作用。随着大理城市化、工业化，以及旅游业的快速发展，洱海流域的开发利用随之加快，水资源供需矛盾日益突出。因此，以最严格水资源管理制度为指导原则[1-2]，科学合理地调度洱海水资源，改善洱海流域水资源-社会经济-生态环境系统的内部结构和外部条件[3]，对解决流域用水矛盾，保护河流和湖泊生态环境健康具有重要意义。

洱海入湖水资源量主要包括上游河道、苍山十八溪和其他小型支流来水，以及工程引水、污水排放、自然降雨等，取水用水涉及生活、农业灌溉、工业等多个方面，洱海承担湖滨及西洱河防洪、引洱入宾灌溉供水、西洱河发电用水，以及缓解下游河道水质污染等调度任务。现状调度管理模式自 1990 年至今已运行多年，为洱海的供水、防洪调度提供了决策支持，但基础数据采集自动化程度仍有待提高，水质和取用水量等环节监管数据有待完善，此外，已有的预测预报方法和人工经验相结合的预报调度计划存在不确定性较高、精度不足等问题，难以完全满足水资源的科学调度与监管要求。因此，搭建一套新的水资源综合调度管理系统（以下简称水资源调度系统）框架，对洱海的入湖、出湖水质水量等各环节进行自动化监测监控，为洱海水资源安全保障和合理利用提供决策数据。

1 水资源调度系统需求

结合最严格水资源管理制度要求，对洱海水资源调度管理需求进行梳理，调度业务总体流程分为实时监测、调度计划编制、水资源统计分析等 3 个部分，三者之间是相互关联的闭环反馈关系。具体流程分析如下：

1）实时监测。为保障调度方案的有效实施，需开展水雨情、水量、水质、工情等的自动化监测，完善基础监测体系，提高监控信息采集、传输的时效性。水资源调度系统需实现对各类监测信息的采集、传输、接收、存储和展示，当测站监测指标超过警戒阈值时，显示实时预警信息。

2）调度计划编制。调度计划编制是在当前情势和历史数据分析的基础上，采用预报和调度模型制定未来调度计划方案。根据洱海流域水资源调度运行管理办法，需在每年 1 和 4 月分别制定本年度和汛期流域水资源调度运行方案。主要包括以下 2 种计划方案编制：a. 水资源调度计划。在批准的水量分配方案和年度来水预报、用水需求预测的基础上，结合工程运行情况，按照优先保障城乡生活和洱海生态用水，合理分配工业用水，科学安排农业和发电用水的原则，制定年度水量分配方案和调度计划，科学确定用水时段和用水量，实施年度总量控制和水量统一调度。b. 洪水调度方案。在现有调度规则基础上，结合预报洪水，合理安排西洱河和引洱入宾工程泄洪，保障洱海湖滨岸带及西洱河防洪安全的同时，也保障下游的防洪安全。

3）水资源统计分析。水资源统计分析是对历史监测数据和调度计划方案的总结，同时，根据实时监测、监视、跟踪调度计划执行情况，通过水资源统计分析总结历史调度经验，进一步指导未来的科学调度。水资源统计分析对实测降水量、流量、取用水量、水质等进行不同时空尺度的统计，分析入湖径流、取用水量、工程运行、水质等时间序列的特征和变化规律，为流域水资源日常管理提供数据查询、统计和报表导出的功能；根据调度计划和实际监测信息对调度计划执行情况进行分析评价，为调度部门提供调度实施情况的综合信息，指导水资源调度计划的编制和实时的调度决策。

根据水资源调度业务总体流程和思路，针对洱海现有调度模式自动化监测体系不够完善，计划不确定性较高等局限性，水资源调度系统重点在于进一步完善洱海数据采集自动化监测体系，难点在于研发一套多模型预报调度体系支撑调度计划编制，并通过水资源统计分析方法对调度实施情况进行评估，结合人工经验进一步对调度计划进行反馈修正。

2 水资源调度系统设计

2.1 总体框架分析

洱海水资源调度系统分为 5 个层次，总体框架如图 1 所示。

图 1 水资源调度系统总体框架图

5 个层次具体分析如下：

1）信息采集层。信息采集层是调度系统的感知部分，通过建立自动化监测站网，实现雨量、流量、水质、水量等信息的实时采集，为水资源调度管理提供数据支撑。

2）网络通信层。网络通信层为水资源调度系统各层之间、层内各部分之间提供数据传输通道及交换网络，采用物联网[4]和 4G 无线通信方式传输。物联网总线通过数据采集器提供数据清理、预处理功能，支持不同设备的接入，兼容多种通信协议及传输规约，实现数据的过滤、格式化和转换，可提高水资源调度系统的数据质量和处理效率。采集的数据经物联网汇聚后通过 4G 通信节点传输至数据中心进入数据库存储。

3）数据资源层。数据资源层实现各类数据的汇聚交换与资源管理，与信息采集和业务平台进行交互通信，实现数据的接收和存储。根据数据类别分为基础、监测、空间、模型和业务等数据库，通过数据访问接口（REST API）为水资源调度系统的业务应用及第三方平台提供可靠的数据存储。

4）应用支撑层。为支撑水资源调度业务应用，研发需水、水资源预测，供水调度，洪水预报、调度等专业模型，以及统计分析模型，建立业务应用模型库，将模型服务进行整合封装、共享发布，为业务系统提供统一的标准化服务接口。

5）业务应用层。业务应用层基于用户需求，以及数据资源层和模型支撑层提供的服务接口，开发实时监测监视、水资源分析、供水和防洪调度、决策会商等功能模块，实现一个入口，一个平台，统一界面，为洱海水资源科学调度与统一管理提供参考依据和决策支持。

2.2 模型研发

通过模型的在线计算，实现调度计划的编制是水资源调度系统建设的难点。一方面，将自动化监测站网采集的基础数据作为模型输入驱动模型计算引擎；另一方面，充分结合流域特点构建模型，并通过参数率定和验证保证科学性。具体分析如下：

1）数据支撑。结合洱海水资源调度模型在线计算需求，在已有历史数据接入基础上，根据流域水文、气象、地理特征，合理划分计算单元，选择代表性监测断面，建立自动化监测站网，实现雨量、流量、水质等信息的实时采集和汇集，并选取规模以上取用水户，进行水量自动化监测，为模型计算提供实时数据支撑。

2）模型计算。在需水预测方面，采用定额法进行年需水量预测，结合各产业结构典型用水过程，进行年需水过程预测；在水资源预测方面，采用传统的水量统计和基于气象因子的智能学习等多种模型相结合的方式进行预测；在洪水预报方面，根据洱源径流区、北三江、西部苍山、洱海东南部等不同下垫面特点，进行分区预报，采用多种模型分别进行率定和验证，选择各个分区验证效果最优的模型；在供水调度方面，以供水保证率最大为目标，结合年度水资源预测，采用优化算法进行水资源调配模型求解，得到优化调度方案；在防洪调度方面，依据现有的调度规则进行在线计算，同时结合入湖洪水预报过程，通过优化调度提供调度方案，为防汛决策提供参考。

此外，实现模型实时稳定在线运行，除加强自动化监测站网维护外，在线数据在输入模型时需根据不同监测指标的规则进行合理性校验和插补等预处理，保证模型对外部输入的适应性。

2.3 功能模块设计

洱海水资源调度系统根据业务需求进行功能模块设计，包括监测监视、水资源分析、供水调度、防洪调度、决策会商、系统管理等 6 个部分，其中监测监视对应实时信息，水资源分析对应历史数据的统计分析，供水和防洪调度应对不同调度期、目标的调度计划编制，决策会商提供会商管理支持。具体功能结构如图 2 所示。

图 2 水资源调度系统功能结构图

1）监测监视模块。以 GIS 地图的方式展示流域水资源调度相关的基本信息，包括水系、行政区、测站、取水口、用水单元等信息，可以通过地图查询测站实时监测信息；以图表的形式对降雨量、出入湖流量、取用水量、供水水质等实时信息进行查询。

2）水资源分析模块。水资源分析模块分为雨情、来水、用水及洱海调度运行等分析模块，按照管理部门的需求分为年、月、日 3 种统计时间尺度，实现对流域水资源数量、质量、利用状况及调度方案的分析评价，通过报表的生成和导出，为调度部门提供流域水资源及调度实施等情况的综合性信息。

3）供水调度模块。供水调度模块包括供水情势分析，以及调度方案管理、计划编制、实施评估等子模块，实现当前情势—未来计划—调度后评估全流程的管理。其中，调度计划编制是在流域年度来水预报、用水需求预测的基础上，以洱海法定的最低、最高及汛限等水位为约束，对西洱河闸和引洱入宾工程进行调度，按照洱海水量分配原则制定年度水量分配方案和调度计划。

4）防洪调度模块。与供水调度类似，防洪调度模块包括情势分析、方案管理、调度方案编制和评估等子模块。洪水调度方案编制基于自动监测的实时数据和降雨预报信息，采用多种预报模型进行分区入湖洪水预报，结合防洪调度规则和上级下发的防洪指令要求，进行洪水调节计算，制定防洪调度方案，为防汛部门提供决策支持。

5）决策会商模块。决策会商模块包括以下管理功能模块：a. 方案比选，根据供水、防洪调度方案的评价指标体系，通过多方案比选模型优选出几组合理的方案供决策者选择，结合监视信息和调度执行进展情况提供会商决策支持；b. 知识库，提供历史案例和相关调度文件的查询；c. 会议纪要，提供会商会议全流程的记录跟踪；d. 发文管理，支持调度指令的上传和下达。

6）系统管理模块。系统管理模块对流域基础、测站、模型等信息进行维护和管理，同时提供用户、角色和权限等后台管理功能。

3 水资源调度系统实现

根据水资源调度系统设计思路，系统实现分为以下 4 个部分：

1）采用物联网技术实现监测数据的自动化采集和传输，建立一套自动化的水资源监测体系。

2）数据资源层选用 Oracle 作为数据库管理系统，以 SL 323—2011《实时水雨情数据库》，SZY 302—2012《国家水资源监控能力建设项目数据库表结构及标识》，SL 325—2014《水质数据库》等数据库标准为依据，设计了 5 类数据库，实现数据的统一存储和管理。

3）采用 Java 语言编程实现了水资源调度的专业支撑模型，并封装成 Web 服务，为业务应用提供统一的标准化接口。

4）业务应用层采用 J2EE 开放式体系架构，运用 Web Service，AJAX，XML，JSON，React，以及持久层框架等核心技术，开发 B/S 模式的应用系统，在保证技术先进性的同时兼顾技术的实用性。

水资源调度系统开发完成后，面向业务管理人员提供实时监视、水资源分析、供水和调度、会商决策等功能模块。以“防洪调度”模块为例展示系统可视化效果，相关界面的截图如图 3 所示，通过界面顶部的菜单栏和左侧的二级菜单可实现不同功能模块的切换。水资源调度系统运行后，将监测系统与模型模拟技术相结合，提供调度决策支持，为实现洱海流域水资源总量控制和智慧监管提供管理平台支撑。

图 3 调度系统可视化效果界面图

4 结语

针对洱海流域水资源调度管理实际需求，分析现有管理模式在数据自动化采集、统一监管和模型科学决策支撑等方面存在的不足，搭建水资源综合调度管理系统框架，可服务于水资源调度管理的全过程，为洱海水资源科学调度与统一管理提供参考依据和决策支持。

洱海水资源调度系统现已上线试运行，业务人员可通过此系统在线查看实时采集数据和调度情势，完成水资源和防洪调度计划编制工作，试运行期间将进一步根据采集的基础数据对模型进行率定和更新。此外，针对洱海水生态环境改善需要[5-6]，水资源调度系统中水资源调度初步考虑了生态需水，但流域内水生态环境调度目前尚处于探索阶段，因此，面向流域水生态环境改善目标的调度管理模式有待进一步研究和开发。