平原河网水利工程精细化管理研究

葛铭坤 苏州市水利建设监理有限公司

1.引言

闸泵堰等水利工程在防洪排涝、引调水、改善水环境、通航等方面都有巨大的功能效益。我国水利工程数量众多，尤其是东部平原河网地区水系发达闸泵密布且往往跨越不同的行政区，因此管理协调困难，同时存在年久失修结构老化、管理人员不够专业化、调度机制不健全、自动化程度不高等诸多问题，但对于水利工程的管理依旧停留在较为粗犷的管理模式，在应对洪涝风险、市政泵站放江、城市偷排污等突发状况时应对不及时、决策靠经验、调控不精细，因此本文依据国内外水利工程水利信息化管理、智慧管理等方面提出精细化的水利工程管理模式，以期为提高我国水利工程管理水平提供借鉴。

2.水利工程信息化管理

由于闸泵堰等水利工程数量众多、地域分散、运行管理时效性要求高等特征，采用物联网等先进信息技术，通过物联感知系统实时采集水雨工情视频监控等数据，结合远程控制系统，增强防洪除涝及水环境提升的反应时效性。

2.1 物联感知系统

物联感知系统由水雨工情数据采集系统、视频监控系统、水质监测设备等组成。

水雨工情数据采集系统由前端传感器（水位计、雨量计、闸门开度仪、电流变送器）、数据采集终端、数据传输、数据接收与存储等四部分组成，将采集的水位、雨量、闸门开度、水泵运行情况等信息自动传输到一体化管理平台进行存储和展示。

视频监控系统由前端采集设备、视频传输、管理中心、监控中心四部分组成，主要监控机组运行情况与闸泵站周围情况。

水质监测设备的监测参数主要有pH、温度、溶氧、浊度、总磷、氨氮、高锰酸盐，叶绿素等，以在线自动分析仪器为核心，满足无人值守条件下的长期、稳定水质监测数据采集需求。

2.2 远程操作、自动化控制

闸门、泵除了需对数据进行采集以外，还需要实现远程控制功能，包括运行监视、事故报警、控制与调节等，通过控制中心向闸泵站的控制柜传输指令，实现对闸、泵进行开、关、停止等远程操作，并可以查询闸泵站的历史操作记录。

控制柜为闸泵站监控的主要设备，通过以太网的通讯方式向控制中心发送采集的各种数据和事件信息，并接受控制中心下发的命令，实现对闸站设备的监控，同时控制柜又能脱离控制中心独立工作。控制柜远程控制与现场手动控制并行，不存在优先等级，可实现交叉控制。如：远程开，手动停；手动开，远程停等，使操作人员无须一定要到控制盘前去就地操作，真正实现远程控制。在正常生产过程中，闸门的启闭都是通过控制中心的计算机进行操作。

3.智慧管理系统

智慧管理系统以物联感知系统监控数据为驱动，以远程控制为手段，以模型数值模拟为核心，以预报预警为保障，统筹兼顾，实现对众多水利工程的智慧决策远程调度代替人工调度，在不同调度模式下实现无缝切换，发挥水资源管理最大效益。

3.1 闸泵堰综合调度模式

闸泵堰的调度模式依据不同调度情景，分为水安全调度、水资源调度、水环境调度。

城市洪水内涝危害巨大，因此水安全调度是不同调度模式中最重要的，而闸泵在其中便扮演着抽排涝水、控制水位、控制分流比等重要作用。

区域水资源分配不均衡，而引水过程经常大部分水量从骨干河道流走，难以兼顾小河，因而利用闸泵对水资源进行再分配对于城市供水安全至关重要。

通过闸泵调水引流引入优质水源，可以增加河道的水环境容量，增大河道流速，提高河水自净能力，是迅速有效改善水环境质量的综合治理措施之一。

一切调度方案都要在水安全相关要求的基础上运行，同时还要兼顾水资源和水环境，以实现综合效益的最大化，针对水安全、水资源、水环境等情景拟定相应的多种调度情景，基于当地水文水质模型，计算不同调度情景模式下的方案集，每个调度情景均设置多种调度方案，依托预设的调度情景，下文的智慧决策系统可以在不同的调度模式中实现自动切换，具体的调度情景可以有：

（1）日常水环境调度情景；

（2）日常水资源调度情景；

（3）大、中、小降雨水质恢复的调度情景；

（4）管网破损入河应急调度；

（5）突发污染事件的调度情景（如小餐馆排污等）；

（6）日常水环境调度切换到防洪调度情景；

（7）汛期调度情景。

3.2 数值模拟系统

利用MIKE、SWMM、InfoWorks ICM等多种城市雨洪数学模型，可以完整的模拟暴雨产流、汇流全过程，并建立闸门的水位-开度-流量过程线，计算单个闸门在不同开度、不同水位组合下的过流量，计算多个闸门在其不同开度、不同水位组合下的分流比，进而模拟不同调度情景下的水位、流量、水质变化情况，并利用实测的水位、流量、水质等数据进行率定，提高模型模拟精度，从而为调度决策提供科学依据。

3.3 预报预警系统

基于ICM-LIVE的预报预警模型结合实时雨情、水情、工情、水质数据库实现不同预报方案边界条件、预警阈值、预警信息以及关注点等要素的配置，实时在线滚动预报未来一段时间内研究区域内任意关注点的水位、流量和污染物浓度变化过程并发布预警信息。

预报预警模能够按照不同特征水位、水质指标设置关注河道断面或关注点的预警阈值，关联实际的计算水位和污染物浓度结果，呈现不同预警级别。系统平台预报预警滚动计算原则上采用一维模型，当实时雨情、水情或预报的水位、流量、污染物超过预警阈值时，以闪烁、声音等多种方式进行报警，如果降雨超过红色预警值，或者水质劣化超过一定程度时，系统将可以切换到相应调度模式，并在调度预案中进行比选和推荐。

3.4 智慧决策系统

智慧水利决策系统以GIS平台为基础，基于上文中的物联感知系统、远程操作、预报预警、数值模拟等功能构建智能化的一键调度决策系统。

系统融合基础地理地形数据，标注摄像头、水闸、泵站地理位置，实现管理目标快速定位，能够快速浏览、查询历史资料与实时信息和预测信息，供调度指挥人员及时掌握各站点的运行情况，并通过综合分析各种实时数据，包括水位信息、天气预报的降水、风力等情况，生成相关调度指令以控制水闸、水泵的开关，实现闸泵站在水安全调度、水资源调度和水环境调度中的智能切换。

利用河网水位、水质等监测资料，对水环境调度与基本生态环境需求、防洪除涝的关系进行探讨。若水位u超过拟定的预警值umax，则水环境调度与防洪排涝发生关联，若水位u低于拟定的最低水位标准umin，则有水环境调度与基本生态环境需求发生关联。利用主客观权重法对当地各条河流对于调控模型的重要度进行赋权，将权重与相应的评价结果相乘并累加，可得到当地内河网的水位调度综合评价，比较各调控模型的综合评分，选取符合得分较优的调控方案，实现方案切换。

4.结论

我国水利工程管理中存在着很多问题，制约了我国水利工程的健康发展，水利工程精细化管理着力于信息化、智慧管理等方面，由以往的经验管理方式向决策更加科学、反应更加快捷、调控更加精细的管理方式转变，在保障安全的基础上不断提高水利工程的综合效益，从而推动我国水利事业的不断发展。