基于数字化闸坝监控系统的联合调度关键技术研究与应用

倪娜娜

(辽宁江河水利水电新技术设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110003)

随着当今我国城市现代化步伐的加快和城市规模的不断扩大，越来越多的河流演变为城市河道，甚至一些农村河道和农灌沟渠也将纳入到城市范围。由于城市河道既是整个江河流域的一部分，又是重要市政基础设施，再加上城市河道服务对象、流经位置及承担任务等特殊性，决定了其在城市经济发展、防洪排涝和生态保护中的重要地位。为了满足城市发展和生态景观等需求，在城市河道上往往修建众多的闸、坝和桥梁等水工建筑物，进行拦河蓄水、抬高水位，从而改变了河道形式，对河道防洪减灾措施提出了新要求。闸、坝作为城市河道重要水利工程，在城市河道防洪调度中发挥着重要作用。建国以来，全国曾多次发生闸、坝溃垮或城市河道漫堤事故，给社会带来了巨大生命及财产损失，严重妨碍社会发展，整体安全状况十分严峻。

近年来现代自动化、信息化技术日新月异，水利闸坝自动化监测技术也获得了充分的发展，但由于闸坝结构和城市河道联合调度的特殊性，其相关领域技术研究进展缓慢。本文以浑河工程实践为基础，针对我国城市河道水工建筑物多、管理机制不健全、监测手段落后，闸群和坝群等河道水利枢纽综合调度、控制难度大等问题，充分运用现代监测与信息化技术，在数字化闸坝监测、河道梯级枢纽工程综合调度和防洪风险分析等相关技术领域开展研究与应用，有力推动了数字化闸坝安全监测和河道梯级枢纽综合调度技术发展，极大增强了城市河道抗御洪水能力和综合调度水平，有效保障了城市河道周边生命财产安全。

1 数字化闸坝安全监测分析评价系统技术研究

针对闸坝监测手段落后、管理机制不健全、闸坝安全运行分析评价不及时等问题。本文通过研发集数据采集、通讯、整编、分析、评价等一站式、共享型的数字化闸坝安全监测技术，首次实现了闸坝水位、流量、结构应力、位移变形、渗流、土压力、温度和裂缝等多指标的一站式采集与多信息共享型管理，将复杂多变的闸坝监控信息转变为可识别的数字或数据，进一步结合传统水利建立了数字化模型，同步构建了数字化闸坝群在线式安全监测分析评价系统，实现了城市河道闸坝的预报预警和在线综合分析评价。如图1—2所示。

图1 闸坝安全监测分析评价系统功能

2 闸坝自动控制系统构建与现地防护技术研究

本文通过分析城市河道坝群和闸群的控制应用原理，结合河道建筑物对河道行洪能力、生态保护等方面的实际影响，开展不同水利工程的自动控制系统构建技术、群测群控的集成技术和全线通讯平台搭建等技术研究。借助传感、信息和可视化等先进信息化技术，研发出集雨水情、监测、控制与视频等各类信息一体化的监测系统构建技术；同时，针对自动化本身系统特点，进行了设备现场防护和施工工艺技术研究，为系统长期稳定运行提供了保障。如图3—4所示。

图2 闸坝安全监测分析评价系统界面

图3 远程视频监视系统

图4 雨水情监测系统

3 城市河道枢纽工程联合控制与综合调度技术研究

综合数字化闸坝监测信息及河道上的水库、橡胶坝、调节闸、船闸、控制闸等控制工程闸坝群，开展梯级枢纽工程联合控制和综合调度技术研究。本文以调度允许时间为约束条件，以抗御能力为参数，创建城市河流闸坝群联合调度模型和闸坝控制方案。构建了城市河道枢纽工程联合控制与综合调度系统平台；解决了城市河道水利工程联合控制运用和综合调度难题。浑河沈阳城市段水利工程布置如图5所示。

图5 浑河沈阳城市段水利工程布置概化图

3.1 数字化河道物理模型构建

本研究模拟浑河上(沈阳城市段)在建、拟建的堤防、水闸等水工建筑物，划分河道观测(河道水位、流速等参数)断面，借助流场实时测量系统(VDMS)、水位流速测量系统等平台作为观测工具；进行物理模型、数字模型的相似度建模和洪水模拟相似度评估，为水工建筑物工程设计参数、河道治理方案以及防洪减灾决策提供支撑。室内物理模型如图6所示。浑河沈阳城市段100a一遇的洪水淹没如图7所示。

图6 室内物理模型示意图

图7 浑河沈阳城市段100a一遇的洪水淹没

3.2 河道洪水预报预警模型技术研究

以浑河大伙房至沈阳城市段间的水文监测、防洪减灾、语音报汛、气象监测、工情监测等系统基础信息为依据，在浑河物理模型建设技术研究的基础上构建浑河(沈阳城市段)洪水预报预警模型。系统模型借助预报实时变量信息(包括雨水情、工情等信息)作为启动预报预警模型和方法的约束条件；同时，对预报预警模型的计算成果或其参数不断进行实时校正，并在系统平台中展示实时、预报的水位(流量)、洪量和洪水过程要素。本研究的支撑模型采用具有代表性的蓄满产流模型，Pa值的计算方法采用前15d(可自定义)的土壤蓄水情况和降水量逐日计算，以更准确地描述土壤的前期影响值。降水过程，径流产生过程均可保存、查询，洪水预报模型计算结果可通过借助图形交互处理的方式进行人工干预，进一步得到可以发布的连续预报成果，为浑河工程枢纽联合调度运用系统提供了数字模型基础。如图8所示。

3.3 综合调度决策支持系统构建技术研究

课题基于WEB技术，搭建了防洪减灾调度系统平台，开发了针对管理支持信息、浑河物理模型试验成果和浑河工程联合调度方案研究成果的信息支持系统。主要功能:沈阳市地理信息查询、浑河沈阳段流域水雨情查询、卫星云图在线查询、流域

图8 浑河洪水预报预警系统功能

特征断面信息管理、流域区段特征信息管理、流域枢纽调度模型支持、流域模型试验研究成果管理、流域防汛机构组织管理、流域防汛人员组织管理、救灾物资管理、救灾物资调度、抢险责任管理、避险信息管理、办公自动化支持、防洪BBS系统支持和系统数据维护后台管理系统。系统界面设计如图9所示。

图9 系统界面设计成果

4 结语

纵观国内外该领域研究现状与发展趋势，本文根据城市河道枢纽水工建筑物多，在线式安全监测分析评价、联合调度和控制难度大等特点，开展了数字化闸坝安全监测分析、城市河道物理模型与数字模型构建、枢纽工程综合调度与控制、一站式综合调度系统构建等关键技术的研究。首次以调度允许时间为约束条件和以抗御能力为参数，创建了城市河流闸坝群联合调度模型和闸坝控制方案；建立了城市河道枢纽工程联合控制与综合调度系统平台，填补了闸坝群综合调度技术空白。