枋洋枢纽水量调度系统设计与实现

赵玉娇，苏煜杭，杨 晔

（1.国电南京自动化股份有限公司,江苏 南京 210061；2.厦门水务原水投资运营有限公司,福建 厦门 361000）

1 引言

当前,随着中国区域经济快速发展和城市化进程加快,水资源开发不平衡、地下水量开采量大、水资源利用效率低等问题日趋严重,水资源短缺现象逐渐凸显[1]。同时,区域降水量时空分布不均、用水管理水平不高,导致水资源供需矛盾逐渐激化,制约了社会经济快速发展[2]。因此,提高水资源管理水平,严格控制取用水量势在必行。水资源管理的重要任务之一是编制科学的水量调度方案,优化配置水资源,缓解供需矛盾,使有限的水资源发挥最大的综合效益[3],而编制科学的水量调度方案需要科学准确的可供水量计算、需水预测及科学合理的优化配置模型作为依托。自20 世纪中期起我国就开始了对水资源优化配置的研究。近年来,随着实践的逐步开展和研究的不断深入,根据可持续发展的要求,已成功实施了多项水量调度工作。

长泰枋洋水利枢纽工程是福建省厦门、漳州两市共同依托九龙江流域,实现跨区域、跨流域水资源配置的重要工程,是水利部全国172 个重大节水供水水利项目之一。工程位于长泰县枋洋镇,水系属九龙江北溪龙津溪支流,由上存水库、尚吉电站、溪口闸坝及溪口-许庄引水隧洞等组成,上存水库与溪口闸库联合调度,通过上存水库对上存-溪口区间径流和石兜水库进行补偿调节,在满足长泰片和厦门片用水需求的前提下,尽量蓄存汛期来水,减少弃水量,以充分利用水资源。

本文结合枋洋水利枢纽水量调度系统建设经验,针对近年来水资源优化调度系统应用现状,以及对水量分配与调度实际需求,设计研发了水量优化调度系统软件平台。

2 系统架构

水量优化调度系统通过对软件系统的分层设计和平台功能的模块化设计,实现软件系统的集成。系统采取B/S 模式进行架构,选用MySQL 作为数据库管理系统,并通过专用的通讯系统通讯,采用面向对象软件设计技术,自下而上由以下几层构成：

1）数据支撑层。该层为系统业务及主要功能提供数据支撑,根据数据类别可分为水利工程运行数据、实时监测数据、评价数据及预报数据等,数据经业务层处理后完成功能展示。

2）业务支撑层。该层的核心为来水预测模型、需水预测模型以及调度模型的计算等服务。数据通过模型的计算可完成水量调度计划的编制,进而完成水量调度方案的确定。

3）软件功能层。根据系统功能的需求分析可将系统的功能分为五大模块,分别是信息服务、常规调度、应急调度、实时调度以及日常业务管理。

系统架构见图1。

图1 水量优化调度系统结构

3 系统实现

水量优化调度的基础是构建水量优化调度模型,其核心是科学协调生产,兼顾生活、农业、工业和生态用水需求,以生活、农业、工业与生态环境用水的最大保证率为目标,对水量进行合理分配。根据业务具体需求进行功能模块设计,包括信息服务、常规调度、应急调度、实时调度、日常业务管理五大模块,功能结构见图2。

图2 水量调度系统功能结构图

3.1 信息服务

信息服务模块为系统基础部分,提供龙津溪流域基本信息的展示,包括水资源综合信息展示、水量情势分析以及会商决策管理三个方面内容。

水资源综合信息展示包括水系、行政区、水资源分区、水库、水文站、控制断面、取水口的基础信息、GIS 图层、工程运行监测信息、当前调度计划等信息的展示；水量情势分析评估已经发生的调度过程和结果,对比调度计划和实际情况的偏差对调度方案进行评价分析,为调度方案的调整修正提供数据支撑,包括综合情势分析、来水情势分析、供水情势分析以及水资源情势分析等内容；会商决策管理是通过会商分析编制完成的各套方案的基本情况,方案执行时可能受到影响的断面、取水口、城市以及各断面影响时长等决策出一套可执行方案,是对历史调度会商信息的记录与展示。

3.2 常规调度

常规调度模块完成调度方案管理、年、月、旬三种时间尺度的方案编制以及方案决策等功能。方案管理是对调度方案的统一管理,功能上实现了对调度方案的新增、编辑、删除以及查询等。调度方案编制包括如下内容：基本信息、径流预报、可供水量计算、需水预测、水量分配、水库调节以及结果分析。

基本信息,包括调度计划起始时间、终止时间、方案描述等基本信息以及调度方案网络概化图；径流预报,分析龙津溪流域与厦门地区降水时空演变规律,依据成因分析与数理统计方法,选择与该区域降水具有较高相关性的太平洋海温与大气环流预报因子,构建气候预报因子与月径流量的多元回归模型,比较不同方法的预测结果与预测精度,确定径流预报方案,通过表格、柱状图以及折线图等方式对预报结果进行展示；可供水量计算,正算法、倒算法以及经验公式法均可对可供水量进行计算,九龙江流域处于东南沿海,正算法适用于此次计算,为调度方案编制提供数据支撑；需水预测,以定额法为基本方法,采用趋势法进行复核预测各区域各部门用水需求,结合可供水量制定水量分配方案；水量分配基于可供水量以及需水预测的计算结果,计算上存水库与溪口闸坝的水资源可利用量动态变化,采用智能优化算法进行水资源优化调度模型求解,以供定需完成对不同地区不同部门的用水分配；水库调节计算是在供需水计算和水量分配计算的基础上,根据水库的基本信息采用不同的水库调度模型实现水量调度；结果分析主要是计算水资源区、行政区、用水单元、水库的水量供需和水资源调度过程。

方案决策是对众多分配方案进行对比筛选,根据各方意见进行会商决策,选出最优水量分配方案进行下一步调度实施。

3.3 应急调度

应急调度是为突发事件服务的,在任何领域,突发事件都是不可避免的,水资源调度也不例外。通过应急调度模块能够有效减少突发事件发生时的生命财产损失。该模块包括突发水污染调度、工程事故应急调度以及特殊干旱应急调度,实现三种突发事件来临时的供水安全保障。

应急调度主要包括预警分析、方案生成、会商决策、执行监控以及成果管理等内容。其中针对不同的突发事件类型,预警分析有所不同其他内容大同小异。突发水污染预警分析包括水质预警、污染识别以及扩散模拟；特殊干旱预警分析包括干旱预警、干旱识别以及干旱预测模拟；工程事故预警除了工程预警外增加了险情标绘以及险情上报等内容。基于预警分析等结果,分析评估事件的紧迫性,通过加大水库泄流量,改变取水口启闭状态等制定应对方案。

3.4 实时调度

实时调度根据短期水量调度计划,编制并发布实时调度指令并对调度指令进行分析管理。该模块为水量调度微观优化管理的方案实施层,是水量调度系统与闸站监控系统的接口界面。

实时调度包含调度指令的发布管理、特征管理、资料管理、分类管理以及综合分析。发布管理即编辑并发布调度指令,并能实现调度指令的增删改查。对闸站监控系统的水量调度反馈进行实时监控,如偏离目标值超出阈值范围,则重新制定调度目标,发布新的调度指令覆盖原指令；特征管理是对调度指令的一些特征数据如调度工程、调度指标、特征水位等进行管理；资料管理对调度指令相关的资料进行管理,如调度指令发布前的准备工作、调度会商材料、调度现场资料以及调度结束工作总结等资料进行管理；分类管理则是将调度指令进行合理分类,进而方便调度指令的分析管理；调令综合分析是对已经完成的调度指令调度过程进行数据化分析,为往后的调度提供经验教训。

3.5 日常业务管理

日常业务管理模块主要完成基本信息管理、公文发布、用水申报受理、统计计算等业务处理工作,能够实现用水申报受理、可供水信息接收、调度方案上报下发、调度指令生成下发以及各种信息汇总统计等日常业务处理功能,是相关工作人员日常工作平台。

4 系统应用

水量优化调度系统在长泰枋洋水利枢纽工程得到了应用,面向业务管理人员提供信息服务、常规调度、应急调度、实时调度、日常业务管理等功能模块。以“常规调度”为例,对枋洋水利枢纽各重要控制断面进行水量供需平衡计算,并以图形化方式展示各控制断面每月来水量、需水量、预警等级及供需差值,界面展示见图3,通过页面左侧菜单栏可实现不同功能模块的切换。

图3 水量供需平衡分析界面

5 结语

水量优化调度系统是提高水资源管理水平,有效缓解用水供需矛盾的重要手段,对落实最严格的水资源管理制度,严格控制各地区、各部门取用水量具有重要意义。水量调度系统的运行,为枋洋水利枢纽工程调度提供决策支持,为实现水资源总量控制和智慧监管提供平台支撑。本系统的研究能够为今后的水资源优化调度提供一定的参考和借鉴价值,有利于提高全国水资源管理水平。