萩芦溪流域水资源调度系统信息化

林志健

(莆田市萩芦溪水电管理处，福建 莆田 351131)

0 引言

萩芦溪是福建省莆田市第二大河流，主河道长60 km，流域面积达628 km2，发源于仙游县游洋镇，经涵江区庄边镇、白沙镇、萩芦镇和江口镇注入兴化湾，担负着向涵江区及荔城区西天尾镇提供原水的重任。近年来，流域水资源管理已成为水利工作的一大着力点，而中小流域覆盖地域广阔、工程建筑设施点多且面广、管理对象繁多、管理业务十分复杂，必须结合水资源调度和信息化手段，对流域进行科学管理和有效调度，实现充分利用水资源，又切实保护生态环境。

水资源调度系统的建设与信息化紧密相关，涉及到流域水雨情、水量分析、水质监测及调度规则等方面，既要有水系径流和社会各行业用水的定量预测分析，又有不同时段、不同缺水条件下的水量调度规则的定性分析，受到许多人为及边界因素的影响，来、用水量分析成果的可靠性很大程度上决定了模型输出的合理性。水资源调度系统的信息化就是以计算机系统为运行工具，把优化、实时调度模型与各种非数字化的信息处理结合起来，定性与定量分析相结合，为决策者提供大量、全方位的辅助信息，最终实现科学的调度决策。

1 当前流域水资源调度管理面临的问题

1.1 供需问题

由于萩芦溪水资源的天然时空分布差异较大，地区间和各用水部门间也存在着很大的用水竞争性，因此如何利用好水资源，包括对水资源的开发、利用、保护与管理，解决水资源供需矛盾和用水竞争，发挥水资源的最大应用效益，实现水资源的可持续性利用，是摆在萩芦溪水电管理处乃至整个社会面前的重要课题。因此迫切需要利用信息化管理来进行水资源优化调度，提高萩芦溪对社会经济的支撑能力。

1.2 调度手段落后

由于萩芦溪范围大，工程分散，分水建筑物多，降雨时空分布不均匀，而水电管理处仍使用传统方法实施水资源调度，使萩芦溪的水资源调配总是落后于客观实际的变化。

1.3 监控方式落后

萩芦溪水系流域量测水方法基本采用人工读数，导致人工计量效率很低，执行起来不方便，既费力又费时，数据的实时性也很差，人为因素影响大;水位观测靠人工目测，启闭机采用手摇式操作，管理人员劳动强度大，工作效率低。调配水靠人工指令调度，调整不及时易造成调度不稳定及水量浪费。

2 水资源调度系统设计

2.1 系统设计目标

在贯彻水利部治水新思路的前提下，建立萩芦溪水资源调度系统信息化的目标是将现代化技术全面引入到萩芦溪的建设管理中，提升流域的自动化和管理水平，逐步实现对萩芦溪水资源的优化配置，完成流域水情数据采集、闸门自动控制和水资源调度等，使萩芦溪调度管理全面走向自动化。

2.2 系统组成

萩芦溪水资源调度系统包括3个部分:①自动化监控系统，包括水情自动测报系统以及闸门自动控制;②计算机网络;③应用决策支持系统，它是水资源调度系统最重要、最有价值的部分，本文将重点论述。

2.3 自动化监控系统

2.3.1 水情自动测报系统

系统由数据采集(VHF、GPRS)和中心站组成，数据采集包括水位数据、供水计量、流量数据以及水质监测。遥测站和中心站构成星状网络，中心站为中心节点，测站采用随机自报和定时自报相结合的工作方式发送数据，并且具有固态存储数据的功能，中心站具有数据处理、分析、查询等功能，并能向上级提供信息。传感器的选择首先考虑可靠性，水位采集采用浮子式传感器;供水计量采用电磁流量计;因萩芦溪因溪流流速波动性大，溪道流量监测方法宜采用流速-面积-流量法，所以采用稳定可靠、精度高的时差法超声波流量计，水质主要监测总磷、总氮、叶绿素以及常规5项等常用饮用水指标。

2.3.2 闸门自动控制

闸门自动控制由中心站和现场监控站组成，系统网络采用星型网方式，以大网协议传输，主要由水闸控制中心现地控制单元、启闭组成。现地控制层设有LCU，分别执行对应水闸设备的实时监控，并采集相应闸上水位传感器、闸下水位传感，并向水电管理处传输闸门自控数据。萩芦溪水资源调度可通过闸门自动实现，现场远程终端单元通过无坎宽顶堰水力学公式计算实时出水量，水资源调度系统根据出水量，再去调整闸门开启度。

2.4 计算机网络

通过计算机网络将萩芦溪管理处各部门的计算机连接起来，同时将管理处与各管理所、各管理房的通信传输及监控网络整合到此网络中，建立数据传输业务平台，对远程控制、实时采集数据提供传输通道，同时也为应用决策支持系统等信息化系统建立网络平台。

2.5 应用决策支持系统

应用决策支持系统包括水资源调度监控预警系统、供水信息管理系统以及群闸联合优化调度系统。

2.5.1 水资源调度监控预警系统

系统立足于实时监控调度指令执行情况的业务需要，对采集的水情信息、水闸实时工况信息进行有效梳理，并基于GIS地理信息基础平台进行展现，对超出调度规则范围的信息进行实时语音智能预警，根据业务需求生成对应的业务报表，为水资源调度运行监控提供实时信息支撑。

1)实时信息集成:系统实现将自动采集下来的数据在GIS平台上，通过选择不同的类别(水位、流量、水闸)显示各遥测站点的水位情况和水闸当前水流情况和开度状况。

2)调度规则设定:系统实现对水位、流量、闸门开度、水闸电流监视信息的调用规则的设定。设定的规则包括:①水位超控制标准;②开始放水和结束放水10 min后自动预警通知;③闸门开度和出现故障时预警报警;④水闸电机过流、过载、断相、欠压、短路、堵转等时自动预警通知。

3)预警模板设定:建立水位、流量、闸门开度、水流各种预警信息模板，分类建立不同规则的词条库，用以快速进行预警信息的制作。

4)监控预警发布:系统实现根据监测数据的分析和预警模板产生的预警信息，并自动翻译成语音信号，通过高音喇叭向有关人员发布预警信息。同时，在系统后台中保留预警信息和发送的状态。通过预警查询可以检索出预警的发布情况。

5)生成业务报表:系统实现根据业务需求自定义配置业务报表相关的字段信息，自动生成对应的业务报表。报表的字段定义可以依据具体情况定制。

2.5.2 供水信息管理系统

系统由供水实时信息查询、供水日报、统计报表、供水线路、供水计划及水量计量等组成。

系统可以在电子地图上提供实时信息查询，为调度决策者提供支持，在供水调度实施过程中，系统将每日定时自动生成供水日报并自动生成以下报表:供水调度指令报表、供水量月、年报表等。系统还将显示供水线路图，提供月度供水计划数据的浏览、录入和修改等功能，并且生成年度的供水计划表。最后系统还提供水量计量数据的录入功能，以及水量数据按用户按月(或者按月的汇总功能)以及水费计算功能。

2.5.3 群闸联合优化调度系统

流域水资源的调度基本是由水闸启闭来实现，群闸的调度是水资源调度优化最终的控制手段。群闸联合优化调度系统由水闸调度模型、群闸联合调度优化数学模型和预案库构成。通过群闸联合调度优化数学模型对假设的调度方案进行模拟，得到用于水闸调度模型学习的预案库，水闸调度模型根据水闸下游边界条件和实时监测的水情水质数据，形成一个水闸初步调度方案，然后经过群闸联合调度优化数学模型对调度方案进行模拟。当模拟结果达到期望的目标，这时的调度方案即为可以下达的调度方案;当模拟结果不能达到期望的目标时，需要人工对调度方案进行修正，再通过群闸联合调度优化数学模型进行模拟，直到获得一个能满足调度目标的调度方案。

群闸联合优化调度系统流程框图见图1。

图1 群闸联合优化调度系统流程框图

1)监测数据导入:影响水闸调度的因素很多，在水闸调度分析时，需要提供水闸主要影响因素数据，包括水闸上游水位、水闸下游水位、期望水闸上游水位(水闸关闭后上游稳定水位)等数据。这些数据可以通过Excel表格导入或界面输入等方式，提供水闸调度模型的初始数据。

2)水闸调度模型:根据不同水闸的不同需求，如防汛排涝、日常水质改善、供水等，以及不同的水闸调度方式设定不同调度目标参数，建立水闸调度模型。

3)形成调度方案:根据提供的一组水闸调度监测数据，这些监测数据包括水闸上游水位、水闸下游水位、期望水闸上游水位，并结合水闸调度模型，自动生成预设的调度方案。

4)群闸联合调度优化数学模型:群闸联合调度优化数学模型是为调度模型提供训练用的预案，以及检验调度模型给出的调度方案。率定验证后的数学模型可以作为原型的近似代替。

模型通过提供的流量、水位、有效过水断面面积、蓄水断面积、沿主流向的河道纵向距离、时间、单位长度河段均匀旁侧入流量、动量校正系数、重力加速度、河道的阻力坡降、侧向流的动量等数据参数，运用数学模型，自动快速计算产生调度预案，并有人工干预判别提供的调度方案。

模型中提供的数据通过Excel导入方式或数据库读取方式获取初始数据，并显示在系统主界面上，客户可以根据具体情况对导入的数据进行调整。

5)预案查询管理:实现对群闸联合优化调度产生的调度预案的入库，保存在预案库中。通过输入调度预案的关键词，如流量、水位、水系等，自动检索对预案库中新入库的调度预案和已有的调度预案信息，以列表的方式显示预案信息，并可以查看到预案的详细信息。同时实现通过选择事先拟定的不同调度条件，为水闸调度模型提供学习预案。

6)调度方案展示:系统实现根据群闸联合调度优化数学模型的模拟情况，通过自动或人工干预方式判别模拟结果，并保存、显示最终产生的调度方案。可实现调用事先知道的调度方案模拟结果，并与最终产生的调度方案模拟结果进行对比。

3 结语

随着社会经济的发展，水在社会经济中发挥的作用越来越大，要求萩芦溪流域水系在用水管理中科学地配置利用水资源。通过信息化系统的实施建设，能明显改善工作环境，提高工作效率，提高水的利用率。每年能减少损失水量上百万方，多发电量几百万度，直接为我处增加经济收入上百万元。

但水资源调度管理系统是一个十分庞大而又复杂的系统，在具体实施过程中要坚持“因地制宜、视需定建，突出重点、量力而行、先搞试点、逐步扩展、高效可靠、确保效果”的原则，充分利用现有的基础设施，建立高效可靠、先进实用的水资源规划、调度、实时监控管理系统，形成各种水情、旱情网，结合水资源管理、调度决策的需求，实现水资源的优化配置，提高管理部门的正常工作效率、质量、效益和决策的科学性和正确性，从而推动萩芦溪流域水资源调度现代化建设的进程，为莆田市兴化湾南岸建设提供强有力的保障。

[1] 顾世祥，李靖，傅骅.流域水资源调度决策支持系统[J].黑龙江水专学报，2002，29(03):21-23.

[2] 刘道国.都江堰灌区水资源调度系统建设浅析[J].中国水利，2006(21):58-60.

[3] 冉毅.“都江堰渠首枢纽闸群智能联合调度系统”初探[J].四川水力发电，2010(03):118-119.

[4] 邓坤，张璇，杨永生.流域水资源调度研究综述[J].水资源研究，2011(04):1-3.