嫩江干流水量调度流程研究与典型应用建设

任祖春，朱景亮，曹 东，赵 彤

（1. 水利部松辽水利委员会水文局（信息中心），吉林 长春 130021；

2. 水利部松辽水利委员会，吉林 长春 130021）

嫩江干流水量调度流程研究与典型应用建设

任祖春1，朱景亮2，曹 东1，赵 彤1

（1. 水利部松辽水利委员会水文局（信息中心），吉林 长春 130021；

2. 水利部松辽水利委员会，吉林 长春 130021）

结合松辽流域水资源调度管理业务流程研究，以嫩江干流水量调度为典型应用，建立松辽流域水资源调配决策支持系统体系框架，重点实现嫩江干流水量调度子系统建设。通过对调度计划实时监控、方案编制及优化、方案总结评价及会商决策等 5 个方面的业务功能设计优化与实现，提高业务人员的工作效率和业务系统实用性。为嫩江干流水量调度和流域最严格水资源红线管理提供科学的参考依据和技术支撑，也为水资源管理信息化建设与业务的深度融合进行探索和提供参考。

水资源；松辽流域；嫩江干流；水量调度；业务流程

0 引言

松辽流域调配决策支持系统是松辽流域水资源监控管理平台的核心业务应用系统之一，主要为松辽流域水资源的调度业务处理提供信息化服务和支撑。松辽流域选择嫩江干流水量调度子系统为调配决策支持系统框架下的典型应用，密切结合调度计划编制和方案制定工作的实际业务流程，设计构建了松辽流域水资源调度业务的工作平台，逐步完善建立起科学的数学模型，实现了流域水资源管理的信息化、网络化、智能化。目前水量调度子系统已投入使用，为嫩江干流水资源调度工作提供决策支持。随着水资源管理工作的逐渐深化，在信息化数据资源不断丰富的基础上，摸索出一条具有流域特色的水量调度系统流程，初步实现水资源的优化调度和科学决策，以期达到水资源科学配置及可持续利用的目标，对保障松辽流域范围内社会、经济的持续发展具有重大意义[1]。

1 总体设计

1.1 设计原则

嫩江干流水量调度子系统是松辽流域调配决策支持系统本期重点建设的典型应用，主要实现嫩江干流水量调度方案的制定与管理、调度业务的在线处理等功能，以支撑流域水资源管理部门对嫩江流域及干流尼尔基水利枢纽工程等的水资源调度管理工作。嫩江干流水量调度子系统在监测、统计、模型相结合的基础上，为决策者提供多角度、可选择的水资源调度计划方案，主要业务需求包含：调度方案和计划的制定与管理、业务在线处理（年、月、旬、实时和应急调度）、报表管理（包括水调日、旬、月、年报）等。嫩江干流水量调度子系统设计原则如下[2]：

1）架构齐全。搭建起完整的系统框架，框架中包含水资源规划配置管理、计划（年、月）和实时调度管理、调度方案编制、决策会商支持和远程调度等模块。

2）过程完整。支撑和涵盖调度决策的全过程，对数据分析、方案制定和模拟等各个环节支撑到位，体现出水资源管理调配决策的流程设计。

3）区域示范。为密切结合实际管理工作进行有梯度的深度开发，进一步确定典型区域进行示范建设。典型区域需要满足 5 个条件，即有调配依据、调配需求、数据基础、技术基础、相应工程控制条件。

4）模型可扩。模型可扩目的是要在框架的基础上有可释放性、扩展性。

1.2 总体结构

嫩江干流水量调度子系统功能结构设计如图 1所示[3]。

图1 嫩江干流水量调度子系统结构图

各模块具体功能如下：

1）首页模块。主要提供调度执行情况的实时监视功能，监测各重点取水口的取水量、重要断面水文站的流量等信息，为调度实况跟踪分析提供信息支持。

2）水资源基础信息管理模块。展示了水资源的数量、质量、分布范围等重要信息，主要包括历史来水信息、用水单元信息、工程类信息查询、方案统计查询等子模块，为调度计划的编制提供有力的信息支撑。

3）水资源配置管理模块。主要为用户提供水资源的现状评价和配置规划结果的展示功能，包括水资源现状评价、需水预测成果表、供水预测成果表、配置信息查询等子模块。

4）水资源调度计划管理模块。主要包括天然径流序列，年度用水计划分析、调度计划编制，年调度计划比选和总结评价等功能模块，分别为用户提供来水预报和取水口需水的上传和下载功能，年调度计划的编制及计算功能，实现用户对年调度计划的比选及总结评价功能。

5）水资源实时调度方案管理模块。当来水量或取水量超过系统所规定的警戒阀值或者出现其它紧急情况时，水资源实时调度方案管理模块启动实时调度管理。

6）水资源决策会商管理模块。主要实现会商的编制、管理和演示。登录用户对会商信息进行录入、查询和维护，并通过生成控制指令发送给相关单位。由数据权限访问判定用户操作权限，并通过数据信息审核判断参数的正确性，操作过程记录在系统日志中。

7）模型库模块。模型库模块为决策分析功能提供模型支撑和管理维护功能，主要包括模型库管理，以及水库调度原则、库容曲线、蒸发渗漏损失等部件。

8）系统管理模块。实现系统内的权限管理和参数设定。

2 流程设计

2.1 总体流程

嫩江干流水量调度子系统主要实现调度计划的编制、决策会商、监控和修正等功能。经过业务流程梳理，总体业务流程设计如下：

1）根据来水、需水的预测数据，运用相关的调度演算算法编制出 1 个或多个年调度方案。

2）通过方案比选功能、会议决策的方式，确定最优调度方案作为调度方案。

3）对会商通过的调度方案的执行情况进行监控，主要是对重要取水口、河道断面的水位和流量的实时监控。

4）当年调度计划执行过程中，来水或取水户需水与年调度计划预测、上传数据相差较大或发生调整时，可通过调度计划滚动修正部件进行修正，由系统报警处理触发进入，或者人工干预进入调度计划滚动修正部件对当前执行的调度计划进行修正。

5）对调度计划进行滚动修正之后，产生 1 个或多个滚动修正方案，对这些方案进行决策会商，决策出最终的方案替代当前正在执行的调度方案[3]。业务总体流程如图 2 所示。

图2 嫩江干流水量调度子系统业务总体流程图

2.2 调度计划编制流程

嫩江干流水量调度计划方案编制的目标是在满足尼尔基水库下游需水、无弃水、水库水位维持正常水平的边界条件情况下，得到年发电量最大的调度放流方案。调度计划方案的编制是嫩江干流水量调度管理中重要的业务工作，以往需要大量人工处理工作；现在基于业务流程设计开发的调度方案编制模块，基本覆盖了嫩江干流调度方案编制的全流程，为提高调度方案编制效率提供了支撑。水量调度方案的设计流程与年调度计划流程设计基本一致。系统流程设计主要包含以下几点：

1）创建调度计划。确定调度计划的名称、年份，水库起调、调度期末水位等信息。调度计划创建界面如图 3 所示。

从图 3 可以看出，新建调度计划方案增加的主要内容包括调度方案年份和名称、选择区间、调蓄水库、来水数据源、起调和调度期末水位及其他描述信息。

2）初始条件设置。确定调度计划的来水、需水预测数据，初始条件审核界面如图 4 所示。

来水数据输入来源主要分为 2 种，即通过水文预报或 45 年的长序列数据根据皮尔逊 III 型曲线及用户所需要的来水频率计算出对应的水量数据，需水的数据是通过上传取水计划得到的。在详细信息中，可以查看选择的取水口计划引水量与上一年度水量的差异，并初步核算数据。

3）供需平衡计算。在不考虑水库放水的情况下通过水库下游各区间来水、需水计算出最低补偿供水过程线，嫩江干流尼尔基水库补偿供水分析如图 5所示。

4）调度计划计算及优化。通过模型计算出水库每旬的放流流量及发电量，具体流程如图 6 所示。

首先根据起调水位确定水库初始库容，根据调度期末的水位得到调度期末的库容，这 2 个数据结合尼尔基水库以上的来水确定水库这一年总的放水量，建立优化方程组；然后计算优化方程组，得到每旬的出库流量，并根据流量计算出发电量；每旬按照不同放流量进行演算，最后得出年发电量值最大的调度放流过程。

计算过程采用动态规划法，动态规划算法与其他算法相比，大大减少了计算量，丰富了计算结果，不仅求出了当前状态到目标状态的最优值，而且求出了到中间状态的最优值。水量调度优化模型的输入条件包括水库补偿供水、调度原则、蒸发渗漏损失、库容面积曲线、起调和期末水位等数据，模型计算的输出结果包括每旬的来水、需水，水库库容、水位和流量，以及蒸发渗漏损失、放流量、发电量等数据。

图3 嫩江干流年调度计划创建界面

图4 嫩江干流年调度计划初始条件审核界面

5）方案输出。在调度计划计算后，会输出年发电量值最大的放流方案每旬的用水、需水、补偿供水、水库流量和水位、发电量、蒸发渗漏等数据的序列。用户可按照不同的调度需求，计算多套调度计划方案，通过多方案比选，为最终调度方案的编制及合理优化提供技术支撑。

图5 嫩江干流尼尔基水库补偿供水分析

图6 嫩江干流尼尔基水库放流过程分析

3 建设成效

嫩江干流水量调度子系统有以下 5 个方面的业务优化和功能实现：

1）调度计划的实时监控方面。嫩江干流水量调度子系统实现了对正在执行的调度计划的实时监控功能，主要是重要取水口的取水、重要断面的流量水位的实时监控，当发生监控预警时，工作人员能够及时发现并对调度计划作出修正。

2）需水数据的比较方面。年度需水数据需要与往年需水、红线值、控制指标等数据进行多维度的分析比较，验证数据的合理性。过去人工比较，工作量太大，耗时耗力，而嫩江干流水量调度子系统的使用则省去了这些繁琐工作。

3）调度计划的计算方面。调度计划的计算工作是一个相当复杂繁琐的过程，人工计算方式的工作量很大，计算所用的时间也很长；嫩江干流水量调度子系统的使用将调度计划的计算过程程序化，繁琐的计算工作由系统完成，为用户节省精力的同时，又保证了结果的正确性。

4）调度计划的总结评价方面。嫩江干流水量调度子系统提供的调度计划总结评价功能，使用户能够更为清晰直观地观察各年度调度计划与实际放流的比较，为后期调度计划编制提供参考。

5）调度决策会商方面。决策会商模块提供了会商准备、演示、纪要等功能，用户在会商准备子模块可以对需要进行演示的系统模块进行预先配置，在会商演示子模块对预先配置的系统模块以 PPT 的形式进行直接展示，不必再进行相关的操作，为决策会商过程提供便捷。

4 结语

嫩江干流由于流域的广阔性，影响因素的复杂性使得建立精确的模型非常困难，因此利用嫩江干流水量调度子系统计算多种水库放流方案，协商合理的放流方案，是提高决策水平的可行途径。通过对嫩江干流水量调度业务的分析和研究，设计建设了符合流域水量调度需求，面向管理者的调度系统。通过系统的建设和实现，大大提高了业务人员的工作效率，为松辽流域水资源业务提供技术支撑的同时，也为水资源管理信息化建设与业务的深度融合进行了探索和提供参考。

[1] 水利部松辽水利委员会. 国家水资源监控能力建设项目松辽流域技术方案（2012—2014 年）[R]. 长春：水利部松辽水利委员会，2013: 266-286.

[2] 水利部松辽水利委员会. 松辽流域水资源调配决策支持系统需求规格说明书 [R]. 长春：水利部松辽水利委员会，2014: 21-385.

[3] 水利部松辽水利委员会. 松辽流域水资源调配决策支持系统软件设计报告[R]. 长春：水利部松辽水利委员会，2014: 140-621.

Study and Typical Application on Water Regulation Process in Nenjiang River

REN Zuchun1, ZHU Jingliang2, CAO Dong1, ZHAO Tong1

(1. Bureau of Hydrology (Information Center), Songliao River Water Resources Commission, Changchun 130021, China; 2. Songliao River Water Resources Commission, the Ministry of Water Resources, Changchun 130021, China)

Combining with the study of water resource regulation management processes in Songliao basin, with a typical application of water regulation in Nenjiang river, the systematic frame of water resources allocation decision support system in Songliao basin is established, and Nenjiang river water regulation subsystem is primarily realized. Through optimal design and realization of five business functions, which included real-time monitoring dispatch plan, planning scheme and the optimization, plan summary evaluation and consultation decision, the work efficiency of business personnel and of the practicability of operation system were enhanced. This study provides the scientific reference basis and technical support for water regulation in Nenjiang river and the most stringent water red line management in Songliao basin, also provides the exploration and reference for deep integration between water management informatization construction and water business.

water resource; Songliao basin; Nenjiang river; water regulation; business process

TV21

A

1674-9405(2016)05-0015-06

10.19364/j.1674-9405.2016.05.003

2016-08-04

任祖春（1967-），男，江苏宜兴人，教授级高工，主要从事水利信息化管理工作。