浙东引水调度管理系统设计与实现

宋立松,于桓飞,姚 赟

(浙江省水利河口研究院， 杭州 310020)

浙东引水调度管理系统设计与实现

宋立松,于桓飞,姚 赟

(浙江省水利河口研究院， 杭州 310020)

浙东引水工程输水线路长，运行管理十分复杂，为了保障浙东引水工程的长期安全稳定运行和工程引水调度效益的发挥，应用网络技术、数据库技术对引水线路沿程实时监测信息进行了汇聚和分析，提出了基于时间序列分析的引水调度的周期均值叠加预报的年计划预报方法、引水调度动态修正方法以及引水调度信息流程；研发了基于GIS的浙东引水调度管理系统。系统具有信息监测管理、调度管理、工程管理、政务服务等功能，实现了对引水调度信息的实时监测和汇聚共享。应用结果表明系统运行稳定，在工程引水调度中发挥了较好的作用。

浙东引水工程;调度管理;信息系统;实时监测;水资源

1 研究背景

为缓解地区的水资源分布不均，保障地方经济健康稳定发展，通过修建调水工程重新分配水资源，已成为人类缓解缺水地区水资源紧张形势和供需水矛盾的主要途径[1-3]。浙东引水工程就是为解决浙东萧绍宁舟地区水资源短缺问题而修建的重大水利工程,工程引水线路总长度294 km，多年平均引水量8.9亿m3，主要由萧山枢纽、曹娥江大闸、曹娥江至慈溪引水、曹娥江至宁波引水、舟山大陆引水等工程组成，具有输水线路长、跨多个流域、多个行政区、工况复杂等特点，是一个多水源、多用户、多层次、多决策主体的大型水资源系统。为了更好地支持浙东引水工程统一引水调度和管理，协调水资源供给平衡，充分利用计算机、数据库、网络及通信技术，建设浙东引水调度管理信息系统，实现浙东引水工程全程全要素实时监控和沿程信息资源的全面共享，通过对各控制区段水雨情、水量、水质、工程运行状态的动态监测和分析，为工程科学调度和水资源优化配置提供信息服务，对充分发挥浙东引水工程的社会效益和经济效益有着重要作用。

2 系统设计

2.1 架构设计

浙东引水调度管理系统系统采用B/S架构[4-6]模式(图1)，主要包括数据层、应用层、交互层。

图1 系统框架Fig.1 Framework of the diversion scheduling management system

(1) 数据层:包括从各监测站直接获取的实时数据、由人工录入的基础数据及空间数据等，具体有工程基础资料、实时数据(闸门开度数据、实时流量、水质、取水量数据、水雨情数据、视频监视数据)、巡查巡测数据、水资源监测数据、水质监测数据、历史水文资料、气象数据、水文特征资料、全景三维数据、空间地理数据(基础地理要素如地名、交通、境界、居民地、地形地貌等及水利专题要素如河道、水闸、堤防、排灌站、水文站网、流量站、闸位站、水质监测站、视频监控站等)、相关业务系统专用数据(引水计划、引水条件、调度方案、工程信息、维修养护信息等数据)。这些数据通过统一的数据服务接口提供数据服务，与其他相关业务部门的数据交换，主要采用基于数据库复制的数据同步和基于消息机制的数据推送进行数据共享。

(2) 应用层: 通过统一的业务服务，实现对水量水质监测监控、水量调度、业务处理、数据综合处理、基础资料访问、基础地图访问等专题服务之间的相互调用，相互触发与数据交换来实现对各种专题服务的总体集成。

(3) 交互层:基于WebServices服务架构的人机界面，利用规范高效的访问接口进行界面集成。

2.2 系统关键技术研究

2.2.1 引水调度业务流程

浙东引水工程水量调度业务流程如图2所示。

图2 引水调度流程Fig.2 Process of water diversion

首先根据引水工程水量调度原则和目标、受水区水文气象预报、受水区水量差积曲线及受水区上一年用水资料，确定下一年受水区用水要求；其次，根据水源区水文气象预报和水源水质条件，确定下一年引水工程可供水量；然后，根据受水区需水要求和引水工程可供水量，结合引水工程的输水能力，确定各控制断面供水量和年度水量调度计划；最后，确定月水量调度计划、应急水量调度计划及水量调度计划滚动修正方法[7-9]。在实际调度运行中，在系统中采用了“年预案、月调整、年终结算、年度结转”的滚动修正方法对调度方案进行动态调整，主要是根据前期实际来水信息和各地区当地供、用、需情况，对下月的用水计划进行动态调整。原则上，水源区按年度预案供水，若月末富春江可供水量与年度预案相差较大，适当降低水源区引水量制定水源区引水方案，根据水源区月度供水量方案和年度预案该月受水区的配水权，执行“丰增枯减”原则，修正受水区配水量方案。

2.2.2 水文情势分析预测

系统采用周期均值叠加预报的长期水文预报方法进行预报，将各水文要素随时间的变化过程看成是有限个不同周期波相互叠加而形成，通过分析识别出水文要素序列所包含的周期，然后根据周期外延对水文要素的变化进行预报。首先根据差积曲线评估近年来本地区的降水量或来水量的丰枯情况，并结合气象预报等资料，得到下一年度预测降雨量或来水量，查相应频率曲线了解相应保证率，为调度提供依据。其数学模型为

(1)

式中：x(t)为水文要素序列；pi(t)为第i个周期波序列；ε(t)为误差项。计算流程如图3、图4所示，计算步骤如下所述。

图3 年度降雨量预估Fig.3 Estimation of annual rainfall

图4 各月配水Fig.4 Water allocation in each month

2.2.2.1 受水区年月度计划

第1步，通过输入上一年的真实降雨量，结合距平差积表，模拟不同分组下的情况，计算组间方差和组内方差，利用F分布中最大的那组值的平均值作为第1组周期波，然后用距平差值减去第1组周期波长X，重新对X进行分组求有代表意义的那组周期波，最终以平均值加上2组周期作为最终的年预计降雨量。

第2步，通过年预计降雨量值，按大小进行排序，按最终落在的那个区间求保证率，然后根据典型年份的月需水计划通过线性插值进行求解，生成每月的受水区的计划。

第3步，通过地方上报的用水需求和水源区可供水进行实际分配，生成最终月度计划。

2.2.2.2 水源区年月度计划

第1步，通过输入年径流量值，求得保证率。

第2步，利用线性插值法，根据提供的典型年份，求得各地区可供水量。假定x1对应的y坐标为f(x1)，x0对应的y坐标为f(x0),那么点x对应的y坐标计算公式为

(2)

2.2.3 系统信息流程

根据水量调度业务流程设计引水调度管理系统日调度信息流程如图5所示。首先系统中通过数据库设定触发器，在每天上午8：30，自动生成每日引水条件汇总表，引水条件包括富春江电站前3 d平均下泄流量、闸口站前1 d高平潮江水含氯度、允许最大日平均引水流量、萧山枢纽前1 d水质类别、各引水区平原河网代表站水位、沿线各地未来5 d天气及降雨预报情况、浊度(考虑加入该数据作为是否可引水的条件之一)；然后根据汇总的每日引水条件并结合其他条件(引水计划，需要满足每日的引水量；下游受水地区的需水情况；下游闸站以及萧山枢纽整体的工程情况)生成调度建议方案。

图5 日调度运行系统流程Fig.5 Flowchart of daily scheduling operation

调度建议一般有：①无限制条件，建议引水；②萧山枢纽水质为V类/劣V类，建议暂停引水；③富春江电站前3 d平均下泄流量不满足调度运行方案，建议暂停引水；④闸口站前1 d高平潮江水含氯度不满足调度运行方案，建议暂停引水；⑤某水位站处于高水位，建议排涝或适时暂停引水；⑥某地区未来预报降雨量较大，建议适时暂停引水或排涝。之后执行调度建议并进行调度反馈。系统原则上可以通过数据监控实时切换常规调度方案与应急调度方案(洪涝期/干旱期)调度方案，最终由用户自行确认是否是需要切换常规调度和应急调度的方案。

3 系统功能设计与实现

浙东引水调度综合管理系统主要是通过数据汇集将通过各种途径采集到的实时数据、巡查巡测数据及其他相关业务系统数据等汇总到数据中心，进而开展水量调度业务管理、调度监视预警、安全运行管理等服务，其功能主要包括：监测管理、调度管理、工程管理、政务服务和系统维护(图6)。

图6 系统功能框架Fig.6 Frame of system functions

3.1 监测管理

通过对气象、实时雨情、水情、流量、水质、工情等情况的监视监控，使浙东引水工程相关管理部门领导及工作人员及时掌握各交界断面的水量水质、各受水区的水质及引水水量及各个时段的水量变化情况，并根据国家水质评价标准综合评定水质各类监测要素。当出现超警状况时，向工作人员发出超警信息。

(1) 水雨情监测查询主要用于实时监测分析浙东引水工程沿线及周边的雨情、河道水情、水闸闸上闸下水情，为运行调度提供基础信息[10-11]。

(2) 水质监测分析[12]主要用于监测水质测站的温度、溶解氧、pH值、电导率、浊度、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮9项指标，以便实时掌握各交界断面、引水区地表水水质变化情况及变化趋势，同时根据国家水质评价标准，进行水质各类监测要素自动评定，动态生成水质综合评价表和河网水质现状图，及时发现突发环境污染事件，为环境质量评价和环境污染控制提供基础信息。

(3) 水量监测分析主要用于实时监测引水干线主要交界断面流量、取水口取水信息，以便及时掌握整个引水工程供水情况、分水情况、取水情况及引水运行调度执行情况。

(4) 闸门开度监测查询模块通过各重要性控制水闸闸位启闭自动监控设备，实现对闸门开度及终端机用电电压的实时监控，以便实时掌握供水情况、引水运行调度执行情况。

(5) 实时视频图像发布模块将以插件方式在客户端浏览器中嵌入播放，实现对闸门工况及水量调度执行情况、河道水面情况的实时监视及视频监控历史信息的查询。

(6) 自动获取引水工程沿线及周边地区的气象信息，为引水工程调度管理工作人员提供气象服务。

(7) 按照运行调度方案，当超过警戒值时，系统在地图上进行闪烁或发声，并根据实际需要，系统自动或手动向有关领导及管理人员的手机发布预警信息，以便及时采取应急响应措施。

图7 引水调度信息界面Fig.7 Diversion dispatching information

3.2 调度管理

调度管理[13-14]是通过水雨情、水质、水位、气象预报等实时监测数据结合引水年(月)度计划、工情信息、地方用水需求等数据进行分析判断，提出调度运行方案建议，并实时监控调度运行的执行情况，及时对违规进行预警，在完成引水之后，能够自动地进行引水评价工作，为浙东引水管理局日常工作业务开展及调度决策提供支撑(图7)。水量调度系统主要包括制定引水计划、实时水量调度、应急水量调度、调度方案总结评价等模块。

(1) 引水计划分为受水区和水源区，分别对应年度计划和月度计划。受水区的年度计划通过往年数据进行25%，50%等保证率的排序选取典型年份，然后根据周期均值叠加预报的长期水文预报方法预计降雨量，通过线性插值求得保证率，根据保证率在结合典型年份中的月度计划通过线性插值求得各月的供水量。

(2) 实时水量调度是根据已制定并批复的调度方案，结合实时的供水监测数据、工程运行情况和临时变化，制定各闸站实时的运行控制方案，并由浙东引水管理局监督其他引水工程的运行调度执行情况。

(3) 应急水量调度是指在洪涝期、干旱期、突发水污染事件或发生运行安全险情时，系统对险情进行报警、根据不同的险情，启动运行相应的应急调度模型，制定出各闸站运行控制方案，启动应急调度后系统实时监视预警模块自动调整预警值，以监督各引水工程的执行情况，并根据调度方案要求，结合实际监控数据，系统能够自动提供干旱、洪涝应急提示，并发布预警信息至相关管理人员。

(4) 调度方案总结评价是指每次调度完成后即时进行总结评估，人工核实、确认流量数据，进行引水调度的绩效反馈和评估，分析水量调度方案和实时调度指令的执行情况，为优化调度方案提供参考。

3.3 工程管理

工程管理主要包括：工程基础信息查询、工程巡查及记录、工程维修方案及备案、全景影像[15-16]等功能模块，为浙东引水有关的水利工程的安全运行、高效管理提供支撑。其中全景影像在线展示使用全景影像切片发布为在线电子底图，可与谷歌等多种在线图结合，实现多级高清在线图浏览展示。工程巡查[17-18]是由巡查人员或管理人员采用无线手持智能设备，通过无线网与数据中心联网，进行水利工程安全巡查管理，能够实现管理人员对出险部位的定位查询及相关问题信息的查询，使所报送问题的处理更为及时，包括浏览巡查人员上传的照片、声音等内容，同时电子地图提供巡查轨迹绘制功能。

3.4 政务服务

主要包括浙东引水工程信息

发布、公众服务、政务公开、建设与管理及移动服务等功能。信息发布包括工程要闻、通知公告、各地动态、工程面貌、综合信息、工作简报等；公众服务包括水利工程工情、水雨情、水量信息的发布以及公众留言、网上咨询、监督投拆等；政务公开包括机构设置、管理制度、通知公告、政策法规、招标采购等；建设与管理主要向公众发布浙江引水工程投资建设进展、运行调度等情况；同时建立水雨情、水质、流量、工情信息等的移动应用服务，供相关领导及工作人员外出期间第一时间便捷地获悉监测监控系统的各类信息。

3.5 系统维护管理

系统维护管理主要实现用户分组、用户管理、用户权限等管理，同时提供对系统内各个基本功能的使用帮助。建立一站式单点登陆机制，所有系统用户均以一次登录完成所有应用子系统的身份认证和权限分配，通过权限的设置对用户能调用的界面和相应的功能进行控制。

4 运行效果

系统建成投入运行后，实现了浙东引水各级管理机构相关信息的共享，为浙东引水工程的安全运行、统一引水调度和管理提供了有力的信息支撑，通过系统可全面、迅速、及时、准确地掌握浙东引水沿线地区水雨情信息、水污染状况、水资源配置和利用状况以及主要水利工程运行情况，为水资源调度提供了实时信息支撑和调度决策支持。

从2015年调度实践来看，浙东引水工程累计运行191 d，萧山枢纽引水3.12亿m3，三兴闸累计引水2.16亿m3，引水末端受水区慈溪市已累计受水达2.57亿m3(超过慈溪市多年平均水资源量6.4亿m3的1/3)，由于有了浙东引水的合理调度，一方面浙东平原地区的防汛防台工作主动性大大增强，区域防汛调度更加灵活和从容，引水沿线各地汛期的预排预降力度普遍加大，一改以往台汛期预排预降的矛盾心理；另一方面引水实施后，引水沿线河网水系联通，水体流动性加大，水体的自净能力和水生态修复能力逐步提高，引水沿线过水区、受水区共8个监测断面的水质自动监测数据显示， 5个断面水质变优，水质普遍提高1～2个类别，其他断面监测指标也明显改善，引水期整体水质明显提高，区域水环境持续改善。系统在水资源保障、水环境改善、防洪排涝能力提升等方面均发挥了较好的信息支撑和决策支持，有效地提高了引水沿线的水安全保障能力。

5 结 论

(1) 浙东引水调度系统从浙东引水调度的实际操作出发，依托于电子地图和GIS技术、移动互联网技术，对实时信息和各引水工程的调度运行情况进行了图、表监控监视，并对全过程进行记录，既保障了引水工程的安全运行和引水调度效益的发挥，又为后期的调度优化提供依据，为水资源精细化管理和精准调度奠定了基础。

(2) 系统具有较强的实用性，但在调度管理上还需要建立相应的管理机制来保障，才能让系统功能充分发挥，更好地为浙东引水工程的长期安全稳定运行，提高水安全保障能力提供有力支撑。

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(编辑：赵卫兵)

Design and Implementation of Scheduling Management Systemfor Water Diversion Project in East Zhejiang Province

SONG Li-song, YU Huan-fei, YAO Yun

(Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary, Hangzhou 310020,China)

The water diversion project in the east of Zhejiang province is featured with long route and complex operation management. In order to guarantee the safe and stable running and benefits of the project, we designed and developed a management system for the scheduling of the diversion project based on geological information system (GIS). The system has functions inclusive of information monitoring and management, scheduling management, project management, and administrative services. Network technology and database technology were employed for gathering and analyzing real-time monitoring information along the route. Methods of yearly superposition forecasting and dynamic correction were put forward based on time series analysis, and the workflow of scheduling was designed. The system has run stably and played a good role in the water diversion project.

water diversion project in East Zhejiang; scheduling management; information system; real time monitoring;water resources

2016-03-25；

2016-05-09

浙江省科技计划项目(2013C33033)

宋立松(1969-)，男，四川乐山人，教授级高级工程师，从事水利信息化研究，(电话)15867136671(电子信箱)slssong@sina.com。

10.11988/ckyyb.20160266

2017,34(7):126-131

TV873.1

A

1001-5485(2017)07-0126-06