白溪水库调度辅助系统的设计

2018-02-05张学功潘佐华项小平秦玲玲谢敏辉

浙江水利科技 2018年1期

张学功，潘佐华，项小平，秦玲玲，谢敏辉

（宁波市白溪水库管理局，浙江宁海 315606）

1 问题的提出

当前，城市建设、社会经济活动和人民生活水平快速发展，社会水资源供需矛盾日益突出，相应地对水资源开发利用及管理提出更高的要求。白溪水库是宁波市水资源开发利用工作最前沿、最重要的一项工程措施，对其进行科学调度运用，极大地挖掘现有水资源潜力，是水库工程管理者的必然选择。然而，由高校和科研单位开发研制的白溪水库调度决策自动化系统多为“体积”较大、结构通用、功能全面但复杂的软件系统，缺乏针对性，表现为软件功能设置与水库工程管理单位对调度管理工作的需求不匹配。为此，张学功曾经开发一款基于Excel的水库调度决策辅助系统[1]，这款小软件投入应用后满足白溪水库调度运行中的部分功能需求，效果较好。但随着时间的推移，这款软件的缺点也逐渐显现，主要表现为数据存储不安全、软件结构设计不甚合理、多种不同规则的调洪验算方法在Excel中应用不稳定、软件功能设定和代码容易被破坏等。

因此，从白溪水库调度运行实际需要出发，利用面向对象的VB编程语言和Microsoft SQL Server数据库管理系统设计一款C/S架构的白溪水库调度辅助系统，实现水库上游降水产流预估、兴利调度方案分析、防洪调度模拟分析与决策制定、工程管理信息录入/查询、水利工程计算器及水库调度工作所需的其他辅助功能的高效运行与管理。

2 关键技术

（1）系统数据库设计。主要考虑水库工程特性、水文历史数据及各功能模块需要等。

（2）预估预报模型和洪水模拟。预估预报分析主要是针对降水产流预估设计，选择简单实用的降水产流方法，并给出可参考的误差分析结果；洪水模拟主要考虑洪水量对水库的影响，以洪水量为依据模拟可能面临的洪水。可选择降雨径流相关预报（P — Pa — Rs三变量分析）模型、蓄满产流模型、经验径流系数法等简单、实用并有一定精度的预估预报分析模型。

（3）防洪调度模型。根据决策者不同的决策目标和偏好，分别设计规则模式、水位控制模式、流量控制模式和指令模式等多种调度分析模型。

（4）兴利调度模型。当前中长期预报技术和预报成果还不能满足生产生活需要，因此考虑采用不同时间尺度的长系列调节计算法作为系统应用模型。另外，研发水库长期优化调度方案[2]，供决策参考。

（5）系统可扩展性和可移植性处理方法。精心设计数据库表结构，使系统能适应复杂环境的变化。利用面向对象技术，实现模型和功能的扩展。

3 系统设计

3.1 系统结构设计

系统各个模块的开发均是围绕数据库进行，通过对整个系统的分解和调度决策流程设计，系统结构组成见图1。

图1 系统结构组成图

3.2 系统功能设计

系统主要有系统管理、信息管理、预估预报分析、兴利调度分析、防洪调度分析、辅助查询计算等6项功能。

（1）系统管理。包括系统简介、数据库连接等功能。通过系统简介，让用户对系统架构及功能设置有一个整体认识。数据库连接功能是方便用户在不同的电脑上使用时，快速地设置数据源连接信息，搭建后台数据库与前台应用间的沟通渠道。

（2）信息管理。针对工程特性、调度运用数据、历史水文数据及工程管理文档等大量的历史积累信息，进行科学地库表设计存储，设置方便的汇总/查询/录入管理窗口。

（3）预估预报分析。根据流域水文特征和雨情数据，设置“（三层）蓄满产流模式”和“径流系数法估计”2个模型，实现逐日降水产流预估预报，根据给定的初始条件（初始库水位、预报误差限、上游工程蓄水情况等）初步分析次洪水过后水库水位的变化特征。

作业人员可根据设定的（逐日）暴雨方案或（逐日）气象预报成果进行过程（或逐日）降水产流量分析，成果可应用于防洪调度分析模块中的洪水模拟部分（类似于工程水文中的洪水设计作业，本系统采用对选定的典型洪水过程按洪水量同倍比缩放得到模拟洪水成果）。作业人员在总结分析历史作业误差的基础上，可根据经验估计面临阶段作业成果的可能误差范围，从而进一步修正模块的输出成果。成果以表格形式展示，可保存、汇总、打印、导出等。

（4）兴利调度分析。根据工程管理需要和长期调度方案研究成果，考虑设计指令调度模式（采用传统的长系列时历法调节计算，时段可分为月、旬，计算周期可以是旬、月或更长）、常规调度模式（设计调度方案）、优化调度模式（优化调度图、优化调度函数）3种调度分析方案，为用户提供兴利调度决策辅助分析。成果以表格形式展示，可实现汇总、统计和打印、导出等。

（5）防洪调度分析。主要是预置预泄调度方案、模拟分析及指令翻译。预置预泄调度方案是根据面临雨水情和控泄量等初始条件快速预置预泄调度方案，可给定不同的时段长度，进行详细的预泄调度过程的模拟，通常时段长度越小，计算结果（库水位变化过程、出库流量变化等）越准确。模拟分析是根据气象预报和相应产流分析成果，通过对选定的历史洪水过程线进行洪水量倍比缩放和一定的手动修正，得到一条可供分析利用的模拟洪水过程线，再对得到的模拟洪水过程线开展多方案（模式）模拟调度分析，掌握面临不同情况（主要是不同雨量、洪水类型、洪水规模）的水库调洪控制指标，供实时调度阶段决策参考。指令翻译实现实时决策翻译功能。

系统提供部分设置、修改功能，可供用户根据面临实际情况和经验，对直接得到的模拟洪水成果进行干预修正，以尽可能接近面临阶段的实际情况。成果以表格、图形方式在窗口展示，可实现多个中间方案的临时存储、查询、汇总、统计和打印、输出等功能。

（6）辅助功能。主要与水库调度工作相关的一些文档和信息的查询、工程参数计算和汇总及系统使用帮助等。

3.3 系统流程设计

系统功能的定位决定了系统信息流程，主要是各个模块与数据库的双向信息流通（见图1）。系统应用流程主要是各功能模块的应用逻辑流程（见图2）。

图2 系统应用流程图

3.4 系统运行环境

应用平台操作系统采用Windows xp及更高版本；数据库采用MS - SQL Server 2000及高版本或其他支持ODBC标准的网络数据库。计算机硬件选用当前主流配置。

4 应用分析

双击应用程序的桌面图标或在安装目录下双击“白溪水库调度辅助系统.exe”，可启动应用程序，进入系统主界面。如果安装时未提前设置数据库连接，则首次启动程序时会自动弹出数据源配置窗口，要求配置相关信息。

进入系统后，窗口上部分别有系统管理、预估预报、兴利调度、防洪调度、信息查询、信息导入、工具和帮助8个主菜单，每个主菜单又设置相应的功能子菜单。

本系统的研发持续多年，功能上也是逐步完善，并在白溪水库的调度运行中予以应用。从应用情况分析，降水产流预估预报、防洪调度分析等功能均可满足实际工作需要。

4.1 预估预报

通过对白溪水库建库以来的28场洪水反演计算分析，降水产流预估预报的计算误差基本在±15%以内，考虑到计算时段较长（以日为单位，逐日计算）、无校正纠偏、应用上主要是进行暴雨洪水影响前的形势分析等因素，其成果误差基本能满足工作需要。28场洪水降水产流预估预报作业误差分布情况见表1。

表1 降水产流预估预报作业误差分布情况表

4.2 防洪调度

在“预泄分析”窗口可分析给定条件（面临时刻库水位、后期调度决策等）下的水库预泄调度方案（库水位变化过程线、出库流量过程线等），成果以表格和图形的方式展现。从实际应用角度考虑，窗口提供定流量预泄和定开度预泄2种调度模式，方便用户选择（见图3）。

在2012年8月上旬的“海葵”台风影响前，8月5日晚，上级防指部门指示白溪水库在8月6日午后开闸预泄后于7日8时将库水位预泄至162.00 m。5日晚水库技术人员应用本系统“预泄分析”功能反复验算后，确定在上级防指要求的控泄指标下，7日8时库水位理论上只能降至162.40 m。后水库按上级防指调度决策执行，7日实际库水位降至162.46 m，与之前的理论计算值基本一致。

在“模拟分析”窗口可实现生成模拟洪水过程线和针对模拟洪水过程线开展多模式、多方案的防洪调度方案模拟分析（见图4）。窗口也设置了部分右键辅助功能，如对表格的插入/删除行操作、数据修正、成果导出等。