長距離引調水工程輸水調度狀態分析及預警系統設計

黃瓅瑤 王漢東 吳永妍 黃會勇

摘要：

引調水工程往往線路長，節點多，監測數據量大，控制要求復雜，人工分析判讀難度大。針對上述問題，構建長距離引調水工程輸水調度狀態分析及預警系統，結合監測數據、調度規程、水利專業模型，提出輸水調度運行狀態自動判讀方法。介紹了系統設計總體框架、技術路線及系統功能，并以南水北調中線工程為例進行了應用研究。結果表明：該系統實現了中線工程輸水運行狀態自動判讀，能進行不同工況下的輸水調度運行過程模擬，可為調度人員進行狀態分析判讀提供重要支撐。

關鍵詞：

引調水工程； 水量調度； 預警系統； 南水北調中線工程

中圖法分類號：TV213

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.020

文章編號：1006-0081（2023）03-0111-06

0 引 言

水量調度控制是長距離引調水工程安全、高效運行的重要保障，對工程建設目標的實現具有決定性影響［1-3］。準確掌握輸水調度的實時狀態信息和運行趨勢，是確保水量調度安全高效運行的基礎和前提［4-6］。為確保工程安全運行，引調水工程調度規程對引調水工程控制建筑物及工程重點部位的水位、流量等提出了明確的運行要求。調度人員需要根據實時監測數據來判斷當前輸水調度狀態是否滿足安全運行要求。對于大型引調水工程來說，由于輸水路線長，控制節點多，數據采集頻率高，監測數據量非常大。以南水北調中線工程為例，全線有64座節制閘、97座分水口、54座退水閘，按5 min的數據采集頻率，24 h會產生61 920條流量監測數據，80 352條水位監測數據，以及機電設備運行工況監測數據等［7-8］。另外，引調水工程控制節點之間往往具有關聯性，某一節點的狀態可能會影響到上下游多個節點，調度人員無法直觀分析和判斷運行狀態的變化趨勢，其不僅需要獲取當前的輸水調度狀態，還需要準確地判斷其變化趨勢，以幫助其采取科學的調度控制措施［6］。

針對上述輸水調度狀態人工判讀工作量大、效率低、變化趨勢難以預測等問題，本文結合數據分析技術和水利專業模型，提出引調水工程輸水調度狀態分析方法，并構建長距離引調水工程輸水調度狀態分析及預警系統。整合引調水工程基礎數據、調度規程、輸水運行監測數據以及機電設備運行工況數據，構建輸水調度狀態分析綜合數據庫［9］；通過數據分析自動判讀輸水狀態，構建水力學模型進行調度運行過程模擬計算，實現輸水調度過程模擬，根據模擬計算結果預測調度運行狀態變化趨勢，并對當前狀態判讀結果進行修正；構建輸水調度狀態分級評價模型，結合監測數據、模擬計算結果，對輸水調度狀態進行分級，生成輸水調度運行狀態預警信息；構建基于GIS的輸水調度可視化場景，直觀展示輸水調度狀態信息，實現交互式信息查詢。系統實現了輸水調度狀態判讀與預警、輸水調度過程模擬、信息查詢與展示等功能。本文闡述了系統設計總體框架、技術路線及系統功能，并以南水北調中線一期工程水量調度為例進行了應用研究。

1 系統總體設計

1.1 輸水調度狀態判斷流程

引調水工程控制建筑物及工程重點部位的水位流量實時監測數據反映了工程調度運行的真實狀態，調度人員通過對監測數據進行分析，判斷當前調度運行狀態及調度控制是否符合調度規程要求。為了避免頻繁、過度甚至錯誤操作閘門，調度人員還需要對調度狀態的變化趨勢進行預判，這主要依靠調度人員豐富的調度經驗。將信息技術與調度業務深度融合，通過水利專業模型和數據分析，可以模擬調度過程，輔助調度人員進行狀態判斷和變化趨勢預測。輸水調度狀態判讀及預警信息生成的技術路線見圖1。

1.2 總體框架

長距離引調水工程輸水調度狀態分析及預警系統基于GIS平臺構建輸水調度運行狀態可視化展示環境，整合引調水工程基礎設計數據、輸水調度狀態監測數據、機電設備運行工況監測數據、調度規程、水利空間數據；結合水動力學模型，實現了輸水調度狀態的判讀與告警、輸水調度狀態變化趨勢預測、輸水調度狀態預警、輸水調度狀態信息可視化展示等功能。系統采用分層設計的思想，自底向上依次為數據層、模型層、應用層。數據層實現數據的匯聚，提供數據支撐服務；模型層整合專業模型、調度規則，實現對輸水調度狀態的判讀與預警；應用層提供調度人員交互，實現調度運行狀態分析判讀、變化趨勢預測、信息展示與查詢等功能。系統總體框架見圖2。

2 關鍵技術

2.1 輸水調度狀態分析綜合數據庫

輸水調度狀態判讀需要根據實時監測數據、工程基礎設計數據、調度規程相關要求等來進行綜合分析。輸水調度狀態分析綜合數據庫可分為監測數據、基礎數據庫、調度規程數據庫，其數據主要包括：引調水工程控制建筑物及工程重點部位的水位流量實時監測數據、閘門啟閉機電設備工況監測數據、引調水工程基礎設計數據、引調水工程調度規程、水利空間數據等。工程設計數據、調度規程、水利空間數據屬于靜態數據，變動更新頻率低，整理入庫即可；水位流量監測數據、機電設備閘門工況監測數據屬于實時數據，需要動態采集實時更新。輸水調度狀態分析綜合數據庫見圖3。

2.2 水力學模擬模型

恒定流水面線通過下式（能量方程）計算：

Z1+Y1+α1μ212g=Z2+Y2+α2μ222g+hw（1）

式中：Z1為上游計算斷面渠底高程；Z2為下游計算斷面水位；Y1為上游計算斷面水深；Y2為下游計算斷面水深；μ1為上游計算斷面平均流速；μ2為下游計算斷面平均流速；α1，α2為動能修正系數，一般情況下可令α1=α2=1；hw為水頭損失；g為重力加速度。明渠非恒定流過程可用Saint-Venant方程組來描述，方程組如下：

Qx+Ft+q=0－Zx=μ|μ|c2R+μgμx+1gμt－qgF（2μ－μqx）（2）

式中：Q為流量；F為過水斷面面積；μ為流速；Z為水位；c為均勻流公式中的謝才系數；R為濕周；q為單位長渠段上分出的流量；μqx為q在渠道水流方向上的流速分量；t為時間；x為斷面的距離坐標。

針對弧形閘門，節制閘過閘流量可采用下式計算：

Q=σmεbe 2gh（3）

式中：Q為過閘流量；σ為淹沒系數；m為流量系數；e為閘孔開度；b為閘孔寬度；ε為側收縮系數；h為閘門上下游水位差。

將非恒定流方程和節制閘過閘流量方程進行聯合求解，實現對輸水調度狀態動態過程模擬。

2.3 輸水調度狀態判讀與預警

首先，根據水位、流量、開度、閘門啟閉機電設備運行工況等監測數據，以工程調度規程作為約束條件，實現輸水調度狀態判讀，并生成輸水調度狀態告警信息；其次，以當前時刻的輸水調度狀態作為初始條件，通過水力學模型進行輸水調度動態過程模擬計算，生成未來一段時間內輸水調度狀態變化趨勢；最后，根據模擬計算結果，并結合當前時刻的輸水調度狀態，對輸水調度狀態判讀結果進行修正，并生成輸水調度狀態預警信息。

輸水調度狀態信息主要包括渠段輸水流量狀態信息、渠段輸水流量變幅信息、渠段水位狀態信息、渠段水位降速狀態信息、分水口流量狀態信息等，調度規則給出了在不同工況下確保工程安全運行的水位、流量等一系列約束條件。根據輸水調度狀態信息和工程調度規則，構建輸水調度狀態評價模型，將狀態信息的定量數值轉化為定性的狀態等級劃分，分為安全、預警、警戒3種狀態等級，并分別用綠色、橙色、紅色表示，使輸水調度狀態信息展示更加直觀。

2.3.1 渠段輸水流量狀態信息

設渠段的實測流量為Flowc，渠段加大流量為MaxFlow，流量增加量為Δflow，不同流量狀態的判斷條件見表1。

2.3.2 渠段水量變幅信息

渠段上游節制閘的過閘流量是該渠段的入渠流量，下游節制閘的過閘流量是該渠段的出渠流量，當入渠流量小于出渠流量時，其實是利用渠段調蓄能力進行供水。入渠水量與出渠水量之差應滿足渠段內水位降速要求。設入渠水量為Qin，出渠水量為Qout，實際供水量為Qs，則渠段水量變化量Qd=Qin-（Qout + Qs）。當Qd＞0時，表明渠段水位上升；當Qd＜0時，表明渠段水位下降。取QD=|Qd|，則QD＞0。設某一水位條件下，達到允許的最大水位降速時對應的渠段水量差為Qmax，給定水量變化量ΔQ，渠段水量變化等級劃分見表2。

2.3.3 渠段水位狀態信息

節制閘特征水位包括目標水位、設計水位、加大水位、目標水位上限、目標水位下限等，各特征水位示意見圖4。正常輸水調度狀態下渠段的水位應在目標水位附近，根據調度規程，渠段水位不能高于加大水位，也不能低于目標水位下限。

設渠段實時水位為WLc，加大水位為WLmax，目標水位上限為WLtup，目標水位下限為WLtdown，給定水位變化量Δwl，Δwl＞0，渠段水位狀態等級劃分見表3。

2.3.4 渠段水位降速狀態信息

渠段水位降速應低于調度規程允許的降速閾值，包括日最大降速和小時最大降速，設實測日渠段水位降速為SWLd，實測小時渠段水位降速為SWLh，調度規程所允許的最大日水位降幅為TWLd，最大小時水位降幅為TWLh，給定日水位降幅增量為Δwld，小時水位降幅增量為Δwlh，Δwld＞0，Δwlh＞0，則渠段水位降速狀態信息可按表4劃分等級。

2.3.5 分水口流量狀態信息

各分水口的分水流量不應大于其設計流量，設分水口的設計流量QF，實測分水流量為Qf，給定分水口流量增量Δq，Δq≥0，分水口分水流量狀態等級劃分見表5。

輸水調度狀態是動態變化的，調度人員在采取調度控制措施時，首先要考慮當前的運行狀態，同時還需要結合運行狀態的變化趨勢，只有這樣才能采取最合適調度控制措施。例如，如果當前狀態為預警狀態，但是經過Δt后的狀態為安全狀態，調度人員就不必急于采取調控措施進行干預，因為根據運行趨勢，會自動調整為安全狀態；相反，如果當前狀態為安全狀態，但是經過Δt后的狀態為預警狀態或警戒狀態，則應該提前進行干預，不應等經過Δt時間后再采取措施。

通過實時監測數據判讀得到各類狀態信息后，設定一個時段Δt，通過水力學模型模擬計算Δt時段內的輸水調度狀態動態變化過程，對經過Δt后的輸水調度狀態進行狀態判讀，按表6對狀態信息進行修正。

3 應用實例

南水北調中線工程線路長，節點多，調度控制要求復雜?；贕IS平臺構建輸水調度運行狀態信息可視化場景［10-12］，構建南水北調中線工程輸水調度狀態分析綜合數據庫，其中監測數據通過數據服務接口從閘站監控系統中接入，監測數據獲取流程及調度運行規則庫數據見圖5～6。

構建南水北調中線工程水力學模型，以監測數據作為模型初始條件、以工程設計數據、運行規則庫作為模型約束邊界條件，進行模擬計算，從而得到輸水狀態的變化趨勢，見圖7。

根據輸水狀態綜合數據庫，調度人員可以對中線工程沿線輸水狀態進行初步直觀判斷，進一步結合水力學模型模擬計算結果，對輸水狀態進行修正，避免過于頻繁調整閘門開度，修正的結果可以直接體現在調度指令中，調度指令及狀態顯示見圖8。

4 結 語

本文通過建立輸水調度狀態分析綜合數據庫，構建水利專業模型，實現了輸水調度運行狀態自動判讀、輸水調度運行過程模擬計算、輸水調度運行狀態變化趨勢預測及預警信息生成，并以可視化方式直觀展示輸水調度狀態信息。本文構建的輸水調度運行狀態分析及預警系統大大減輕了調度人員人工判讀輸水調度狀態的工作量，提高了工作效率，為調度人員制定科學、精準的調度控制方案提供了技術支撐。

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（編輯：江 文）

State analysis and early warning system design for water conveyance dispatch of long-distance water diversion project

HUANG Liyao1，2，WANG Handong1，2，WU Yongyan1，HUANG Huiyong1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research? Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 2.Key Laboratory of Internet plus Smart Water，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）Abstract：

Water diversion projects often have long lines，many nodes，large amount of monitoring data，complex control requirements，and difficult manual analysis and interpretation.In view of the above problems，this paper proposed to build a water conveyance and dispatching state analysis and early warning system for long-distance water diversion and transfer projects.Combined with the monitoring data，dispatching regulations and water conservancy professional models，it proposed to automatically interpret the operation state of water conveyance and dispatching.The overall framework，technical route and system functions of the system design were described，and an application study was carried out with the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project as an example.The results showed that the system realized the automatic interpretation of the water conveyance operation state of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project.Also，the system could simulate the water conveyance dispatching operation process under different working conditions，and provide important support for the dispatcher to carry out state analysis and interpretation.

Key words：

water diversion project；water resource regulation；warning system；Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

收稿日期：

2022-08-10

基金項目：

國家重點研發計劃項目（2021YFC3200305）

作者簡介：

黃瓅瑤，女，工程師，碩士，主要從事水利信息化應用研究工作。E-mail：huangliyao@cjwsjy.com.cn