长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统设计

黄瓅瑶 王汉东 吴永妍 黄会勇

摘要：

引调水工程往往线路长，节点多，监测数据量大，控制要求复杂，人工分析判读难度大。针对上述问题，构建长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统，结合监测数据、调度规程、水利专业模型，提出输水调度运行状态自动判读方法。介绍了系统设计总体框架、技术路线及系统功能，并以南水北调中线工程为例进行了应用研究。结果表明：该系统实现了中线工程输水运行状态自动判读，能进行不同工况下的输水调度运行过程模拟，可为调度人员进行状态分析判读提供重要支撑。

关键词：

引调水工程； 水量调度； 预警系统； 南水北调中线工程

中图法分类号：TV213

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.020

文章编号：1006-0081（2023）03-0111-06

0 引 言

水量调度控制是长距离引调水工程安全、高效运行的重要保障，对工程建设目标的实现具有决定性影响［1-3］。准确掌握输水调度的实时状态信息和运行趋势，是确保水量调度安全高效运行的基础和前提［4-6］。为确保工程安全运行，引调水工程调度规程对引调水工程控制建筑物及工程重点部位的水位、流量等提出了明确的运行要求。调度人员需要根据实时监测数据来判断当前输水调度状态是否满足安全运行要求。对于大型引调水工程来说，由于输水路线长，控制节点多，数据采集频率高，监测数据量非常大。以南水北调中线工程为例，全线有64座节制闸、97座分水口、54座退水闸，按5 min的数据采集频率，24 h会产生61 920条流量监测数据，80 352条水位监测数据，以及机电设备运行工况监测数据等［7-8］。另外，引调水工程控制节点之间往往具有关联性，某一节点的状态可能会影响到上下游多个节点，调度人员无法直观分析和判断运行状态的变化趋势，其不仅需要获取当前的输水调度状态，还需要准确地判断其变化趋势，以帮助其采取科学的调度控制措施［6］。

针对上述输水调度状态人工判读工作量大、效率低、变化趋势难以预测等问题，本文结合数据分析技术和水利专业模型，提出引调水工程输水调度状态分析方法，并构建长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统。整合引调水工程基础数据、调度规程、输水运行监测数据以及机电设备运行工况数据，构建输水调度状态分析综合数据库［9］；通过数据分析自动判读输水状态，构建水力学模型进行调度运行过程模拟计算，实现输水调度过程模拟，根据模拟计算结果预测调度运行状态变化趋势，并对当前状态判读结果进行修正；构建输水调度状态分级评价模型，结合监测数据、模拟计算结果，对输水调度状态进行分级，生成输水调度运行状态预警信息；构建基于GIS的输水调度可视化场景，直观展示输水调度状态信息，实现交互式信息查询。系统实现了输水调度状态判读与预警、输水调度过程模拟、信息查询与展示等功能。本文阐述了系统设计总体框架、技术路线及系统功能，并以南水北调中线一期工程水量调度为例进行了应用研究。

1 系統总体设计

1.1 输水调度状态判断流程

引调水工程控制建筑物及工程重点部位的水位流量实时监测数据反映了工程调度运行的真实状态，调度人员通过对监测数据进行分析，判断当前调度运行状态及调度控制是否符合调度规程要求。为了避免频繁、过度甚至错误操作闸门，调度人员还需要对调度状态的变化趋势进行预判，这主要依靠调度人员丰富的调度经验。将信息技术与调度业务深度融合，通过水利专业模型和数据分析，可以模拟调度过程，辅助调度人员进行状态判断和变化趋势预测。输水调度状态判读及预警信息生成的技术路线见图1。

1.2 总体框架

长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统基于GIS平台构建输水调度运行状态可视化展示环境，整合引调水工程基础设计数据、输水调度状态监测数据、机电设备运行工况监测数据、调度规程、水利空间数据；结合水动力学模型，实现了输水调度状态的判读与告警、输水调度状态变化趋势预测、输水调度状态预警、输水调度状态信息可视化展示等功能。系统采用分层设计的思想，自底向上依次为数据层、模型层、应用层。数据层实现数据的汇聚，提供数据支撑服务；模型层整合专业模型、调度规则，实现对输水调度状态的判读与预警；应用层提供调度人员交互，实现调度运行状态分析判读、变化趋势预测、信息展示与查询等功能。系统总体框架见图2。

2 关键技术

2.1 输水调度状态分析综合数据库

输水调度状态判读需要根据实时监测数据、工程基础设计数据、调度规程相关要求等来进行综合分析。输水调度状态分析综合数据库可分为监测数据、基础数据库、调度规程数据库，其数据主要包括：引调水工程控制建筑物及工程重点部位的水位流量实时监测数据、闸门启闭机电设备工况监测数据、引调水工程基础设计数据、引调水工程调度规程、水利空间数据等。工程设计数据、调度规程、水利空间数据属于静态数据，变动更新频率低，整理入库即可；水位流量监测数据、机电设备闸门工况监测数据属于实时数据，需要动态采集实时更新。输水调度状态分析综合数据库见图3。

2.2 水力学模拟模型

恒定流水面线通过下式（能量方程）计算：

Z1+Y1+α1μ212g=Z2+Y2+α2μ222g+hw（1）

式中：Z1为上游计算断面渠底高程；Z2为下游计算断面水位；Y1为上游计算断面水深；Y2为下游计算断面水深；μ1为上游计算断面平均流速；μ2为下游计算断面平均流速；α1，α2为动能修正系数，一般情况下可令α1=α2=1；hw为水头损失；g为重力加速度。明渠非恒定流过程可用Saint-Venant方程组来描述，方程组如下：

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

式中：Q为流量；F为过水断面面积；μ为流速；Z为水位；c为均匀流公式中的谢才系数；R为湿周；q为单位长渠段上分出的流量；μqx为q在渠道水流方向上的流速分量；t为时间；x为断面的距离坐标。

针对弧形闸门，节制闸过闸流量可采用下式计算：

Q=σmεbe 2gh（3）

式中：Q为过闸流量；σ为淹没系数；m为流量系数；e为闸孔开度；b为闸孔宽度；ε为侧收缩系数；h为闸门上下游水位差。

将非恒定流方程和节制闸过闸流量方程进行联合求解，实现对输水调度状态动态过程模拟。

2.3 输水调度状态判读与预警

首先，根据水位、流量、开度、闸门启闭机电设备运行工况等监测数据，以工程调度规程作为约束条件，实现输水调度状态判读，并生成输水调度状态告警信息；其次，以当前时刻的输水调度状态作为初始条件，通过水力学模型进行输水调度动态过程模擬计算，生成未来一段时间内输水调度状态变化趋势；最后，根据模拟计算结果，并结合当前时刻的输水调度状态，对输水调度状态判读结果进行修正，并生成输水调度状态预警信息。

输水调度状态信息主要包括渠段输水流量状态信息、渠段输水流量变幅信息、渠段水位状态信息、渠段水位降速状态信息、分水口流量状态信息等，调度规则给出了在不同工况下确保工程安全运行的水位、流量等一系列约束条件。根据输水调度状态信息和工程调度规则，构建输水调度状态评价模型，将状态信息的定量数值转化为定性的状态等级划分，分为安全、预警、警戒3种状态等级，并分别用绿色、橙色、红色表示，使输水调度状态信息展示更加直观。

2.3.1 渠段输水流量状态信息

设渠段的实测流量为Flowc，渠段加大流量为MaxFlow，流量增加量为Δflow，不同流量状态的判断条件见表1。

2.3.2 渠段水量变幅信息

渠段上游节制闸的过闸流量是该渠段的入渠流量，下游节制闸的过闸流量是该渠段的出渠流量，当入渠流量小于出渠流量时，其实是利用渠段调蓄能力进行供水。入渠水量与出渠水量之差应满足渠段内水位降速要求。设入渠水量为Qin，出渠水量为Qout，实际供水量为Qs，则渠段水量变化量Qd=Qin-（Qout + Qs）。当Qd＞0时，表明渠段水位上升；当Qd＜0时，表明渠段水位下降。取QD=|Qd|，则QD＞0。设某一水位条件下，达到允许的最大水位降速时对应的渠段水量差为Qmax，给定水量变化量ΔQ，渠段水量变化等级划分见表2。

2.3.3 渠段水位状态信息

节制闸特征水位包括目标水位、设计水位、加大水位、目标水位上限、目标水位下限等，各特征水位示意见图4。正常输水调度状态下渠段的水位应在目标水位附近，根据调度规程，渠段水位不能高于加大水位，也不能低于目标水位下限。

设渠段实时水位为WLc，加大水位为WLmax，目标水位上限为WLtup，目标水位下限为WLtdown，给定水位变化量Δwl，Δwl＞0，渠段水位状态等级划分见表3。

2.3.4 渠段水位降速状态信息

渠段水位降速应低于调度规程允许的降速阈值，包括日最大降速和小时最大降速，设实测日渠段水位降速为SWLd，实测小时渠段水位降速为SWLh，调度规程所允许的最大日水位降幅为TWLd，最大小时水位降幅为TWLh，给定日水位降幅增量为Δwld，小时水位降幅增量为Δwlh，Δwld＞0，Δwlh＞0，则渠段水位降速状态信息可按表4划分等级。

2.3.5 分水口流量状态信息

各分水口的分水流量不应大于其设计流量，设分水口的设计流量QF，实测分水流量为Qf，给定分水口流量增量Δq，Δq≥0，分水口分水流量状态等级划分见表5。

输水调度状态是动态变化的，调度人员在采取调度控制措施时，首先要考虑当前的运行状态，同时还需要结合运行状态的变化趋势，只有这样才能采取最合适调度控制措施。例如，如果当前状态为预警状态，但是经过Δt后的状态为安全状态，调度人员就不必急于采取调控措施进行干预，因为根据运行趋势，会自动调整为安全状态；相反，如果当前状态为安全状态，但是经过Δt后的状态为预警状态或警戒状态，则应该提前进行干预，不应等经过Δt时间后再采取措施。

通过实时监测数据判读得到各类状态信息后，设定一个时段Δt，通过水力学模型模拟计算Δt时段内的输水调度状态动态变化过程，对经过Δt后的输水调度状态进行状态判读，按表6对状态信息进行修正。

3 应用实例

南水北调中线工程线路长，节点多，调度控制要求复杂。基于GIS平台构建输水调度运行状态信息可视化场景［10-12］，构建南水北调中线工程输水调度状态分析综合数据库，其中监测数据通过数据服务接口从闸站监控系统中接入，监测数据获取流程及调度运行规则库数据见图5～6。

构建南水北调中线工程水力学模型，以监测数据作为模型初始条件、以工程设计数据、运行规则库作为模型约束边界条件，进行模拟计算，从而得到输水状态的变化趋势，见图7。

根据输水状态综合数据库，调度人员可以对中线工程沿线输水状态进行初步直观判断，进一步结合水力学模型模拟计算结果，对输水状态进行修正，避免过于频繁调整闸门开度，修正的结果可以直接体现在调度指令中，调度指令及状态显示见图8。

4 结 语

本文通过建立输水调度状态分析综合数据库，构建水利专业模型，实现了输水调度运行状态自动判读、输水调度运行过程模拟计算、输水调度运行状态变化趋势预测及预警信息生成，并以可视化方式直观展示输水调度状态信息。本文构建的输水调度运行状态分析及预警系统大大减轻了调度人员人工判读输水调度状态的工作量，提高了工作效率，为调度人员制定科学、精准的调度控制方案提供了技术支撑。

参考文献：

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（編辑：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

基金项目：

国家重点研发计划项目（2021YFC3200305）

作者简介：

黄瓅瑶，女，工程师，硕士，主要从事水利信息化应用研究工作。E-mail：huangliyao@cjwsjy.com.cn