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黄河水量调度管理系统(一期)建设与应用

    责任编辑:杨雪 来源:

    一、成果产生背景

  项目由来

  为缓解黄河水资源供需矛盾和黄河下游日趋严重的断流局面,经国务院批准,1998年12月,国家计委、水利部联合颁布实施了《黄河可供水量年度分配及干流水量调度方案》和《黄河水量调度管理办法》(计地区〔1998〕2520号),授权黄河水利委员会(以下简称“黄委”)统一调度黄河水量。

  统一调度以来,经有关各方共同努力,黄河实现了连续六年枯水年份不断流,取得了巨大的经济、社会和生态环境效益。然而黄河水量调度开始时,无论是工作方式,还是技术手段都非常落后,主要依靠行政手段和各级水调人员艰苦奋斗开展工作,断流威胁时刻存在。为促进黄河水量调度现代化,提高防断流能力,2000年初黄委组织编制了《黄河水量调度管理系统建设项目建议书》(以下简称《项目建议书》),2001年2月水利部水规总院组织审查。按照项目要求,系统建设时间为三年,周期较长,考虑到项目从立项到批准建设,还需要一个过程,为尽快改变黄河水量调度手段落后的局面,根据“急用先建,分步实施”原则,首先开展了黄河水量调度管理系统应急实施方案项目建设(以下简称“一期工程”)。

  系统建设的必要性

  黄河水量调度管理关系到城市生活和工业供水、农业灌溉、发电、防洪防凌、下游减淤和生态环境等多方面问题,涉及上下游、左右岸、地区、部门之间的多方面利益,情况复杂,技术性、时效性和政策性强,工作难度大。随着水量调度工作的逐步深入,迫切需要应用现代科技手段,实现黄河水量的优化配置。为此,需要尽快建设黄河水量调度管理系统

  (1)完成流域水量调度任务的需要

  根据国务院的授权,按照《黄河可供水量年度分配及干流水量调度方案》和《黄河水量调度管理办法》,协调上下游和地区间的用水矛盾,避免流域水环境生态的进一步恶化,是黄河水利委员会实施黄河全河的水量统一调度的首要任务。但如上所述,随着水资源的减少和用水需求的增加,只有而且必须大力加强管理措施,并迅速提高相适应的水量调度管理的技术水平,才能科学配置水资源,提高水资源利用的长期效益,有效改善流域水生态环境,保持流域经济的可持续发展。

  (2)提高调度决策水平的需要

  科学的管理和决策则必须有一套先进、实用、可靠、高效的现代化辅助决策支持系统,以应对更复杂的管理。而目前黄河水量调度多数是凭经验、拍脑袋,采用的计算方法很简单,手段彼此孤立,尚没有形成一套集信息采集、水文测报预报、方案自动生成、运行远程监视(控)、业务自动处理、通信联系、调度管理和决策指挥、计算机网络等于一体水量调度管理系统,到现在为止,不要说三维计算模型,连一个正式的一维非恒定流水量调度的计算模型都没有,更不要说有多目标的模型。随着水资源供需矛盾的日益尖锐,黄河水量调度管理与决策的多目标性将愈来愈被关注。因此,迫切需要开发完成水量调度模型库和黄河水量调度决策支持系统,建立综合的决策支持和虚拟环境,对黄河水量调度科学管理和决策进行模拟、分析和研究,提供领导决策支持,以提高水量调度的管理和决策水平。

  (3)增强时效性和快速反应能力的需要

  水文气象和用水信息的快速采集是水量调度决策的前提和基础。因此,准确、快捷地采集水文、气象、引退水、旱情、滩区和工程用水、水质等信息是做好黄河水量调度工作的前提。而目前由于采集和传输手段落后,很多需要的信息不能及时获取,给水量调度决策带来了被动。如:引水口和下游涵闸引水信息是进行河段配水的最基本的信息,作为调度人员每天都需要了解掌握,以分析、判断未来几天河道水情和各地执行调度指令的情况,但是,目前的情况是:下游两省河务局每天8时人工施测(或推流)一次,通过网络或传真上报,由于给的是瞬时引水流量,不能分析判断出一日的情况;而上、中游各省(区)则更次,受传输和体制的限制,引水信息一个月才能报上来一次,每天引水是否按计划执行,无从掌握,多引的水无法及时扣除,严重影响了水量调度的决策。通过黄河水量调度管理系统信息采集系统的建设,利用遥测、遥感和地理信息系统等先进技术来改造传统的信息采集和传输处理手段,提高信息采集的时效性和快速反应能力,可以增强水量调度的主动性和科学决策的水平。

  国内外研究现状

  大尺度水资源配置方面的研究国内外都比较丰富,如加拿大水资源管理模型(WRMM)和荷兰流域水资源配置模型(rBASIN),以及我国的华北水资源决策支持系统研究和黄河水资源规划决策支持系统研究等。这些模型或系统主要服务于流域或区域水资源规划管理,还不属于大尺度水量调度系统。

  从文献上看, 目前国内外大尺度水量调度系统还不多见。其主要原因,一是水资源短缺问题也是近二十年来才受到社会关注,水量统一调度需求逐步增加;二是水量统一调度不仅仅是技术问题,在很大程度上还受制于管理体制。

  近年来,我国在水量调度管理系统研究方面取得不少成绩,尤以黄河为研究热点。其中最为代表的有两个:

  (1)黄河三门峡以下非汛期水量调度决策支持系统

  1996~2000年,黄委会完成了“黄河三门峡以下非汛期水量调度系统研究”,该项目为世界银行贷款项目,是小浪底水库建设的配套项目,旨在研究小浪底水库建成生效后黄河三门峡以下河段水资源的合理配置问题。模型系统包括需水分析模型、径流预报模型和水量调度模型,其中水量调度模型又分为三门峡-小浪底水库联合调度模型和三门峡以下河段配水模型。水库调度采用多目标求解的分层序列法建立等级优化调度模型,目标函数的优先级依次为防凌和生态用水、供水和灌溉目标,最后是发电目标。模型求解采用全局快速寻优和增量动态规划相结合的方法。水库调度负责在时间上分配水资源,河段配水则在空间上进行水资源的再分配,这种水库调度与河段配水相分离的水量调度结构体系便于总量控制和用户之间协调,从而使国务院的分水方案落到实处。黄河三门峡以下非汛期水量调度决策支持系统为黄河水量实时分配和调度奠定了技术基础,但其研究范围仅限于下游,且优化模型由于约束条件过于苛刻而容易造成模型无解,使计算无法进行下去,因此使用起来还是有一定的困难。

  (2)黄河水资源实时水量分配研究

  2002年,黄委会勘测设计研究院,黄委会水文局等单位完成的“黄河水资源实时水量分配”研究是第一次较为全面系统的研究黄河水资源实时调度问题。其主要研究方法是将黄河干流划分为上游子系统和三门峡-小浪底子系统分别进行流域模拟,以潼关流量进行耦合,采用系统递阶、长短嵌套、滚动修正的方法模拟水量调度过程。该研究编写完成了《黄河可供水量年度分配及干流水量调度方案》和《黄河水量调度管理办法》,这两份文件于1998年由国家计委和水利部联合颁布实施,成为黄河水量调度指导性文件。该研究讨论了黄河水量调度各个环节的问题,提出了一系列操作性建议,为以后的黄河水量调度工作奠定了扎实的基础。

  尽管这些研究取得了不少成果,但在水量调度基础设施方面,如低水测验、水质监测、信息传输及决策环境等方面,却是空白,从而影响了实用性。

  二、成果主要内容

  系统建设主要内容

  黄河水量调度管理系统旨在对水量调度工作各个环节实现现代化,提高时效性和科学性。根据工作急需和资金条件,系统建设采取分步实施的策略,一期建设主要内容包括:

  (1)黄河干流省际断面水文控制站和重点站的测报设施设备得到补充和完善,水量调度期内的测验精度和报汛时效能满足水量调度需要;水雨情站所报送的水雨情数据,能满足为水量调度提供可靠中长期径流预报的要求;合理的确定取水口引水监测、退水口退水监测和水质监测站点布局;基本形成黄河水量调度的信息采集系统。采集的水雨情信息、引水信息、退水信息、干流重要枢纽的运行信息、水质信息和旱情信息能满足黄河水量调度管理日常工作需要和全河水量统一调度管理要求。

  (2)枯水水文测验设施设备建设方案研究。黄河河段特性和来水变化特点,常规测验方法存在低水时期测船渡河、定位难、断面出现夹沟、流凌期间出船难、雨雾天气无法定位、机械流速仪起转流速高,枯水期因流速小测验误差大等问题。为满足水量精细调度的要求,确保黄河不断流,迫切需要研究适合黄河下游特点的测验设施和方法。本研究在充分调研和咨询有关水文专家意见的基础上,有针对性地对枯水测验设施、设备建设方案等关键技术进行研究,解决实际调度测验中存在的问题。

  (3)在现有的防汛通信专网和计算机网络的基础上,利用公共信息网,完成黄河水利委员会与有关省(区)、骨干水库的计算机网络连接;通过黄河下游县级以下宽带无线接入系统建设和支线微波改造,拓展通信信道带宽;并通过黄河水量总调中心计算机网络建设、黄委网络管理中心的完善和网络管理平台建设、以及县级河务局局域网络建设,从而形成能为黄河水量调度管理服务的计算机网络系统。提高水量调度信息收集和调度指令传输的及时性、可靠性,实现各级水量调度部门的信息共享。

  (4)建立黄河流域水量统一调度模型。水量调度的任务是根据来水预报、用水预测,确定“未来”一定时期(调度余留期和当前时段)的水库控制运用方式,其目的在于通过水库的调蓄作用,最大限度地协调水资源的供需矛盾。研究针对黄河流域水资源系统特征,通过来水预报、用水计划管理等,形成水量调度的边界条件,以水量分配模型、水库调节模型与河道演进模型为核心,研究开发全流域水量分配与水库调度相嵌套的模型体系。

  (5)对黄河干流河道参数、水流传播时间、沿程损失等水量调度系统参数进行深入研究。模型计算参数是构建模型运转所必需的参数,其关键在于对枯水流量传播规律的认识,模型中水流演进参数概化,其合理性直接影响模型的计算结果。由于枯水期不同流量级水流所在黄河下游河道演进过程中均表现出各自不同的特点,沿程河道水量损失也随下游气温、湿度、风速以及引水季节性变化而变化。将传播时间和水量损耗采用定值,不仅影响到水量调度方案的精度,还造成了不必要的水量浪费。同时,水流传播时间和水量损失是研究黄河下游枯水径流演进规律的基础,是开发枯水调度模型的关键参数,其结果将为水量调度提供及时、正确的决策依据,并直接影响水量调度的合理性和准确性。

  (6)水量调度方案编制系统研究。黄河水量调度具有综合决策、群体决策、事前决策、风险决策的特征,调度目标是一个随时间变化而调整的动态过程。黄河水量调度是在执行国务院分水指标的前提下,优化配置水资源,缓解供需矛盾,减少黄河断流,改善生态环境,使有限的黄河水资源发挥最大的综合效益。黄河水量调度是在径流预报的基础上,建立集水量调度、模型仿真等功能于一体的水量调度管理系统。系统能够自动生成年调度预案、月旬调度方案;同时,能对黄河水量调度运行实况进行综合监视(控)和查询,监督指导黄河水量实时调度工作,为黄河水量调度管理各主要环节提供支持和服务。

  (7)综合监视、预警与业务处理系统开发。为保证黄河不断流,建立水量调度综合监视、预警和业务处理系统,实现黄河水量调度所需的水文、引水、需水和水质信息的快速收集处理使用;实现水调运行实况的实时监视和预警;及时将水量调度所需的信息和调度指令下达,实现水调业务处理过程的自动化,是水量调度日常工作的重要环节,本项目研究通过对已有水文预报系统、水文数据库、通讯网络的整合,开发水量调度信息服务和水量调度业务处理系统,提高水量调度的实效性和预见性,确保调度目标的实现。

  (8)建立了功能完善的总调度中心环境:包括环境装修;大屏幕、电子模拟屏、空调、音响安装;控制台等办公设备购置;综合布线及线路改造;总调中心硬件集成;督查车辆等移动督查设备配置;宣传画册、宣传片制作等。

  (9)首次建设完成了引水信息采集系统:包括建设河南、山东交叉河段王集、彭楼、新、老谢寨、闫潭、南小堤引水信息监测系统。

  主要创新点

  围绕黄河水量统一调度工作急需,先期开展黄河水量调度管理系统(一期)建设。通过系统应用,全面提升了黄河水量调度管理水平,优化了水资源配置,确保黄河不断流。成果主要创新点包括:

  1、通过低水测验设施建设和实践,探索出一套完备的黄河低水测验技术规程,提高了部分重要测站低水测验能力。

  2、率先将远程自动化测控技术应用于多泥沙河流侧向引水的涵闸,建立了基于广域网络的黄河下游引黄涵闸五级远程监控系统,实现了对引黄涵闸远程监测、控制、监视的全天候、集群式运行管理,填补了涵闸管理现代化的空白。

  3、根据黄河水污染特点,选定水质监测参数,配备必要的监测设备,开展含泥沙水样的前处理和测试方法适用性研究,并建设第一个适应多泥沙河流的水质移动实验室。

  4、开展针对黄河下游枯水水流传播时间及水量沿程损失的大规模的野外原型观测试验,利用试验资料并借鉴历史同期资料,采用多种方法对黄河下游不同量级的枯水传播时间及沿程损失进行分析。

  5、建立了下游河道枯水演进方程,开发了小浪底以下河段枯水流量演进参数自优化模型,首次真正实现从小浪底水库泄水正向演进、利津防断流反向控制的调度功能,同时具有防断流预警、防凌安全预警及用水调控等功能。

  6、开发出适用不同条件的调度模型和方法,包括现行(经验)调度、自适应调度、优化调度和枯水调度模型;将枯水径流预报和枯水演进模型与水量调度方案编制与管理模型耦合,并配以多种调度方法,首次实现了年、月、旬、日调度方案的嵌套运行,以月、旬方案为控制,以日调度为手段,能够科学、高效地制定水量分配方案。

  8、应用自适应控制理论和复杂适应性理论,研究开发的自适应调度模型和整体优化调度模型,将模拟和优化相耦合,采用自适应轨迹跟踪的滚动调度模式,解决了实际调度中存在的因来水和需水不确定造成的目标动态性。

  9、通过决策支持系统建设,改变了黄河水量调度方案编制和分析靠人工、实施调度凭经验的落后局面;实现了业务处理办公自动化。将自动报警系统应用于电子模拟屏,并与水情实况连接,首次实现了黄河重要断面防断流自动报警。

  10、首次将黄河水量调度管理系统应用于生产实践中,并发挥了先进生产力作用,促进了水资源科学、高效配置,提升了防断流能力和手段。

  综上,本项目研究首次建立了流域水量调度决策支持系统,是一项综合性的创新,实现了全流域水量的统一调度,使黄河有限的水资源在时空分布上得到调整,实现了大旱之年不断流,保证了沿黄地区用水安全,取得了巨大的生态效益、社会效益和经济效益。

  三、系统应用

  黄河自1999年实施水量统一调度以来,已经连续6年实现了大旱之年不断流,取得了巨大社会和经济效益,生态环境得到初步改善。然而,最初技术手段却非常落后,不适应水量调度管理时效性和现代化要求。为高效管理和科学调度黄河水量,提高快速反应能力,2001年2月,黄委按照“分步实施,急用先建”的原则,开始建设黄河水量调度管理系统(一期工程),并于2003年底全部建成并投入运用。

  一期工程建成和应用,丰富了水量调度所需信息的种类和数量,提高了信息采集和传输的时效,改善了水量调度管理技术手段,促进了沿黄地区计划用水、节约用水,实现了黄河水资源的优化配置,提高了黄河水资源有效利用率,使得黄河水量调度管理快速反应能力和科学决策与管理水平有了质的飞越,以水资源的可持续利用促进黄河流域及相关地区的经济和社会发展。

  1、水量调度信息采集系统建设,不仅解决了低水测验和气象资料短缺的问题,而且增加水质监测机动性,丰富了水量调度决策支持信息,提高了信息采集应时性。

  低水测验设施大大提高了低水测验精度,即满足了低水测验渡河需要,又保障了人身安全,同时节省了人力物力,实现了流量测验的半自动化,在雨雾天气时,通过电子显示定位系统,确保了测验时机。在2003年的洪水测验及小浪底水库的防洪预泄期间,得到了高效、高强度的合理利用,有效地完成了多次超设计标准的洪水测验,发挥了很好的作用。9210系统的运用,为水量调决策提供了科学依据,不仅解决了非汛期气象资料短缺的问题,而且增加了气象资料的信息量,减少了资料接收处理时间和工作量。在黄河流域降水预报中,能及时提供基础资料,在非汛期水量调度和凌期的冰情预报中,依靠提供的实时气象资料,为径流预报提供了未来降水的预估,为冰情预报提供了较为准确的气温趋势分析和预报,取得了明显的经济和社会效益。移动实验室行程已将近10000Km,经受了各种道路的挑战,经历了严寒酷暑等多种气候条件的考验。通过多次的野外监测、水污染执法检查,充分体现了移动监测的机动性,能快速到达指定位置和监测断面,迅速开展现场监测,及时报送水质信息,监测成果的代表性、可靠性和科学性得到了提高,满足了的社会公众对用水安全的知情权,对社会稳定和保证流域经济的可持续发展起到了强大的促进作用。

  2、黄河水量总调度中心是目前功能最完善的流域水量调度中心,自启用以来,水调人员通过电子模拟屏和引黄涵闸远程监控等决策支持系统,实时监视全河水雨情及旱情信息,并在预警系统支持下,快速处置13起水量调度突发事件。

  3、通过水量调度模型子系统编制年预案和月旬日调度方案,通过网络及时向沿黄省区水调部门发布,不仅将工作效率提高2-4倍以上,提高了调度决策效率,而且误差缩小至10%以内,大大提高了决策的公信度。

  系统应用前,手工编制年预案需20天左右的时间,采用该系统编制方案后,通过对大量实时数据的计算、分析与处理,快速形成水调决策支持数据库和方案库,仅1-2天内即可完成年度预案。在调度期结束后,该系统的方案总结功能,可自动提取各类水量调度信息进行总结分析,大大提高了工作效率,增强了水量调度工作的时效性。利用系统的历史方案总结和多方案比选功能,通过多种方案编制方法和多种方案结果的表达方式,对不同的方案对比分析,并与历史同期方案对比,从中挑选出最优方案,方案更符合实际情况。

  4、开发的小浪底水库以下枯水水流演进仿真模型应用在实时调度中,提高了精细调度水平。仅在2002年冬季水量调度工作中,根据模型计算出的方案科学调度,节约14亿方水,为2003年春季抗旱筹备了宝贵水源。

  5、业务处理与综合监视系统提高了日常业务工作的自动化程度,提高了信息收集、处理和查询时效性,减轻了工作强度,提高了业务处理效率。

  可快速生成水调管理有关的各类日报、旬报、月报、情况通报,可快速处理计划受理、方案拟文及管理、调度方案实施情况的监视分析、水情和水质信息预警、各类公告通报的发送与接收、调度统计分析和文件查阅管理,在处理省区、枢纽和两局用水计划编制、统计分析、文件发送与接收方面,实现了业务处理的自动化。

  6、通过黄河下游引黄涵闸远程监控系统建设,极大地提高了防断流的快速反应能力。如2003年5月1日8时,黄河下游利津断面出现26.4立方米每秒流量,调度人员利用涵闸远程监控系统迅速关闭了断面以上的部分引黄涵闸闸,在最短的时间内恢复了河道流量,化解一场黄河断流危机。同时,还使得网上水量调度督察成为可能。

  7、水调系统计算机网络覆盖了涉及黄河上游和下游多个省区的单位和部门,是目前覆盖面最广,组网结构规模最大的水调计算机网络。根据各地通信条件的差异分别采用1000MB以太网、宽带无线局域网、Internet广域互联等多种组网技术合理并用,实现了黄委水调中心与两省局、沿黄主要省区水调部门、地市局、县局和重要引水工程的5级网络互连的庞大复杂的广域网络系统,为各类采集信息的快速、可靠的传输,提供了稳定可靠的网络保障。

  系统的成功建设和应用,探索出水量调度系统合理构架和建设策略,为流域水量调度管理系统建设积累了丰富经验,并为部分流域机构和许多水行政管理单位引进。

  四、主要完成单位和完成人

  4.1主要完成单位

  黄委水资源管理与调度局

  黄委信息中心

  黄委水文局

  黄委水资源保护局

  黄河勘测规划设计有限公司

  清华大学

  4.2主要完成人

  孙广生  刘晓岩  乔西现  石国安  王道席  朱辰华  王恒斌  高  宏

  王光谦  王  煜  罗思武  张正斌  于松林  魏家华  周康军  可素娟

  委初审专家组初审意见

  黄河水量调度管理系统(一期)于2003年底全部建成并投入运用。系统的应用全面提升了水量调度管理水平,优化了水资源配置,为确保黄河不断流做出了重大贡献。

  主要创新点为:(1)探索出一套完备的黄河低水测验技术规程,提高了部分重要测站低水测验能力,建了第一个适应多泥沙河流的水质移动实验室。(2)首次建立了基于黄河下游水流演进规律的枯水演进仿真模型,实现了小浪底水库泄水正向演进,利津防断流反向控制,极大地提高了实时调度精度。。(3)首次将枯水径流预报和枯水演进仿真模型与水量调度方案编制与管理模型耦合,并配以多种调度方法,水量调度方案科学、高效。(4)应用自适应控制理论和复杂适应性理论,研究开发的自适应调度模型和整体调度模型,采用自适应轨迹跟踪的滚动调度模式,解决了实际调度中存在水调目标的动态性问题,使流域水调度更具趣科学。

  系统的建设包含了多项创新,自投入使用以来,取得了很大的经济和社会效益。

  综上所述,初审专家组同意推荐该成果为创新成果一等奖。


发布时间:2011年08月14日
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