河流水资源调度关键技术及通用软件平台探讨

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楼主 2019-08-28 13:45:14
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我国的水问题及科学基础

1.    我国的水问题

      近几十年来由于经济发展、人口增加、城镇化、灌溉面积扩大等强烈的人类活动与全球气候变化,导致流域水循环发生了深刻的变异,具体表现为资源衰减、环境污染、生态退化、供需失衡、地下水超采等,水问题已严重威胁国民经济和生态安全。我国水问题尤为严峻,水多、水少、水脏、水浑、水生态退化并存,水灾害事件频繁发生。


1
水资源短缺
全国正常年份缺水约500亿m3,海河、黄河、辽河、西北和东部沿海城市等地缺水严重,缺水范围在蔓延。
2
水环境污染
2009年全国废污水排放量747亿m3,地表水水功能区达标率为47.4%,562眼监测井中水质在Ⅳ~Ⅴ类的监测井占72.1%。
3
水生态退化
淡水生态系统功能整体呈现“局部改善、整体退化”态势,北方平原区地下水严重超采,形成160余个地下水超采区。
4
极端和突发事件发生频率加大
近年来我国北方地区旱灾高发,南方多雨地区季节性干旱也日趋严重,同时突发性水污染事件发生频率加大。


2.   水问题的科学基础

水资源在流域水循环过程中形成和演化,因此水资源调度的科学基础是流域水循环演变和水资源综合调控研究,流域水循环过程的认知和模拟也就成为水资源合理调度的必要前提。


自20世纪中叶以来,国内外广泛开展了变化环境下的流域水循环与水资源综合调控的研究,并已成为当前全球性的研究前沿和研究热点。随着社会的发展,人类社会经济取用水量不断加大,从而在天然水循环的大框架内,形成了由“取水-输水-用水-退水”4个基本环节构成的人工侧支循环圈,与天然主循环共同组成水循环的二元基本构架。


目前水循环呈现出“自然-人工”二元特性,且随着人类活动强度和广度的增加,人类活动对自然水循环过程的影响逐渐增强,二元特性将更加明显。人类活动一方面通过直接作用(如水库坑塘的修建、跨流域调水工程以及人工取用水等环节),使水循环系统的结构和循环路径发生改变;另一方面,通过间接的方式(如森林砍伐、土地利用、温室排放等)改变下垫面或局地气候,从而影响水循环的诸要素。总之,在此过程中,流域或区域水资源的补给和消耗也发生了较大改变,与此相伴生的天然生态退化和人工生态发展,水污染和环境污染加剧。因此,基于二元水循环开展水资源调控研究成为解决水问题的方向。


水资源调度研究及发展现状

1    水资源调度的研究现状

水资源调度研究源于20世纪40 年代Masse 提出的水库优化调度问题,50 年代中期创立了系统工程并在水库(群)优化调度中得到广泛应用,到80 年代,N.伯拉斯所著的《水资源科学分配》系统地总结和研究了水资源调度分配理论与方法。我国水资源调度研究相对起步较晚,但发展较快。20 世纪60 年代初我国开始了以水库优化调度为先导的水资源分配研究,但比较深入的研究是在80 年代开始的,并运用到防洪调度研究中。20 世纪90 年代以前,水资源调度研究以水利工程的兴利调度和跨流域调水研究为主,较少考虑综合利用,不考虑河道内生态环境用水。2000年以来,我国逐步重视河流自身的生态用水,统筹兼顾, 综合协调,依据可持续发展的要求,逐步开展了各流域水量统一调度及生态补水等调度工作。目前,我国以流域为单位的水资源统一管理和调度的格局已初步形成,在调度原则、调度方法、调度技术等方面日趋成熟。


2    我国水资源调度研究存在的主要问题

近年来,我国水资源调度工作取得了长足进展,在维护经济社会可持续发展、建设修复生态等方面发挥了显著作用。纵观水资源调度研究历史,早、中期水资源调度主要是集中在如何建立调度模型与求解模型两个方面,侧重于调度理论研究。近10 年来,理论研究已日渐成熟和完善,不少研究成果相继问世,但实际应用的却较少,未能形成一种实用、成熟的调度方法,未能真正起到理论指导实践的作用。存在的问题主要有以下几方面。

1

基础研究欠缺。“自然-人工”二元水循环模拟与调控理论;水文预报的不确定性及水资源系统风险调度;多目标问题的求解和协调机制。

2

成果实用性不足。早、中期水资源调度主要集中在如何建立调度模型与求解模型两个方面,侧重于调度理论研究,与水资源调度实践结合不够紧密,成果的实用性不足,未能真正起到理论指导实践的作用。

3

模型软件产品化较差。水资源系统的模拟与调度模型开发大多集中在研究层面,没有形成具有全部自主知识产权、具有一定规模的水利专业模型软件产品系列,每年从国外采购大批水利专业的模型软件。


     针对上述问题,本文从水资源立体监测、二元水循环模拟、水资源动态评价、水资源实时预报、地下水预测预警及水资源综合调度6个部分提出了一套水资源调度关键技术体系,并且提出研发一套全国通用的水资源调度软件,在全国各流域各省开展示范应用,并力求在中央层面上建成一个中央水资源调度平台。


  水资源调度的关键流程

1    水资源调度技术框架

一个流域或区域的水循环模拟与调控,按照业务流程来划分,可以划分为“监测-模拟-评价-预测-调度-控制”六大环节(图1)。其中监测、模拟、评价、预测这4个环节都是针对流域或区域“自然-人工”二元水循环的全过程进行精确认知,并对其未来发展趋势进行预测。而调度与控制则是针对二元水循环系统面临时段的演变趋势及问题,通过对水利工程群进行水量水质、地表地下过程的综合调度、安全及运行控制,从而实现流域二元水循环,兴利除害、人水和谐。

图1  水资源调度技术框架


2     水资源立体监测

传统水文监测理念是建立在传统水文学理论基础上的,无论站网布局还是监测方法理念都是建立在水的自然属性之上,且将大汽水、地表水、地下水按照行业部门分工进行割裂监测,监测方法简单,手段单一。随着全球变化和人类活动影响的加剧,以及水资源演变的“自然-人工”二元驱动特性凸现,传统的水资源监测难以满足现代水资源开发、管理与保护的需求,需要在现代水文水资源学科理论和方法的支撑下,充分考虑水循环的整体性以及水资源的自然、社会、经济、环境、生态等属性特征。


      近些年来,“星-地-空”基遥感探测技术发展日新月异,克服了传统地面观测站分布及代表范围有限、空间不连续的缺点,具有分辨率高、覆盖范围广、空间连续等优势。此外,遥感技术融合传统地面站点监测技术,依托国家水资源监控能力建设项目、全国山洪灾害防治项目、全国中小河流治理项目、国家地下水监测工程等项目,我国正逐步形成集“车船站网机星空天地”于一体的气象、水文、水资源立体监测体系。但是由于水资源监测自身的复杂性,人工统计上报作为监测的一个传统手段,还将在很长时期内继续存在。


1

国家水资源监控能力建设项目。国家水资源监控能力建设一期项目(2012~2014)实现了中央、7个流域机构和31个省区市及新疆生产建设兵团水资源管理过程核心信息的互联互通和主要水资源管理业务的在线处理,初步形成了与实行最严格水资源管理制度相适应的水资源监控能力,包括:取用水、水功能区、省界断面的三大监控体系。其中,取用水监控在线监控6143户、13691个取水点,占全国取水许可总量的75%以上;对全国80%以上的重要江河湖泊水功能区水质进行监测,对141个重要城市地表水饮用水源地水质进行在线监测;省界断面共监测339个水量监测断面、592个水质监测断面。国家水资源监控能力建设二期项目(2016~2018)在一期项目的基础上,通过加强取用水监测、加强水源地监控、加强省界断面监控、加强主要江河流域水量调控和完善监控管理信息平台,最终建立基本完善的国家水资源管理系统,为实现最严格水资源管理制度提供了技术支撑。


2

国家地下水监测工程建设情况。除了国家水资源监控能力建设项目之外,水利部、国土资源部正在联合实施国家地下水监测工程(2015~2017),将在全国建立一个国家地下水监测中心、7个流域监测中心、30个省级监测中心和280个地市监测中心,涵盖水位、水质和泉流量的共20 401个站点,实现地下水监测全覆盖。


3    二元水循环模拟

水资源立体监测是掌握二元水循环系统状态与通量最直接、最重要的手段,但是单纯依靠监测只能获得二元水循环系统四维空间离散的部分点的信息,不能掌握其整体情况。这就需要借助二元水循环模拟模型,来同化与融合水量、水质、地表、地下等各类监测信息,从而形成对流域、区域的二元水循环系统的四维全景全过程的精细描述。二元水循环模拟模型一般包括:刻画人工水循环的水资源系统模拟模型与描述自然水循环的分布式水文模型、河湖水库水动力水质模型、地下水动力及溶质运移模型等。模型输入除了自然的气象水文边界过程之外,还应包括人工对水利工程的调度决策及控制指令。


全国尺度的二元水循环模型可以划分为地表水模型和地下水模型两大部分。在地表水模拟方面,建立全国尺度的分布式水文模型,并接入全国5000多座大中型水库、以及重要调水工程的实时运行信息,考虑重要水利工程对水文过程的影响;同时以水资源公报、动态月报的取用水信息为依据,考虑流域面上的“取用耗排”过程。模型除了进行全国尺度的水文模拟以外,还应对重点水源地、江河湖库等建立一二维,甚至三维水动力水质模型。此外,该模型还可以按照流域分区、水资源分区、行政分区等不同空间尺度进行独立运算,支持各级流域、行政区的地表水过程精细模拟。


在地下水模拟方面,根据全国水文地质条件,可以采取先北方后南方、先平原区后山区的原则,分区建立三维地质结构模型,立体刻画地质结构状况,清楚认识地下水的赋存条件和补给、径流和排泄通道,并最终建成覆盖全国范围的地下水数值模拟模型。各个分区可以根据当地的最新地质勘探信息及地下水水量水质监测信息更新本区域的模型,且不同区域可以采用不同的计算网格,同时也可以在大区域的粗网格地下水模型里面嵌套精细的局部地下水模型。


4      水资源动态评价

        通过二元水循环监测、统计与模拟的双向融合与同化,可以形成二元水循环系统的四维全景全过程的精细描述,但其结果数据量会远远超过PB级。为方便水资源管理者及时掌握二元水循环系统的水量水质通量及状态,还需要基于二元水循环模拟模型的结果,运用大数据分析方法动态生成流域、区域不同时空尺度的水资源数量、质量及开发利用等方面的各类统计指标,支撑水资源公报、水资源动态月报,甚至各类水资源实时动态统计报告、水文水资源数据集的自动生成和动态发布。此外,通过挖掘二元水循环各个要素、各个过程之间及其与外部社会经济系统之间的互馈机制,可以为水资源预报、调度及控制决策提供支撑。


5    水资源实时预报

在掌握流域、区域二元水循环系统过去的通量与状态信息的基础上,还需通过开展水资源长、中、短实时预测,对二元水循环系统的未来发展趋势进行定量预测。长期预报(年、月尺度)的目的是掌握水资源量(过程)及其变化的大趋势;中期预报(1~10 天)能够判断水资源量(过程)及其变化的基本趋势,并有一定的精度,可供水资源配置决策参考;短期预报(1~3 天)结果精度较高,可达到用于指导水资源调配和水量分配方案实施的目的。


中长期水资源集合预报对水资源的有效利用起着重要的指导作用,如农业灌溉、水力发电和跨流域引水等,近年来逐步开始了水资源实时预报的理论方法、模型及系统研发工作。有传统的数理统计方法(单因素预报、多因素预报、数值模拟预报)和水文模型法,也有比较新颖的物理成因分析法(大气环流、太阳活动、行星位置、地球自转、涛动现象等)和智能方法(模糊数学法、人工神经网络、灰色系统法、小波理论、混沌理论)等方法。


从预报要素来看,水资源预报可以分为气象预报、地表水预报和地下水预报。从1998年前后开始,我国在国家层面上陆续建设了中国洪水预报系统、全国中小河流预报系统和国家山洪灾害预警系统等,但针对地下水方面的国家系统尚未建立,且开展前期基础研究工作甚少。因此,除了地表水资源预测之外,还需要开展地下水预测预警工作。从全国尺度来看,在集成已有地下水位、水量和水质监测系统的基础上,利用全国二元水循环模拟模型建立的分区地下水三维地质结构模型、水量和水质数值模拟模型,可以预测地下水可开采量和水质状况。


当前,水文预报不确定性研究是国际研究的前沿和热点。变化环境对水文预报的影响是全方位的,它增加了预报模型的输入、参数和状态变量的不确定性,造成预报模型输出不可用。目前国内外对预报不确定性的研究多局限在某个方面,针对变化环境条件下需应对的各类误差源,我们已形成一套全链条误差控制的成套水文预报技术体系,包括:降水融合、天气预报、水文模拟、数据同化和集合预报等五大全链条成果。


6     水资源综合调度

      水资源综合调度的基础是最严格水资源管理三条红线控制指标,每个水资源调度年度,需要根据当年度的来水丰枯情况,确定当年各个区域、行业的地表水、地下水用水总量控制指标。在此基础上,重点针对重要河流开展年度水量分配,并对沿河的重要水利工程制定其调度计划,最终形成该河流的水量调度方案。地表水地下水用水总量控制是考核目标,而河流水量调度则是实现地表水用水总量控制的手段。此外,对重要地下水开采、互补工程也可以根据常规及应急水资源管理需求,制定其调度计划。


      全国水量分配工作实践早期源于1987年《黄河可供水量分配方案》(简称“87分水方案”),后续较多中小河流陆续根据其实际情况,逐步开展了水量分配工作,如:“九二”黑河干流水量分配方案、2001年国务院批复的《塔里木河流域近期综合治理规划报告》、2007年《永定河干流水量分配方案》、2008年《广东省东江流量水资源分配方案》等。然而,早期的水量分配工作实践大都缺乏统一的理论指导,为了全面加强水资源管理和调度工作,随着2011年中央1号文件和国务院关于落实最严格水资源管理制度逐步落实,2013年1月起,各流域陆续开展53条河流水量分配方案咨询工作。2013年11月起,各流域陆续开展水量分配方案审查工作。目前第一批25条江河流域水量分配成果已全部提出,水量分配工作取得阶段性成果,第二批28条江河流域水量分配方案编制取得积极进展。截至目前,全国53条拟开展水量调度方案编制的河流中已有19条河流水量分配方案通过国务院和水利部审批,其他河流也会尽快完成审批工作,并将在全国层面启动下一批跨省河流的水量分配工作。此外,在各省范围内,一些用水矛盾比较突出的河流也开展了水量分配工作。


河流水资源调度也称为水量调度,是以水量分配方案为依据,根据水量分配方案的主要指标可以将水量调度划分为常规调度和应急调度两大类。常规调度主要包括年调度和月调度,主要针对有明确水量分配任务的大型水利枢纽,在流域水量分配方案确定后,依据水量分配方案制定枢纽工程的年、月、旬等水量调度计划,拟定实时调度方案。应急调度,主要针对河流断面水量、流量、水质不达标,而应急启动的水量调度工作包括:生态应急调度、水环境改善应急调度、突发水污染应急调度等。


     此外,针对调度的多目标问题,在传统防洪和兴利调度的基础上,进一步考虑河流湖库生态系统的最小生态、适宜生态需水阈值、鱼类产卵繁殖控制阈值以及水华暴发防控阈值等,除常规调度和应急调度外,还可以将调度问题划分为第三大类,即水利工程群的生态调度模式。


7    水力控制

水利工程群的“水文预报、优化调度、水力控制”是实现流域二元水循环调控的关键。水文预报为优化调度提供工程的上下游边界。水利工程群调度主要包括:水库、引调水工程和蓄滞洪区的调度,为这3类工程的主要水力控制建筑物(闸门、泵站、水电站)提供水力控制目标,包括:水量、水位及水质目标。调度所提出的水力控制目标的实现,需要基于远程控制及当地控制技术,生成闸门、泵站、水电站的开度、转角、转速等控制指令,并发送到执行机构去完成。


闸泵、水电站群的水力控制包括输水系统的水量水质耦合模拟、闸泵群的经济运行及安全水力控制三大部分。水力控制具有明显的非线性、大时滞、强干扰及强耦合特点。针对水力控制的模拟问题,我们在渠道水力学模拟的基础上,所建立的突发水污染事件正向顺时序耦合模拟、反向逆时序溯源技术,解决了水污染事件的快速预测和智能诊断问题。针对闸泵群节能运行问题,在机组流量分配-梯级扬程分配-分时电价水量分配的基础上,结合密云水库调蓄工程的特点,提出的甩站与分时电价结合的泵站群高效运行模式,可以实现节能12%以上;针对闸泵群自动控制问题,建立的闸群集中-闸站当地-闸门液压三级自动控制模式及软件平台,已经在南水北调中线运行调度中得到应用。


 通用水资源调度软件平台开发背景与由来


现有的水资源调度手段多依赖工程人员的经验,缺乏科学指导和统筹全局的考虑,水资源调度水平较低。因此,亟需建设流域、区域水资源调度决策支持系统,提升水资源调度的水平,真正把水量分配方案落到实处。为进一步加强水资源监控能力建设,按照“三年基本建成,五年基本完善”的总体部署,根据《水利部关于印发<国家水资源监控能力建设项目实施方案(2016-2018年)>的通知》(水财务〔2016〕168号),开展国家水资源监控能力建设项目(2016-2018年)建设(以下简称“二期项目”)。二期项目的主要建设内容为完善水资源监测体系、完善水资源监控管理运行环境建设、完善应用系统开发和重要流域水资源监控体系建设等4个方面。其中完善水资源业务应用系统开发主要包括完善水资源调配决策支持系统、完善水资源应急管理系统、深化水资源业务管理系统应用、建设水资源大数据分析信息服务系统、建设水资源管理移动应用系统等。


为避免水资源常规调度和应急调度核心模块的重复开发,提高全国水资源调度模型和业务逻辑的统一维护和持续滚动优化升级的能力,将在收集分析全国水资源调度业务、应急管理业务通用共性需求的基础上,应用先进水资源调度技术、水资源应急管理技术、信息化技术,设计开发一套全国通用的水资源调度软件框架,为水利部本级、流域、省3级平台提供一套可定制、可二次开发、可扩展的水资源调度软件框架,在水资源中长期预报、短期滚动预报、水资源调度等模型的支持下,开发预警监视、实时评价、实时预测、水量调度、方案模拟、效益评估等功能,为国家水资源监控能力建设二期项目中的水资源调配决策支持系统、水资源应急管理系统的完善和深入实施提供一套标准统一的基础软件,实现水资源调度执行成果在三级平台之间的业务协同和信息共享,提升水资源调度决策能力。


 通用水资源调度软件的功能与框架

5.1  软件的总体架构


水资源调度通用软件框架总体上由5个层面、两大保障体系、4类服务对象共同构成,其中5个层面包括计算机网络层、硬件设施层、数据资源层、应用支撑和业务应用层;4类服务对象包括水利部水资源管理部门、流域/省级水资源管理部门、省级以下水资源管理部门和技术支撑单位;两个保障体系包括信息安全体系和标准规范体系。其中,业务应用层的水资源调度通用软件应用系统,应用支撑层的水资源调度通用软件模型管理系统和水资源调度通用软件模型云计算服务软件以及数据层的水资源调度通用软件框数据库由中国水利水电科学研究院自主开发,其余基于国家水资源监控能力建设成果(图2)。具体内容如下。


 图2  水资源调度通用软件系统总体架构


1

      水资源调度通用软件应用系统。水资源调度通用软件应用系统包括两大部分:水资源专题组件库和水资源通用调度软件框架原型系统。水资源专题组件库基于图形控件、JS脚本库、RESTful服务组件、点对点服务组件和业务员规则配置系统开发,是针对水资源预报、调度中某项子业务开发的专题组件。水资源专题组件软件旨在实现一个“开箱即用”的水资源专题组件功能以方便水资源系统的二次开发与定制。

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水资源调度通用软件模型管理系统。水资源调度通用软件模型管理系统主要用于构建满足系统建设区域水资源调度需求的模型体系,主要包括:建模所需水文数据的汇集、水资源调度概化图构建、缺省模型仓库、模型管理和模型体系管理4个功能。

3

水资源调度通用软件模型云计算服务软件。模型云计算服务旨在接入按照标准输入输出接口和网络接口开发的各类模型、对接入模型进行统一管理与维护并向用户提供模型云计算服务。调度模型云计算服务主要功能包括模型管理、模型绩效管理、模型计算节点管理和模型计算任务服务和模型库5部分。模型云计算服务除提供水资源常规和应急调度涉及的水文预报、河道径流演进、水质水动力学模拟、水库调度等专业模型,还提供水文频率分析、曲线拟合、时间序列分析等通用分析功能。

4

      水资源调度通用软件专题数据库设计。根据水资源调度通用软件的业务功能,在国控水资源项目五大标准库和水资源调度通用软件框架扩展数据库的基础上,设计满足水资源调度通用软件业务功能和支撑功能需求的库表结构,主要涉及:模型管理类库表、水资源常规调度业务类库表、水资源应急调度业务类库表、模型云计算服务业务类库表和系统管理类库表。


5.2  软件的业务功能

水资源调度通用软件框架提供水资源调度情势、水资源常规调度、水资源应急调度等业务功能,具体包括水资源综合形势、来水形势和供水形势分析,水资源常规调度年/月/旬计划编制,突发水污染、特殊干旱以及工程事故的应急调度等,以能提高水资源常规调度与应急调度效率,有效支撑水利部本级、流域、省的水资源调度业务的顺利展开,实现水资源调度方案在三级节点之间的业务协同和信息共享,全面提升各级机构水资源调度管理、应对突发事件的应急响应和处置的能力(图3)。


图3  水资源调度通用软件业务功能框架


5.2.1  水资源调度情势


水资源调度情势功能主要提供水资源调度所需信息的展示和分析功能,主要包括:综合形势分析、来水形势分析和供水形势分析。

(1)

综合形势分析。提供支撑年/月/旬调度计划编制及实施效果监督与评估的相关信息,包括气象信息、雨情信息、水库监测信息、断面监测信息、闸坝信息、取水口门监测信息、基础信息(包括河流基础信息查询、水库基础信息查询、断面基础信息查询、闸坝基础信息查询、水文站基础信息查询、重要取水口基础信息等)、调度计划信息等,提供这些信息报表、GIS形式展示、查询、管理,以及动态展示调度计划执行情况。

(2)

来水形势分析。分析流域各产流区域计划来水与实际来水的偏差、水库计划蓄水过程与实际需水过程的偏差以及调水工程的计划调水与实际调水的偏差,以综合分析流域的来水形势,为水资源调度年/月/旬计划的编制提供支撑。

(3)

供水形势分析。以行政区或水资源分区为统计单位,统计其各分项用水的用水情况。用户根据评估结果,能够准确、快速地找出导致调度计划与实际过程发生偏差的原因,为下一步需水更新提供参考依据。


5.2.2   水资源常规调度


      根据当前的水资源形势,通过对未来水资源形势的预测,制定水资源常规调度方案。主要包含:模型管理、年/月/旬水资源调度计划编制等子功能。


(1) 水资源调度年计划编制。水资源调度年计划编制模块是根据流域长期径流预报和水库蓄水情况,按照一定算法确定年度流域可供水量,再分配到省(区),作为省(区)年度可供水量;根据干流和主要来水区来水量预估、水库调度运行计划以及省(区)面临年份的用水过程,并考虑水流传播时间、河道损失等因素,逐段进行水量平衡演算,确定各河段及各省(区)引退水流量、耗水量及省际断面下泄流量。


(2) 水资源调度月计划编制。水资源调度月计划编制模块是在年预案的基础上根据中短期来水预报、水库运行情况和前期引水情况等边界条件进行滚动修正,轨迹跟踪;再者是依据更新后的数据进行方案的计算,从而实现对前期的年月方案在当前月的细化,给出时间尺度为月的水量调度计划。


(3) 水资源调度旬计划编制。水资源调度旬计划编制模块根据中短期来水预报、水库运行情况和前期引水情况等边界条件先将月内来水、可供水量分配到旬尺度,再对旬方案进行滚动修正,轨迹跟踪,生成旬水量调度方案。若上旬已发生时段省(区)用水与分水比例相比超额,则按超额情况按比例扣减本旬分水。


5.2.3   水资源应急调度


     在突发应急调度事件时,通过追溯突发调度事件的原因,结合应急调度预案,编制应急调度方案,并通过应急调度会商,最终制定应急处置方案。主要包括:突发水污染事件应急调度方案编制、特殊干旱事件应急调度方案编制和工程事故应急调度方案编制。


(1) 突发水污染事件应急调度方案编制。该方案编制是在突发水污染事件发生后,通过对突发水污染事件进行追踪溯源,确定污染物的发生位置、开始时间、持续时间和污染物类型,通过查询突发污染物应急调度预案,制定应对该突发污染事件的多个应急调度方案,并通过应急调度方案的模拟和比选,确定建议的应急调度方案。


(2) 特殊干旱事件应急调度方案编制。该方案编制是在特殊干旱事件发生后,通过对特殊干旱的原因追溯,确定特殊干旱时间的原因、程度和演进趋势,通过查询特殊干旱应急调度预案,制定应对该事件的多个应急调度方案,并通过应急调度方案的模拟和比选,确定建议的应急调度方案。


(3) 工程事故应急调度方案编制。该方案编制是在坝堤溃决等工程事故发生后,通过对工程事故的原因追溯,确定工程事故发生时间、程度和演变趋势,通过查询工程事故急调度预案,制定应对该事件的多个应急调度方案,并通过应急调度方案的模拟和比选,确定建议的应急调度方案。


中央水资源调度平台


      除了构建一套通用的水资源调度软件外,在中央层面上还需建成一个中央水资源调度平台。七大流域管理机构涉及的53条拟开展水量分配河流中已批复水量分配方案的河流,以及其他已批复水量分配方案的河流应纳入水资源调度系统。31个省区市及兵团已批复水量调度方案的河流,具备水量调度条件的河流应纳入水资源调度系统。此外,平台还将接入南水北调中、东线的调度信息,并进一步陆续接入其他重要调水工程的调度信息,从而更有效地支撑中央、流域、省不同层面的河流水资源调度需求。


 预期建设成果与推广应用


目前,通用水资源调度软件框架的详细实施方案和数据库设计方案已经完成。项目建设完成后,将形成一套完整的构建和完善水资源调度决策支持系统的软件框架,主要包含应用系统、模型管理系统、模型云计算服务软件、专题数据库、数据三级贯通平台和系统集成标准,其中:应用系统提供5类专题组件库,供系统定制开发单位二次开发使用;模型管理系统等其他部分提供完整的软件和使用说明,供系统定制开发单位定制开发使用。平台将首先在水利部和部分流域级机构、省级机构安装部署试用,通过试点地区的推广应用,进一步优化系统、简化流程,最终将在全国各流域、各省(自治区、直辖市和新疆生产建设兵团)进行推广应用,并具备向地(市、州)、县(区)推广应用的条件。


水资源调度通用软件框架建设完成后,主要应用于七大流域中开展水量分配方案编制的53条跨省河流,以及各省/自治区辖区内的河流。在项目成果广泛推广应用之前,还需在典型区域进行应用示范,根据流域的水资源丰沛程度、流域主管部门等因素,选取了北方水资源紧缺、农业和生态用水矛盾突出的黑河流域和南方水资源较充沛,但供水和生态用水矛盾突出且又是南水北调水源地的汉江流域作为跨省河流水资源调度系统应用示范区域;选取江西省赣江流域作为省/自治区辖区内河流水资源调度系统应用示范区域;选取了广西壮族自治区和浙江省宁波市作为省级/自治区的水资源调度系统应用示范区域,以验证和完善水资源调度通用软件平台的建设成果。


结 语

本文针对当前我国存在的水问题,结合流域水循环演变这一科学基础,提出了基于二元水循环开展水资源调控研究的方法,介绍了水资源调度研究的发展现状和存在的问题。在此基础上,初步探讨了水资源调度技术的总体框架,包括“监测-模拟-评价-预测-调度-控制”六大关键流程,并提出了一套全国通用的水资源调度软件平台,实现水资源调度执行成果在水利部本级、流域、省3级平台之间的业务协同和信息共享,提升水资源调度决策能力。


作者:雷晓辉,男,教授级高级工程师,中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室;蔡 思 宇;王浩;孟 现 勇


来源:人民长江

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