辛忠明，尹祥國

（松遼委察爾森水庫管理局，內(nèi)蒙古烏蘭浩特137400）

察爾森水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計

辛忠明，尹祥國

（松遼委察爾森水庫管理局，內(nèi)蒙古烏蘭浩特137400）

察爾森水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)是結(jié)合察爾森水庫實際情況，利用計算機軟件編程技術(shù)開發(fā)出的實用性強、應(yīng)用范圍廣、界面友好、運行穩(wěn)定的應(yīng)用性軟件。文中通過簡要論述察爾森水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，介紹系統(tǒng)的特點、主要功能及關(guān)鍵技術(shù)等，突出該系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的必要性。

洪水調(diào)度；系統(tǒng)設(shè)計;察爾森水庫

1 工程概況

察爾森水庫位于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟科爾沁右翼前旗境內(nèi)，距烏蘭浩特市32 km。水庫位于嫩江一級支流，洮兒河中游。該流域多年平均降雨量400~450 mm，其中6—8月降雨量占全年84%~ 89%。察爾森水庫是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的國家大（Ⅰ）型水利樞紐。水庫壩址以上控制流域面積7 780 km2，多年平均徑流量為8.3×108m3，水庫總庫容12.53×108m3，是洮兒河干流唯一的控制性工程。

2 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)及特點

2.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

察爾森水庫防洪調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計的總體目標(biāo)是基于察爾森水庫的實時雨水工情信息，根據(jù)已發(fā)生降雨的洪水預(yù)報信息，或進一步考慮未來一定時期內(nèi)的多種可能降雨預(yù)報信息，制定多種可行的水庫防洪調(diào)度方案以作為決策的依據(jù)。主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫維護、洪水預(yù)報、洪水調(diào)度和信息查詢四大功能。

2.2 系統(tǒng)主要特點

察爾森水庫防洪調(diào)度系統(tǒng)基于Java技術(shù)，采用Browser/Server模式，以Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為中心，客戶端只需用標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器進行瀏覽，與操作平臺無關(guān)，用戶操作簡便；開發(fā)、管理、維護集中在服務(wù)器端，無需開發(fā)客戶端應(yīng)用程序[2-4]。因此，系統(tǒng)具有計算機技術(shù)應(yīng)用上的先進性，跨平臺（Unix，Windows等）的通用性，面向用戶的易操作性、易維護性與可擴展性、實用性等優(yōu)點。

3 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫維護、洪水預(yù)報、洪水調(diào)度和信息查詢四大功能模塊[5]。

3.1 數(shù)據(jù)庫維護功能模塊

察爾森水庫防洪調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫主要涉及兩大部分：一部分是與實時水雨情庫的接口，主要讀取實時信息；另一部分是為本系統(tǒng)所需內(nèi)容而建的專用數(shù)據(jù)庫，主要是對預(yù)報、調(diào)度、系統(tǒng)管理、系統(tǒng)集成等一系列數(shù)據(jù)、參數(shù)、方法與模型進行存儲與管理。綜合數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)主要包括水雨情信息（包括時段雨量、日雨量、水情信息）、預(yù)報數(shù)據(jù)（包括預(yù)報模型參數(shù)、遙測站碼管理、雨量站管理、設(shè)計洪水參數(shù)）和調(diào)度數(shù)據(jù)查詢（包括特征水位、水位庫容關(guān)系、水位泄量關(guān)系、水庫調(diào)度規(guī)劃）。當(dāng)提取出的數(shù)據(jù)有誤或存在缺失時，可以直接進行修改維護，修改結(jié)果保存至本地系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。

3.2 洪水預(yù)報功能模塊

洪水預(yù)報功能是水庫防洪調(diào)度系統(tǒng)的重要功能之一，察爾森水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫為核心，進行洪水預(yù)報時遵循的工作流程：設(shè)置降雨開始與作業(yè)時間→預(yù)報準(zhǔn)備：遙測數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)整編、設(shè)置初始PA、反推入流→交互洪水預(yù)報。

首先從水雨情自動遙測系統(tǒng)提取實時降雨量、水位和流量，接著設(shè)置初始PA及考慮上游引水，最后再進行產(chǎn)匯流洪水預(yù)報。當(dāng)預(yù)報結(jié)果不理想時，進行交互洪水預(yù)報。交互洪水預(yù)報主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）直接修改預(yù)報洪水過程。根據(jù)預(yù)報經(jīng)驗及實測洪水與預(yù)報成果的對比，在人機交互界面上可直接修改預(yù)報的洪水過程。

2）修改產(chǎn)匯流預(yù)報初始條件?？扇藱C交互修改前期影響雨量、流域平均降雨量、降雨分布，選擇單位線等影響產(chǎn)匯流的初始條件。

3）修改模型參數(shù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)預(yù)報成果不好時，可根據(jù)經(jīng)驗對產(chǎn)匯流模型的參數(shù)進行調(diào)整。

4）選取不同的預(yù)報模型。當(dāng)有多個預(yù)報模型時，可交互選取各個模型進行預(yù)報，如選取大伙房模型、新安江模型、降雨徑流模型等產(chǎn)流模型，選取不同單位線等匯流方案。

另外，洪水預(yù)報子系統(tǒng)模塊還有假擬降雨預(yù)報的功能，即假設(shè)未來幾天還發(fā)生降雨，系統(tǒng)可以根據(jù)假擬降雨量重新進行洪水預(yù)報。

3.3 洪水調(diào)度功能模塊

察爾森水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)在水庫防洪調(diào)度方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)確定的防洪高水位（20年一遇洪水位）、汛限水位，遵循洪水調(diào)度原則，確定察爾森水庫防洪調(diào)度臨時方案。洪水調(diào)度子系統(tǒng)模塊包括“實時洪水調(diào)度”、“設(shè)計洪水調(diào)度”和“調(diào)度結(jié)果查詢”3個子系統(tǒng)。洪水調(diào)度包括生成新的洪水調(diào)度方案、修改已有的洪水調(diào)度方案及調(diào)度方案評價。

3.3.1 生成新的洪水調(diào)度方案

洪水調(diào)度系統(tǒng)中的某一調(diào)度方案包括水庫的入出流、水位過程線和水文分區(qū)的流量過程線，此方案某時刻水庫的入流、出流、水位、泄量方式和閘門開啟說明，調(diào)度方案的水庫末庫容、調(diào)洪最高水位所占防洪庫容和最大泄量比例以及各個調(diào)度方案的水庫出流、水位過程的匯總。

根據(jù)所選用的入庫洪水過程，按洪水調(diào)度原則可自動生成水庫洪水調(diào)度的規(guī)劃方案，作為調(diào)度方案交互的初始方案。

3.3.2 修改調(diào)度方案

交互生成洪水調(diào)度方案作為洪水調(diào)度系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，可實現(xiàn)人機交互修改調(diào)度方案。根據(jù)實際的和預(yù)報的水雨工情信息，人機交互修改輸入各調(diào)洪時段的泄流量，從而預(yù)報出水庫的水位變化過程。在水庫的洪水調(diào)節(jié)過程中，可隨時根據(jù)水庫入流、出流和水庫水位的變化，人機交互確定水庫泄流設(shè)備的開啟數(shù)及開啟狀態(tài)。

3.3.3 調(diào)度方案評價

調(diào)度決策人員結(jié)合調(diào)度經(jīng)驗，通過對各目標(biāo)重要度的模糊語氣描述，交互確定多目標(biāo)的權(quán)重，應(yīng)用多目標(biāo)模糊優(yōu)選模型，對多目標(biāo)調(diào)度方案做出定量評價。根據(jù)水庫運用的不同時期和不同情況，確定不同的目標(biāo)權(quán)重值。

一般來講，目標(biāo)權(quán)重的確定遵循以下原則：根據(jù)上下游的水雨工情，分析確定各目標(biāo)的相對重要度。當(dāng)水庫上游發(fā)生較大的洪水時，最高水位時所占防洪庫容應(yīng)取較大的權(quán)重；當(dāng)調(diào)洪發(fā)生在汛期末時，末庫容應(yīng)取較大的權(quán)重；當(dāng)水庫下游發(fā)生較大的洪水時，水庫最大泄量應(yīng)取較大的權(quán)重。另外還要對目標(biāo)權(quán)重進行規(guī)一化處理。

3.4 信息查詢子系統(tǒng)

信息查詢子系統(tǒng)主要包括水雨情信息查詢和調(diào)度數(shù)據(jù)查詢。實時水雨情查詢可提供時段降雨、日降雨和水情信息的查詢；調(diào)度信息查詢主要提供特征水位、水位庫容關(guān)系、水位泄量關(guān)系和水庫調(diào)度規(guī)則的查詢。

4 采用的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 系統(tǒng)可擴展性和可移植性處理方法

首先，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫事務(wù)對象可實現(xiàn)多個模型和數(shù)據(jù)源的自由選擇。在劃分好系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫后，對數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)的定義是數(shù)據(jù)庫設(shè)計中最重要的工作，好的表結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境變化，使系統(tǒng)易于擴展和移植。系統(tǒng)程序設(shè)計選擇了面向?qū)ο蟮拈_發(fā)工具，利用面向?qū)ο蟮乃枷雽⒘饔蚝樗A(yù)報系統(tǒng)的各個部分按對象進行劃分，以對象為主線來描述系統(tǒng)，建立流域防洪調(diào)度系統(tǒng)對象模型，用對象間的消息傳遞用戶的功能需求。通過對象對系統(tǒng)進行建模，使系統(tǒng)較易實現(xiàn)軟件的重組、移植、擴充，能廣泛應(yīng)用于不同的洪水調(diào)度系統(tǒng)。

4.2 水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)可行方案的快速生成

在水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)的實時調(diào)度中，需根據(jù)調(diào)度決策人員的要求，快速生成可行調(diào)度方案集。它是進行方案評價與選擇的基礎(chǔ)，是衡量調(diào)度軟件是否實用的重要方面。既可以由系統(tǒng)自動按洪水調(diào)度規(guī)劃原則生成方案，也可以人機交互生成洪水調(diào)度方案，即以當(dāng)前選定方案為基礎(chǔ)，按泄流量與交互啟閉泄流設(shè)備的任意組合生成新的實時洪水調(diào)度方案，然后對此新方案的任一時段的決策進行修改。

4.3 多階段多目標(biāo)水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)方案優(yōu)選模型

調(diào)度決策模型采用了多階段多目標(biāo)水庫防洪調(diào)度決策的模糊優(yōu)選模型，該模型具有理論上的先進性。根據(jù)水庫洪水調(diào)度決策的特點，用模糊語言確定目標(biāo)權(quán)重，從而使決策模型更易于使用[6]。

首先，結(jié)合察爾森水庫洪水調(diào)度的經(jīng)驗與特點，考慮水庫不同的洪水調(diào)度目標(biāo)。接著選取階段的調(diào)度方案與入流過程的組合作為描述系統(tǒng)的狀態(tài)變量，調(diào)度方案作為決策變量，求得子系統(tǒng)各方案的多目標(biāo)值。最后建立水庫洪水調(diào)度方案優(yōu)選模型，并根據(jù)最大隸屬原則，得到較優(yōu)的一組方案以供決策者使用。其中，優(yōu)選模型中引入權(quán)重，并將人的決策經(jīng)驗通過數(shù)學(xué)描述后納入模型之中。

5 洪水調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用

自建立運行以來，洪水調(diào)度系統(tǒng)便在察爾森水庫的防洪興利工作中起到了十分積極的作用，在數(shù)據(jù)庫維護、信息查詢、洪水預(yù)報及調(diào)度等方面應(yīng)用狀況良好。特別是在在抵御2013年洮兒河“8.02”洪水中，洪水調(diào)度系統(tǒng)發(fā)揮了極其重要的作用。2013年7月27日至8月2日，洮兒河流域累計降雨93.1 mm，洪峰流量高達569 m3/s，洪水量級達到了5年一遇。在洪水調(diào)度過程中，系統(tǒng)多次做出了較為準(zhǔn)確的預(yù)報并充分利用人機交互功能及時制定出了切實可行的調(diào)度方案，為洪水調(diào)度爭取了充足的決策時間。最終安全度汛，既極大地減輕了下游的防洪壓力，又保障了水庫自身的安全。

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