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太子河流域環(huán)境流量保障管理系統(tǒng)平臺構(gòu)建及示范應(yīng)用

2021-08-13 03:32:18周宇航
水資源開發(fā)與管理 2021年6期
關(guān)鍵詞:太子河斷面流量

周宇航

(遼寧省觀音閣水庫管理局有限責(zé)任公司,遼寧 本溪 110003)

環(huán)境流量是保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境的最小流量。目前國內(nèi)外對環(huán)境流量的研究和實踐較多[1-2],但將環(huán)境流量并入水資源管理系統(tǒng)運(yùn)行還屬空白。太子河是渾河的一級支流,全長412.9km,年徑流量33.3億m3,流域面積13883km2。太子河上的水利工程發(fā)揮著蓄豐補(bǔ)枯調(diào)節(jié)徑流的基本功能,保障了流域多年的經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展。但從水生態(tài)系統(tǒng)角度,始終存在著環(huán)境流量保障率偏低的問題,而且由于各河段的資源稟賦、用水、調(diào)控特征的不同,其環(huán)境流量保障的程度也各有差異,進(jìn)一步提高環(huán)境流量保障的難度也各不相同。

結(jié)合實際構(gòu)建了太子河環(huán)境流量保障管理信息化平臺,從環(huán)境流量、預(yù)警及管理服務(wù)等方面進(jìn)行了填補(bǔ)。根據(jù)環(huán)境流量監(jiān)測數(shù)據(jù)和評價標(biāo)準(zhǔn),提出了區(qū)域供用水環(huán)境流量動態(tài)模擬方案,該平臺的三維顯示,展示了動態(tài)演變過程,能夠更好地對水環(huán)境流量進(jìn)行三維可視化模擬。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

結(jié)合對該系統(tǒng)平臺的實際需求,采用同類或類似系統(tǒng)的開發(fā)信息化技術(shù)與經(jīng)驗,構(gòu)建太子河流域環(huán)境流量保障管理信息化平臺,該平臺是基于面向服務(wù)的體系架構(gòu),所有的業(yè)務(wù)應(yīng)用都以組件的方式被實現(xiàn),通過Web服務(wù)的方式對外提供服務(wù),并且可通過服務(wù)組合的方式搭建具體的層次體系,實現(xiàn)太子河流域環(huán)境流量保障管理信息化集成應(yīng)用。系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)架見圖1。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)架示意圖

1.2 系統(tǒng)平臺需求架構(gòu)

環(huán)境流量保障管理信息化平臺架構(gòu)分為虛擬化層、管理層、接口層。虛擬化層是該系統(tǒng)平臺的最底層,該層圍繞著太子河環(huán)境流量天然數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及實時數(shù)據(jù),根據(jù)設(shè)定的水質(zhì)水量參數(shù)、環(huán)境流量標(biāo)準(zhǔn)等,對數(shù)據(jù)進(jìn)行資源分配、優(yōu)化計算,確定合理方案,生成圖表、數(shù)據(jù)存儲等內(nèi)容操作。通過接口層,實現(xiàn)管理層與虛擬化層之間的信息傳輸,將系統(tǒng)中流域環(huán)境特征、環(huán)境流量標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境流量保障方案、環(huán)境流量數(shù)據(jù)等信息自動傳遞給管理層,并以系統(tǒng)平臺界面對內(nèi)容進(jìn)行展示。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)平臺主要由5個子系統(tǒng)構(gòu)成,將歷年長系列數(shù)據(jù)、還原后天然數(shù)據(jù)及實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分別并入相應(yīng)的子系統(tǒng),經(jīng)過數(shù)據(jù)庫的入庫與整理,進(jìn)行存儲保存,需要數(shù)據(jù)時通過內(nèi)容渲染子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,最后通過管理方案輸出子系統(tǒng),按照管理者需要進(jìn)行獲取,見圖2。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)成

1.4 系統(tǒng)技術(shù)與功能要求

系統(tǒng)采用基于3D圖形引擎顯示的渲染技術(shù)[3-4],該技術(shù)具有很好的穩(wěn)定性和可靠性。設(shè)計了基于GPU(Graphics Processing Unit)的三維圖形圖像實時繪制功能,充分利用GPU的運(yùn)算單元實現(xiàn)了高清晰度輸出的實時幀速率。在關(guān)鍵數(shù)據(jù)幀單元的設(shè)計中,采用了單獨的存儲結(jié)構(gòu),一方面在數(shù)據(jù)組織存儲、圖像處理、顯卡輸出等方面進(jìn)行了特殊的優(yōu)化,另一方面減少了線程和總線之間的數(shù)據(jù)交互,避免了磁盤控制器甚至主板級數(shù)據(jù)擁塞的風(fēng)險,具有很好的安全性。

交互平臺涉及的各種場景對顯示信息和定位都有特定的要求。通過基于Directx的3D場景實時顯示,可以實現(xiàn)場景所需的各種3D模型的制作、導(dǎo)入和顯示,并支持第三方的模型和動畫,對于場景的創(chuàng)建非常便利,能夠快速精準(zhǔn)定位各類信息和場景,保障各類信息需求的獲取。

該系統(tǒng)平臺在調(diào)度方案選擇中涉及的參數(shù)、權(quán)重及方法是調(diào)度方案的關(guān)鍵。針對太子河流域環(huán)境流量管理的特點,在調(diào)度方案合理化的過程中,提出了一套較為合理的環(huán)境流量管理方案評價方法體系,包括參數(shù)體系的構(gòu)建、參數(shù)的選取、環(huán)境流量管理方案的參數(shù)選擇、協(xié)商權(quán)、組合評價權(quán)和方案決策權(quán)等。在參數(shù)篩選技術(shù)中,采用以主成分分析法為主的現(xiàn)代多元統(tǒng)計方法,在保持原有空間參數(shù)特征的基礎(chǔ)上,對指標(biāo)進(jìn)行定量篩選,實現(xiàn)參數(shù)空間從高維到低維的映射,篩選參數(shù)所表達(dá)的信息更清晰,有利于后續(xù)計算;在權(quán)重技術(shù)上,采用了主客觀權(quán)重優(yōu)勢相結(jié)合的組合賦權(quán)方法、物元概念和半結(jié)構(gòu)化多目標(biāo)模糊優(yōu)化理論將其引入環(huán)境流量管理方案的優(yōu)化過程中,提出了一種基于物元概念的多維遞階評價方法,采用多維物元層次評價的多層次、多目標(biāo)、多群體決策方法進(jìn)行評價水質(zhì)水量聯(lián)合運(yùn)行方案。

2 系統(tǒng)功能與模塊

2.1 系統(tǒng)功能分析

功能分析是在當(dāng)前的業(yè)務(wù)分析上開展的,基于太子河流域管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求方向進(jìn)行不同模塊的內(nèi)容劃分,功能需求主要包括6個方面,它們之間相互獨立,同時又相互聯(lián)系。功能子需求主要包括環(huán)境流量基礎(chǔ)信息管理、環(huán)境流量的計算、環(huán)境流量方案的生成、實時流量信息的獲取、預(yù)警及保障方案的生成和成果三維化的展示。這些功能子需求構(gòu)建在一個統(tǒng)一的軟件平臺上,每一功能子需求都需要在上一個基礎(chǔ)上依次進(jìn)行實現(xiàn),見圖3。

圖3 功能子需求示意圖

2.2 系統(tǒng)模塊分析

系統(tǒng)模塊分析是在系統(tǒng)功能分析的基礎(chǔ)上開展的,基于太子河流域管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求方向進(jìn)行不同系統(tǒng)模塊劃分。系統(tǒng)功能子模塊也包括6個方面,他們之間相互獨立,同時又相互聯(lián)系。系統(tǒng)子模塊主要包括環(huán)境流量方案生成模塊、環(huán)境流量計算模塊、基礎(chǔ)信息處理模塊、監(jiān)控斷面實時流量獲取模塊、預(yù)警及保障方案生成模塊、三維可視化引擎模塊,每一系統(tǒng)子模塊都需要在上一個基礎(chǔ)上進(jìn)行實現(xiàn),見圖4。

圖4 系統(tǒng)模塊示意圖

3 系統(tǒng)平臺展示與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)整體功能界面

系統(tǒng)界面在Windows 7上運(yùn)行,由多個下拉菜單、工具欄、信息提示區(qū)、系統(tǒng)顯示區(qū)、系統(tǒng)配置列表、參數(shù)列表、數(shù)據(jù)顯示標(biāo)簽、主顯示操作渲染窗口和多功能界面組成,見圖5。該系統(tǒng)平臺包括了數(shù)據(jù)庫存儲的所有數(shù)據(jù)信息、大量Mike數(shù)據(jù)以外的數(shù)據(jù)信息及歷史數(shù)據(jù)信息,這些信息將被系統(tǒng)間接使用,作為數(shù)值計算的基礎(chǔ),如重點河道徑流系列數(shù)據(jù)、水庫進(jìn)出水量系列數(shù)據(jù)、供需調(diào)節(jié)范圍信息、區(qū)域地理位置信息等。用戶可以通過配置項查看和修改配置數(shù)據(jù)。

圖5 系統(tǒng)主界面示意圖

3.2 環(huán)境流量保障方案功能

環(huán)境流量保障方案主要分為總體模型配置、參數(shù)配置、方案計算和方案展示4個部分??傮w模型配置主要包括方案計算模型的框架。在總體模型配置中,主要針對輸入配置和輸出配置,用于修改系統(tǒng)中與Mike項目相關(guān)的節(jié)點。輸入關(guān)聯(lián)后,針對關(guān)聯(lián)參數(shù)的數(shù)值,可以在可調(diào)整的范圍內(nèi)進(jìn)行界定,以供在實時流量不滿足時,進(jìn)行迭代計算。確定關(guān)聯(lián)參數(shù)和方案逼近方式后,進(jìn)行方案計算,最終獲得最優(yōu)的環(huán)境流量值。結(jié)果展示見圖6。

圖6 計算結(jié)果方案展示

3.3 環(huán)境流量監(jiān)測與預(yù)警功能

通過環(huán)境流量的監(jiān)測,主要獲得當(dāng)前各環(huán)境流量分區(qū)的實時流量數(shù)據(jù),見圖7。在3D渲染窗口中顯示實時數(shù)據(jù),如果與閾值不匹配,則進(jìn)行報警處理。同時,在彈出的對話框中,還會顯示當(dāng)前子流域劃分的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),用戶可以根據(jù)需求對不同的時間段進(jìn)行信息查詢。

圖7 控制斷面環(huán)境流量監(jiān)測與分析界面

3.4 示范及效果評價

3.4.1 示范應(yīng)用分析

2016年7月1日—12月31日開展了太子河觀音閣水庫以下至唐馬寨區(qū)段的平臺業(yè)務(wù)化運(yùn)行示范,系統(tǒng)以旬為單位自動生成了18份業(yè)務(wù)化運(yùn)行報告。示范河段內(nèi)包括本溪斷面和唐馬寨斷面兩個水文站斷面,示范期內(nèi)斷面流量基本滿足環(huán)境流量管理方案要求。水文站實測流量與環(huán)境流量管理方案對比情況見表1。

表1 實測流量與環(huán)境流量管理方案月均流量滿足情況 單位:m3/s

由表1可知,2016年示范期內(nèi)本溪斷面在7—8月無法滿足流量要求。通過對本溪站1961—2016年56年水文系列進(jìn)行分析,2016年為偏枯年,在執(zhí)行環(huán)境流量保障管理方案的情況下,對觀音閣和葠窩水庫下泄流量進(jìn)行優(yōu)化。反映觀音閣下泄流量的本溪斷面,由于觀音閣水庫優(yōu)先保障生活供水的原因,在7月、8月不滿足環(huán)境流量要求,不滿足程度分別為16%、33%;反映葠窩水庫下泄流量的唐馬寨斷面,由于葠窩水庫主要供水任務(wù)為農(nóng)業(yè)灌溉,在統(tǒng)籌農(nóng)業(yè)用水與生態(tài)水量的情況下,基本滿足環(huán)境流量方案要求。

3.4.2 系統(tǒng)應(yīng)用效果

該平臺實際運(yùn)行效果顯示,各項目功能穩(wěn)定,能夠提供不同斷面流量預(yù)定的環(huán)境流量,結(jié)合實時獲得的不同斷面流量數(shù)據(jù)信息,除個別月份無法滿足環(huán)境流量要求外,其他月份均滿足,從而證實了該系統(tǒng)能夠根據(jù)實測流量較好地優(yōu)化制定出水庫調(diào)蓄及下泄方案,獲得本溪、唐馬寨兩個斷面最優(yōu)流量,使其基本滿足斷面環(huán)境流量要求,基本實現(xiàn)了地表水資源規(guī)劃、分配和管理以及環(huán)境流量管理的日常化運(yùn)行。

4 結(jié) 語

本研究構(gòu)建的太子河流域環(huán)境流量保障管理信息化平臺,主要實現(xiàn)了環(huán)境流量標(biāo)準(zhǔn)制定、環(huán)境流量保障方案生成、環(huán)境流量監(jiān)測、預(yù)警查詢等功能。通過實證應(yīng)用,能夠制定出最優(yōu)的環(huán)境流量保障方案,應(yīng)用效果顯著。為了使該平臺發(fā)揮最大功能,需要掌握更多重要水利工程、主要控制斷面的環(huán)境流量下泄方案,才能有效保障河道環(huán)境流量的滿足。

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