萬(wàn)家寨引黃工程南干線供水工程水資源利用分析

萬(wàn)家寨引黃工程南干線供水工程水資源利用分析

萬(wàn)家寨黃工程是山西省水資源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化的重要戰(zhàn)略基礎(chǔ)設(shè)施，促進(jìn)了水資源的優(yōu)化配置，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。工程從黃河萬(wàn)家寨水利樞紐取水,分別向太原、大同和朔州供水,由總干線、南干線、聯(lián)接段和北干線4部分組成,設(shè)計(jì)年引水量12億m3。引水線路總長(zhǎng)446.7km,其中,總干線44.4km,南干線101.8km,聯(lián)接段139.4km(其中利用汾河河道輸水81.2km),北干線161.1km。一期工程經(jīng)總干線、南干線及聯(lián)接段實(shí)現(xiàn)向南干線供水區(qū)年引水3.2億m3,己于2003年10月投入運(yùn)營(yíng),截至2009年11月底累計(jì)供水4.5億m3,為供水區(qū)徹底扭轉(zhuǎn)地下水持續(xù)超采局面、從根本上緩解水資源供需矛盾提供了可靠保障。萬(wàn)家寨引黃工程南干線供水區(qū)供水后,汾河流域原有地表水、地下水與引黃水融為不可分割的整體,引黃水要經(jīng)過(guò)汾河天然河道及汾河水庫(kù),才能進(jìn)入供水區(qū),才能順河而下逐步改善全流域的生態(tài)環(huán)境,這樣“主水”、“客水”在汾河和水庫(kù)就合二為一。為充分發(fā)揮引黃工程及與其相配套供水工程的效益,合理利用引黃水、區(qū)域地表、地下水,實(shí)現(xiàn)多種水源聯(lián)合利用、互相補(bǔ)濟(jì)和統(tǒng)一管理,形成既滿足區(qū)域發(fā)展的需水要求、又逐步使區(qū)域水環(huán)境向良性方向發(fā)展的水資源利用新格局,就必須用現(xiàn)代化的信息系統(tǒng)做支撐。因此,應(yīng)用信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和現(xiàn)代決策技術(shù)建設(shè)引黃工程供水區(qū)水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng),為水資源配置、調(diào)度、節(jié)約和保護(hù)提供決策依據(jù),實(shí)現(xiàn)供水區(qū)各類水利信息及其處理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化,提高水資源的調(diào)控能力,水工程的自動(dòng)化水平和水管理的信息化水平是十分必要的。1系統(tǒng)建設(shè)和目標(biāo)1.1南干警用水區(qū)萬(wàn)家寨引黃工程水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)范圍界定為以南干線供水區(qū)為界,即由引黃工程總干線、南干線、頭馬營(yíng)出口至汾河三壩區(qū)間組成?？紤]今后水資源統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度的進(jìn)一步發(fā)展,系統(tǒng)為北干線及汾河三壩以下預(yù)留接口。1.2發(fā)展水資源及水保系統(tǒng)建設(shè)的總體目標(biāo)是:建設(shè)覆蓋引黃工程南干線供水區(qū)范圍,具有先進(jìn)技術(shù)水平和充分拓展性能,集信息采集傳輸與處理、優(yōu)化調(diào)度和自動(dòng)監(jiān)控為一體的水利現(xiàn)代化系統(tǒng),使供水管理機(jī)構(gòu)能擁有先進(jìn)的水資源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段,及時(shí)掌握和預(yù)測(cè)汾河上游的天然來(lái)水量,供水區(qū)地下水動(dòng)態(tài)及水質(zhì)動(dòng)態(tài),進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度,以期為引黃供水區(qū)水資源優(yōu)化配置、高效利用和水環(huán)境保護(hù)提供調(diào)度運(yùn)行決策支持,為建立適應(yīng)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)要求的供水體系提供信息、計(jì)量及管理支持,提高供水工程的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益,充分發(fā)揮供水工程的作用,使其成為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。2與調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)的原則萬(wàn)家寨引黃工程供水區(qū)水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)是一項(xiàng)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、涉及面廣的系統(tǒng)工程,為了確保達(dá)到預(yù)期目標(biāo),系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)遵循以下原則:2.1開放式變寬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)(1)實(shí)用性。首先要考慮系統(tǒng)的實(shí)用性和可操作性,根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的規(guī)模。(2)可靠性。在惡劣天氣條件下,在各種突發(fā)事件狀態(tài)下確保系統(tǒng)能正常運(yùn)行。(3)先進(jìn)性。在滿足實(shí)用性基礎(chǔ)上,采用的技術(shù)起點(diǎn)高,盡量選用當(dāng)前最先進(jìn)的軟件、硬件,選用先進(jìn)的預(yù)報(bào)與調(diào)度計(jì)算方法。(4)標(biāo)準(zhǔn)性。本系統(tǒng)由許多子系統(tǒng)組成,為使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、功能齊全、便于調(diào)整擴(kuò)展,按照國(guó)家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建設(shè)。(5)開放性。按開放式系統(tǒng)的要求選擇設(shè)備、組建系統(tǒng),以利于調(diào)整和擴(kuò)展。(6)實(shí)時(shí)性。滿足實(shí)時(shí)調(diào)用信息的需要。2.2統(tǒng)籌規(guī)劃,引導(dǎo)整體系統(tǒng)建設(shè)方向打破部門分割和地區(qū)界限,從整體利益和長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)出發(fā),統(tǒng)籌規(guī)劃,引導(dǎo)整體系統(tǒng)的建設(shè)方向。充分考慮現(xiàn)有基礎(chǔ),防止重復(fù)建設(shè),避免浪費(fèi),根據(jù)實(shí)際需要及可能,分期實(shí)施、急用先建、逐步推進(jìn),逐步形成完整的水資源監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)。3水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度總體控制的階段根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)和建設(shè)原則,系統(tǒng)分兩階段建設(shè)。第一階段的建設(shè)任務(wù)是:(1)初步建成引黃工程南干線供水區(qū)重要控制站點(diǎn)(斷面)水情、工情、雨情、地下水等多源信息實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)和集成,建成取水口門水情、工情信息實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)和集成;(2)實(shí)現(xiàn)引黃工程南干線供水區(qū)水庫(kù)、泵站、閘門、閥室等供水工程遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制;(3)構(gòu)架引黃工程南干線供水區(qū)通信傳輸與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),為系統(tǒng)提供信息傳輸基礎(chǔ)平臺(tái);(4)建設(shè)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),為各個(gè)子系統(tǒng)提供所需數(shù)據(jù)和信息,協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)關(guān)系,并提供一致的數(shù)據(jù)查詢、管理和維護(hù)功能;(5)在建立水資源實(shí)時(shí)信息采集、運(yùn)行監(jiān)控、通信傳輸、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建區(qū)域水資源預(yù)報(bào)子系統(tǒng),對(duì)地表水、地下水進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào),構(gòu)建區(qū)域需水量預(yù)測(cè)子系統(tǒng),對(duì)工農(nóng)業(yè)、生活及生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行預(yù)測(cè),構(gòu)建水資源調(diào)度子系統(tǒng),為多水源優(yōu)化配置與實(shí)時(shí)調(diào)度提供決策支持,構(gòu)建水資源調(diào)度會(huì)商決策子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置方案與實(shí)時(shí)調(diào)度決策的實(shí)施。第一階段建設(shè)任務(wù)的完成將為整個(gè)供水區(qū)水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)建立總體框架。在此基礎(chǔ)上,第二階段將進(jìn)一步擴(kuò)充信息采集范圍和監(jiān)測(cè)監(jiān)控站點(diǎn)數(shù)量、完善通信傳輸和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、開發(fā)各類水資源配置調(diào)度管理軟件,并將系統(tǒng)覆蓋范圍拓寬到包括南干線供水區(qū)、北干線供水區(qū)及三壩以下的汾河生態(tài)供水區(qū)在內(nèi)的整個(gè)引黃工程供水區(qū),完成引黃工程供水區(qū)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、優(yōu)化調(diào)度,實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源優(yōu)化配置,綜合集成水資源決策支持系統(tǒng)。4整體設(shè)計(jì)4.1資源多目標(biāo)管理決策支持系統(tǒng)水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)是建設(shè)一個(gè)以信息采集傳輸、供水工程運(yùn)行監(jiān)控為基礎(chǔ),水資源優(yōu)化配置和調(diào)度運(yùn)行為核心的水資源多目標(biāo)管理決策支持系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)多水源供水的合理調(diào)度控制及多目標(biāo)用水的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理。整個(gè)系統(tǒng)由信息采集、供水工程運(yùn)行監(jiān)控、通信傳輸、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、調(diào)度決策支持6個(gè)子系統(tǒng)組成,其中調(diào)度決策支持系統(tǒng)又包括信息管理子系統(tǒng)、水資源預(yù)報(bào)子系統(tǒng)、區(qū)域需水量預(yù)測(cè)子系統(tǒng)、水資源調(diào)度子系統(tǒng)、水資源事務(wù)管理子系統(tǒng)、水資源調(diào)度會(huì)商決策子系統(tǒng)。4.2和系統(tǒng)信息層支撐層系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)(見圖1)可分為3個(gè)層次:人機(jī)接口層(控制層)、系統(tǒng)應(yīng)用層(功能層)和系統(tǒng)信息層(支撐層)。系統(tǒng)應(yīng)用層通過(guò)人機(jī)接口與決策分析人員和決策者交互,在系統(tǒng)信息層和應(yīng)用層眾多功能的支持下,完成水資源優(yōu)化配置與實(shí)時(shí)調(diào)度決策過(guò)程中各個(gè)階段和各個(gè)環(huán)節(jié)的多種信息查詢、決策方案生成與仿真、決策方案會(huì)商與實(shí)施、決策方案仿真與決策方案實(shí)施結(jié)果的后評(píng)價(jià)等功能。4.3綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)成系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)見圖2。各系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如下:(1)信息采集系統(tǒng)。信息采集系統(tǒng)的主要功能是采集水資源優(yōu)化配置與實(shí)時(shí)調(diào)度決策所需的水情、雨情、工情、旱情、地下水、水質(zhì)、水資源需求和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等信息,通過(guò)多種通信方式把采集的數(shù)據(jù)傳送至各分中心進(jìn)行預(yù)處理后,及時(shí)傳送至綜合數(shù)據(jù)庫(kù),為水資源優(yōu)化配置、實(shí)時(shí)監(jiān)控和科學(xué)調(diào)度提供及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠、豐富的信息源。根據(jù)第一階段的建設(shè)任務(wù)和建設(shè)范圍,規(guī)劃建設(shè)省信息中心及12個(gè)信息分中心,各級(jí)信息中心的設(shè)置及信息采集范圍如下。①供水工程運(yùn)行管理信息分中心,負(fù)責(zé)采集處理供水工程的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息,接收水資源調(diào)度指令;②汾河水庫(kù)運(yùn)行管理信息分中心,負(fù)責(zé)采集處理汾河水庫(kù)自動(dòng)測(cè)報(bào)信息、實(shí)時(shí)運(yùn)行信息及供水信息,接收水資源調(diào)度指令;③汾河二庫(kù)運(yùn)行管理信息分中心,負(fù)責(zé)采集處理汾河二庫(kù)自動(dòng)測(cè)報(bào)信息、實(shí)時(shí)運(yùn)行信息及供水信息,接收水資源調(diào)度指令;④汾河灌區(qū)(一壩、二壩、三壩)運(yùn)行管理信息分中心,負(fù)責(zé)采集處理汾河灌區(qū)灌溉工程實(shí)時(shí)運(yùn)行信息、供水信息和用水計(jì)劃信息,接收水資源調(diào)度指令;⑤忻州、太原、晉中、呂梁地區(qū)水情分中心,負(fù)責(zé)采集處理相應(yīng)行政區(qū)域內(nèi)雨情、河道水庫(kù)水情、墑情、地下水、水環(huán)境信息;⑥忻州、太原、晉中、呂梁地區(qū)分中心,負(fù)責(zé)采集處理相應(yīng)行政區(qū)域內(nèi)工情、旱情、供水、用水計(jì)劃、社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息等,接收水資源調(diào)度指令;⑦省信息中心,負(fù)責(zé)采集處理各信息分中心提供的及通過(guò)其他途徑采集的與水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)相關(guān)的所有信息,負(fù)責(zé)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行維護(hù)。(2)工程運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)。工程運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是利用先進(jìn)的通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體及自動(dòng)控制技術(shù),對(duì)供水工程直接相關(guān)的水庫(kù)、泵站、閘門、閥室等工程運(yùn)行狀況進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè),對(duì)部分重點(diǎn)工程實(shí)行視頻監(jiān)視,以圖形、圖像、數(shù)據(jù)、文本、聲音及視頻等多媒體形式,顯示相關(guān)工程的運(yùn)行狀況信息,實(shí)現(xiàn)在省調(diào)度中心和各地分中心直接了解工程運(yùn)行狀況的目的。同時(shí),對(duì)部分重點(diǎn)工程,根據(jù)需要還將實(shí)施遠(yuǎn)程控制,使對(duì)應(yīng)分中心能通過(guò)發(fā)送指令實(shí)施供水工程的遠(yuǎn)程集中控制。(3)通信傳輸系統(tǒng)。通信傳輸系統(tǒng)構(gòu)成省調(diào)度中心、省水情中心、省調(diào)度備用中心至各分中心,分中心至各個(gè)信息采集站點(diǎn)之間的通信傳輸通道;其中省調(diào)度中心、省水情中心、省調(diào)度備用中心至各分中心之間為骨干通信網(wǎng),各分中心至主要監(jiān)控監(jiān)測(cè)站點(diǎn)之間為地區(qū)通信網(wǎng)。骨干通信網(wǎng)和地區(qū)通信網(wǎng)作為計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)的通道。(4)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由12個(gè)信息采集分中心和省調(diào)度中心、省水情中心、省調(diào)度備用中心的局域網(wǎng)及其通過(guò)骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的廣域網(wǎng)組成,信息通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)預(yù)處理后進(jìn)入綜合數(shù)據(jù)庫(kù),供調(diào)度決策支持系統(tǒng)應(yīng)用。(5)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。綜合數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)由水情、雨情信息庫(kù)、地下水信息庫(kù)、水質(zhì)信息庫(kù)、基本工情庫(kù)、實(shí)時(shí)工情庫(kù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息庫(kù)、圖形庫(kù)等組成,通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索、輸入、輸出、修改、增加、刪除、備份、恢復(fù)等。(6)調(diào)度決策支持系統(tǒng)。調(diào)度決策支持系統(tǒng)由信息管理子系統(tǒng)、水資源預(yù)報(bào)子系統(tǒng)、區(qū)域需水量預(yù)測(cè)子系統(tǒng)、水資源調(diào)度子系統(tǒng)、水資源事務(wù)管理子系統(tǒng)、水資源調(diào)度會(huì)商決策子系統(tǒng)組成。①信息管理子系統(tǒng)。信息管理子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接收與處理、信息綜合查詢、結(jié)果顯示與輸出等功能模塊組成。②水資源預(yù)報(bào)子系統(tǒng)。水資源調(diào)度決策的科學(xué)性依賴于水資源預(yù)報(bào)和水資源需求預(yù)測(cè)的正確合理性。供水區(qū)多種水資源的優(yōu)化配置與實(shí)時(shí)調(diào)度,包括短期及中長(zhǎng)期水資源優(yōu)化配置方案和實(shí)時(shí)調(diào)度決策,分別以月、旬、日為時(shí)段,與水資源調(diào)度決策的時(shí)段相對(duì)應(yīng),水資源預(yù)報(bào)子系統(tǒng)包括長(zhǎng)期來(lái)水預(yù)報(bào)模塊、中期來(lái)水預(yù)報(bào)模塊和短期來(lái)水預(yù)報(bào)模塊。③區(qū)域需水量預(yù)測(cè)子系統(tǒng)。區(qū)域需水量預(yù)測(cè)子系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容是根據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平、區(qū)域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活要求、區(qū)域環(huán)境保護(hù)要求、以及未來(lái)天氣形勢(shì)等因素,預(yù)測(cè)各分區(qū)內(nèi)生活、生產(chǎn)、生態(tài)需水量。④水資源調(diào)度子系統(tǒng)。水資源調(diào)度子系統(tǒng)的任務(wù)是供水區(qū)多種水資源優(yōu)化配置與實(shí)時(shí)調(diào)度。主要功能包括:(a)根據(jù)天氣趨勢(shì)、水雨情、工情、旱情、供水、用水計(jì)劃及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等綜合信息,對(duì)區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀供需水形勢(shì)進(jìn)行綜合分析;(b)在綜合分析的基礎(chǔ)上,擬定調(diào)度運(yùn)行的決策目標(biāo),根據(jù)這一目標(biāo)和工程系統(tǒng)可供使用的調(diào)度手段,建立多水源聯(lián)合調(diào)度的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,進(jìn)而建立區(qū)域水資源優(yōu)化配置模型,分析引黃工程引水方案、汾河水庫(kù)和汾河二庫(kù)運(yùn)行調(diào)度方案、地下水開采方案、污水處理回用方案及供水分配方案,生成區(qū)域水資源實(shí)時(shí)調(diào)度方案;(c)對(duì)擬定的水資源優(yōu)化配置方案和水資源實(shí)時(shí)調(diào)度方案進(jìn)行仿真計(jì)算;(d)對(duì)水資源優(yōu)化配置方案和實(shí)時(shí)調(diào)度方案實(shí)施結(jié)果或仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),供會(huì)商決策參考。水資源調(diào)度子系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程見圖3。⑤水資源事務(wù)管理子系統(tǒng)。水資源事務(wù)管理子系統(tǒng)是對(duì)區(qū)域內(nèi)水資源基本信息(包括氣候、降雨量、水資源量、水資源利用量、供水工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)情況、河網(wǎng)水質(zhì)信息等)、取水許可、水資源規(guī)劃及建設(shè)成果、水資源評(píng)價(jià)及利用成果、水資源保護(hù)、水資源科技以及水資源公眾信息、社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息等進(jìn)行有效管理。其中,取水許可管理是水資源事務(wù)管理的基礎(chǔ)。⑥水資源調(diào)度會(huì)商決策子系統(tǒng)。水資源調(diào)度會(huì)商決策子系統(tǒng)主要是根據(jù)實(shí)時(shí)水雨情情況、供水工程運(yùn)行情況以及水資源調(diào)度其他子系統(tǒng)提供的水資源預(yù)報(bào)成果、水資源需求預(yù)測(cè)、可行的水資源調(diào)度方案及調(diào)度結(jié)果評(píng)價(jià)等進(jìn)行會(huì)商決策,最終確定決策方案并發(fā)布決策指令,同時(shí),利用視頻點(diǎn)播和視頻會(huì)商系統(tǒng),保證會(huì)商實(shí)時(shí)進(jìn)行。會(huì)商過(guò)程的業(yè)務(wù)流程應(yīng)包括:會(huì)商人員登