萬家寨引黃工程南干線供水工程水資源利用分析

萬家寨引黃工程南干線供水工程水資源利用分析

萬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)濟和社會可持續(xù)發(fā)展。工程從黃河萬家寨水利樞紐取水,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)計年引水量12億m3。引水線路總長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月投入運營,截至2009年11月底累計供水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)過汾河天然河道及汾河水庫,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,實現(xiàn)多種水源聯(lián)合利用、互相補濟和統(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)水資源實時監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng),為水資源配置、調(diào)度、節(jié)約和保護提供決策依據(jù),實現(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)萬家寨引黃工程水資源實時監(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、頭馬營出口至汾河三壩區(qū)間組成。考慮今后水資源統(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)度和自動監(jiān)控為一體的水利現(xiàn)代化系統(tǒng),使供水管理機構(gòu)能擁有先進(jìn)的水資源實時監(jiān)測手段,及時掌握和預(yù)測汾河上游的天然來水量,供水區(qū)地下水動態(tài)及水質(zhì)動態(tài),進(jìn)行實時優(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)境保護提供調(diào)度運行決策支持,為建立適應(yīng)社會主義市場經(jīng)濟要求的供水體系提供信息、計量及管理支持,提高供水工程的經(jīng)濟運行效益,充分發(fā)揮供水工程的作用,使其成為區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。2與調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)的原則萬家寨引黃工程供水區(qū)水資源實時監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)是一項規(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)計的特點(1)實用性。首先要考慮系統(tǒng)的實用性和可操作性,根據(jù)實際需要設(shè)計系統(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)能正常運行。(3)先進(jìn)性。在滿足實用性基礎(chǔ)上,采用的技術(shù)起點高,盡量選用當(dāng)前最先進(jìn)的軟件、硬件,選用先進(jìn)的預(yù)報與調(diào)度計算方法。(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)整擴展,按照國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計建設(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)整和擴展。(6)實時性。滿足實時調(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,根據(jù)實際需要及可能,分期實施、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水資源實時監(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(斷面)水情、工情、雨情、地下水等多源信息實時采集、監(jiān)測和集成,建成取水口門水情、工情信息實時采集、監(jiān)測和集成;(2)實現(xiàn)引黃工程南干線供水區(qū)水庫、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)通信傳輸與計算機網(wǎng)絡(luò),為系統(tǒng)提供信息傳輸基礎(chǔ)平臺;(4)建設(shè)綜合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),為各個子系統(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、管理和維護功能;(5)在建立水資源實時信息采集、運行監(jiān)控、通信傳輸、計算機網(wǎng)絡(luò)、綜合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建區(qū)域水資源預(yù)報子系統(tǒng),對地表水、地下水進(jìn)行動態(tài)預(yù)報,構(gòu)建區(qū)域需水量預(yù)測子系統(tǒng),對工農(nóng)業(yè)、生活及生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行預(yù)測,構(gòu)建水資源調(diào)度子系統(tǒng),為多水源優(yōu)化配置與實時調(diào)度提供決策支持,構(gòu)建水資源調(diào)度會商決策子系統(tǒng),實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置方案與實時調(diào)度決策的實施。第一階段建設(shè)任務(wù)的完成將為整個供水區(qū)水資源實時監(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)一步擴充信息采集范圍和監(jiān)測監(jiān)控站點數(shù)量、完善通信傳輸和計算機網(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)的整個引黃工程供水區(qū),完成引黃工程供水區(qū)系統(tǒng)的實時監(jiān)控、優(yōu)化調(diào)度,實現(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4.1資源多目標(biāo)管理決策支持系統(tǒng)水資源實時監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)是建設(shè)一個以信息采集傳輸、供水工程運行監(jiān)控為基礎(chǔ),水資源優(yōu)化配置和調(diào)度運行為核心的水資源多目標(biāo)管理決策支持系統(tǒng),實現(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。整個系統(tǒng)由信息采集、供水工程運行監(jiān)控、通信傳輸、計算機網(wǎng)絡(luò)、綜合數(shù)據(jù)庫、調(diào)度決策支持6個子系統(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)報子系統(tǒng)、區(qū)域需水量預(yù)測子系統(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個層次:人機接口層(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)用層通過人機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)化配置與實時調(diào)度決策過程中各個階段和各個環(huán)節(jié)的多種信息查詢、決策方案生成與仿真、決策方案會商與實施、決策方案仿真與決策方案實施結(jié)果的后評價等功能。4.3綜合數(shù)據(jù)庫的構(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)化配置與實時調(diào)度決策所需的水情、雨情、工情、旱情、地下水、水質(zhì)、水資源需求和社會經(jīng)濟等信息,通過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,及時傳送至綜合數(shù)據(jù)庫,為水資源優(yōu)化配置、實時監(jiān)控和科學(xué)調(diào)度提供及時、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個信息分中心,各級信息中心的設(shè)置及信息采集范圍如下。①供水工程運行管理信息分中心,負(fù)責(zé)采集處理供水工程的實時運行信息,接收水資源調(diào)度指令;②汾河水庫運行管理信息分中心,負(fù)責(zé)采集處理汾河水庫自動測報信息、實時運行信息及供水信息,接收水資源調(diào)度指令;③汾河二庫運行管理信息分中心,負(fù)責(zé)采集處理汾河二庫自動測報信息、實時運行信息及供水信息,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)灌溉工程實時運行信息、供水信息和用水計劃信息,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、用水計劃、社會經(jīng)濟信息等,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其他途徑采集的與水資源實時監(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)庫的運行維護。(2)工程運行監(jiān)控系統(tǒng)。工程運行監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是利用先進(jìn)的通信、計算機網(wǎng)絡(luò)、多媒體及自動控制技術(shù),對供水工程直接相關(guān)的水庫、泵站、閘門、閥室等工程運行狀況進(jìn)行連續(xù)自動監(jiān)測,對部分重點工程實行視頻監(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)工程的運行狀況信息,實現(xiàn)在省調(diào)度中心和各地分中心直接了解工程運行狀況的目的。同時,對部分重點工程,根據(jù)需要還將實施遠(yuǎn)程控制,使對應(yīng)分中心能通過發(fā)送指令實施供水工程的遠(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,分中心至各個信息采集站點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)測站點之間為地區(qū)通信網(wǎng)。骨干通信網(wǎng)和地區(qū)通信網(wǎng)作為計算機廣域網(wǎng)的通道。(4)計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由12個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)及其通過骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的廣域網(wǎng)組成,信息通過計算機網(wǎng)絡(luò)平臺預(yù)處理后進(jìn)入綜合數(shù)據(jù)庫,供調(diào)度決策支持系統(tǒng)應(yīng)用。(5)綜合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。綜合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由水情、雨情信息庫、地下水信息庫、水質(zhì)信息庫、基本工情庫、實時工情庫、社會經(jīng)濟信息庫、圖形庫等組成,通過數(shù)據(jù)庫管理實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、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)報子系統(tǒng)、區(qū)域需水量預(yù)測子系統(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)報和水資源需求預(yù)測的正確合理性。供水區(qū)多種水資源的優(yōu)化配置與實時調(diào)度,包括短期及中長期水資源優(yōu)化配置方案和實時調(diào)度決策,分別以月、旬、日為時段,與水資源調(diào)度決策的時段相對應(yīng),水資源預(yù)報子系統(tǒng)包括長期來水預(yù)報模塊、中期來水預(yù)報模塊和短期來水預(yù)報模塊。③區(qū)域需水量預(yù)測子系統(tǒng)。區(qū)域需水量預(yù)測子系統(tǒng)的研究內(nèi)容是根據(jù)國民經(jīng)濟和社會發(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)境保護要求、以及未來天氣形勢等因素,預(yù)測各分區(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)化配置與實時調(diào)度。主要功能包括:(a)根據(jù)天氣趨勢、水雨情、工情、旱情、供水、用水計劃及社會經(jīng)濟等綜合信息,對區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀供需水形勢進(jìn)行綜合分析;(b)在綜合分析的基礎(chǔ)上,擬定調(diào)度運行的決策目標(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、汾河水庫和汾河二庫運行調(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)域水資源實時調(diào)度方案;(c)對擬定的水資源優(yōu)化配置方案和水資源實時調(diào)度方案進(jìn)行仿真計算;(d)對水資源優(yōu)化配置方案和實時調(diào)度方案實施結(jié)果或仿真計算結(jié)果進(jìn)行評價,供會商決策參考。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、建設(shè)、運營情況、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、水資源評價及利用成果、水資源保護、水資源科技以及水資源公眾信息、社會經(jīng)濟信息等進(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)度會商決策子系統(tǒng)。水資源調(diào)度會商決策子系統(tǒng)主要是根據(jù)實時水雨情情況、供水工程運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)報成果、水資源需求預(yù)測、可行的水資源調(diào)度方案及調(diào)度結(jié)果評價等進(jìn)行會商決策,最終確定決策方案并發(fā)布決策指令,同時,利用視頻點播和視頻會商系統(tǒng),保證會商實時進(jìn)行。會商過程的業(yè)務(wù)流程應(yīng)包括:會商人員登