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流域水資源實時監控管理系統研究
發布時間:2019-05-31        瀏覽次數:155        返回列表
 根據我國流域水文水資源特點和供用水特征,基于目前流域所面臨的水資源短缺和污染問題,需要研究和開發流域水資源實時監控管理系統。其重點應放在現有監測站點的調整與完善,水庫運行規則、技術參數的校核與調整,洪水資源調控與地下水人工回灌,污水處理回用與生態環境需水量,防洪與興利統一調度,地表水與地下水資源聯合運用管理等技術研究,以及水資源實時調度管理方案付諸實施后效益與風險分析、系統的標準化等方面。

由于我國獨特的自然地理條件和復雜的水文水資源特點,決定了我國的水資源問題比較復雜,雖然各流域經過四、五十年大規模的水利工程建設,取得了巨大成就,但水資源短缺和污染問題,不僅沒有得到根本性的解決,還有日益嚴峻的趨勢。為了更有效地解決或緩解所面臨的“水少、水臟”問題,需要深入地分析現狀下墊面條件下的流域水循環規律和地表水與地下水之間的相互轉化關系,通過研究流域水資源實時監控管理的基礎理論和技術方法,開發和建設流域水資源實時監控管理系統,以充分利用和挖掘現有水利工程的內部潛力與整體綜合優勢,確保流域水資源的合理開發和高效利用,有力地支持社會經濟的可持續發展。

2系統的構成與技術關鍵

研制流域水資源實時監控管理系統的主要目的是,以水利信息化促進水利現代化,以水利現代化保障水資源的可持續利用,并以水資源的可持續利用來支撐社會經濟的可持續發展。該系統是以水資源實時監測系統為基礎,以現代通信和計算機網絡系統為手段,以水資源優化調度和地表水、地下水、污水處理回用、海水(微咸水)及外調水的聯合高效利用為核心,追求節水、防污、提高水資源利用效率和最終實現水資源的可持續利用為目標,通過水資源信息的實時采集、傳輸、模型分析,及時提供水資源決策方案,并快速給出方案實施情況的后評估結果等,以確保實現水資源的統一、動態和科學管理,做到防洪與興利、地表水與地下水、當地水與外調水、水質與水量、優質水與劣質水之間聯合調度與管理,確保水資源與社會經濟、生態環境之間的協調發展,以支撐社會經濟的可持續發展。

流域水資源實時監控管理系統是一種動態的交互式計算機輔助決策系統,由水資源實時監測、實時評價、實時預報、實時管理、實時調度、決策會商、控制和后評估子系統所組成,是基于可持續發展的思想,根據現代水文水資源科學的有關理論,利用當代先進的系統分析、人工智能、計算機、多媒體及網絡等技術,通過有關專業模型計算、分析和知識推理、判斷等,為決策者提供流域水資源實時管理、調度方案,并允許決策者或專家根據自己的智慧、知識、經驗、偏好和決策風格等進行定性分析與判斷,直接干預方案生成及評價整個決策過程。

根據流域水文水資源特點和供用水特征,基于目前流域所面臨的水資源短缺和水環境惡化問題,研究和開發流域水資源實時監控管理系統。該系統的技術關鍵主要包括:

(1)水資源監測網的調整和完善,河流納污能力及其環境容量,水庫或水庫群運行規則、技術參數的校核與調整,洪水資源調控、污水處理回用與地下水人工回灌,污水總量控制與生態環境需水量,防洪與興利統一調度,地表水與地下水資源聯合運用管理等研究,以及水資源實時調度管理方案付諸實施后效益與風險分析、系統的標準化等。

(2)該系統由龐大而復雜的基礎數據庫、模型數據庫、結果數據庫、專業模型庫和知識庫等組成。其特點是系統規模龐大、處理的數據信息量大,模型運算復雜以及數據傳輸接口多,如何實現信息存儲、加工、傳輸的專業化管理,是一個技術難點。流域的水價政策及水權分配問題,也是影響流域水資源合理開發和高效利用以及實時、統一管理的關鍵。

(3)如何建立和完善與現代水資源管理要求相適應的組織機構和高效、精干的執法隊伍,以及如何制定科學的流域水資源管理規章制度、有關政策和法規條例等,以保障流域水資源實時管理、調度方案的付諸實施,指導流域水資源開發利用和保護。

3系統的主要功能

流域水資源實時監控管理系統的主要功能包括:水資源(及水質)的實時監測、評價、預報和決策支持(實時預報、管理及調度)以及控制、后評估等。

3.1水資源實時監測

水資源實時監測內容主要包括水情、水質、旱情以及其他信息等。在現有監測站網的基礎上,建立和完善統一的水資源(包括大氣降水、地表水、土壤水與地下水)動態監測(站點)網或監測系統(包括雨量、蒸發、徑流、水位、水質、水溫、墑情等監測站點),以及各取水口取水量、開采機井抽水量等監測網,各監測網或系統之間互通有無、資料共享,為水資源的合理開發、高效利用和有效保護及時快速、準確地提供完備的實時監測數據資料。

(1)雨量觀測。目前采用的雨量觀測手段主要是普通自記和人工觀測,為了達到實時監測的目的,需要適時更新現有的觀測設備,裝配翻斗式雨量計并配備固態存儲器等,使雨量觀測工作方式更新為無人值守,有人看護的觀測方式,實現雨量信息的自動采集及傳遞。

(2)水位觀測。水位觀測分為地表水和地下水兩種,地表水多指河流水位和水庫水位等,而地下水就單指地下水位。

①對于基本水尺在橋梁上(或附近有公路橋)的水位觀測,特別是含沙量較大的站,建議采用氣介質超聲波水位計,再采用有線或無線方式將水位信息傳輸到站房。

②對于山區性河流,或斷面穩定,含沙量較小的水位觀測,采用測井式水位觀測,裝配浮子式或壓力式水位計,通過有線或無線方式將水位信息傳輸到站房。

③水庫站一般有自記井,只對其重新裝配浮子式或壓力式水位計,通過有線或無線方式將水位信息傳輸到站房

④地下水位監測目前主要分為手工測繩和自動監測儀兩種。自動監測儀主要通過固態存儲、電話網傳輸、手機網傳輸和電臺傳輸等方式將實時監測到的數據傳輸到中心站。

總之,水位監測,建議均裝配與雨量結合的水位雨量固態存儲器,裝配具有記錄、傳輸、存儲、分析等功能的自動監測系統,最終實現水位遙測自記,自動測報等功能。

(3)流量測驗:在各中心站配備不同形式的橋測車及先進的儀器設備,開展橋測及周圍地區的巡測;纜道及船測站,對現有設施設備進行更新改造,實現水文纜道程控自動化,配備機船,配備先進的測驗儀器設備,全面提高流量測驗的精度,充分滿足防汛、抗旱和水資源統一調配的需要。對水庫站現有的水文纜道進行維修、改造,實現水文纜道的程控自動化,保證流量測驗的精度要求。

(4)取水口及灌區流量觀測:對水庫各取水口分明渠和管道兩種,水位主要采用超聲波自記水位計,流量測驗分不同情況,選擇適用的測流設備。而灌區的水位觀測主要采用超聲波自記水位計等,流量采取不定期電波流速儀率定方式,用水位~流量關系線推求徑流量。

(5)機井開采量實時觀測:地下水開采機井抽水量的觀測,目前一般只有一些機井安裝了水表,大部分機井均未安裝水表。為了能準確取得地下水實際開采量的數據,掌握準確的地下水開采量,需要逐步或有重點地在地下水開采機井上安裝水表。

(6)水質實時監測:水質污染具有理化成分復雜、多樣和點多面廣的特點,不僅受污染源的大小和數量影響,而且還受汛期洪水、降雨的影響。由于多種因素導致的綜合結果,水質參數在成分和時空上的變化非常復雜。傳統的人工現場水樣采集、化驗方式周期太長,難以及時、準確地反映水質變化的性質和過程,所以水資源的開發利用和保護等工作得不到有效監控與科學的管理。水質實時監測就是采用水質自動監測儀器、遠程傳輸設備、在線監控和數據處理軟件,實現對水質參數的連續采集、分析、存儲,并在監測指標超過污染標準時,發出警報,做出污染類型分析等。

(7)墑情實時監測:主要針對大中型灌區的土壤墑情進行實時監測,為適時、適量的節水高效灌溉提供信息支持。并在條件許可的情況下,探討利用遙感技術實時預報土壤墑情(中小尺度上)的可能性,即利用實時遙感信息,根據大中型灌區土壤墑情的實時監測數據,通過與遙感解譯模型進行聯接和耦合計算,實時提供整個流域不同灌區的土壤墑情,為流域節水高效農業的健康發展提供可靠的依據。

3.2 水資源實時評價

水資源實時評價主要是指在時段初對上一時段的水資源數量、質量及其時空分布特征,以及水資源開發利用狀況等進行實時分析和評價,確定水資源及其開發利用形勢和存在的問題等。

(1)水資源數量實時評價:根據雨量、河川徑流、地下水位等實時監測資料等,通過與歷史同期的對比分析,確定和評價水資源數量及豐枯形勢等。

(2)水資源質量實時評價:根據實測的河流、水庫、引水渠的水質實時觀測和地下水質實時監測資料等,通過與歷史同期的對比分析,確定地表水和地下水的水質狀況及污染態勢。其主要評價內容包括:污染程度、范圍及主要污染物,水資源質量,重要河流污染負荷及削減量等。

(3)水資源開發利用實時評價:通過對各取水口取水量、開采機井抽水量和地下水位等實時監測資料,對供用水量進行實時評價,通過與歷史同期的對比分析,實時分析和評價各種水利工程的供水量、不同行業的實際用水量,供用水結構、節水水平,水資源開發利用程度以及當地水資源進一步開發潛力,并實時圈定地下水的開采潛力區、采補平衡區和超采區等。

3.3 水資源實時預報

水資源實時預報主要包括來水預報和需水預報兩部分,來水預報又分為水量預報和水質預報。水量預報包括地表水資源量預報和地下水資源量預報,地表水資源量預報既可細分為當地水和外來水(包括引調水)預報,又可分為汛期徑流預報和枯季(非汛期)徑流預報。需水預報分為工業、農業、生活和生態環境需水量預報。

(1)河川徑流量實時預報。根據河川徑流的形成機理和產流規律,將河川徑流量實時預報分為汛期徑流實時預報和枯季徑流實時預報兩種。汛期產匯流機制主要是超滲產流和蓄滿產流、超滲與蓄滿綜合產流模式:而枯季徑流主要是遵循流域的退水規律。因此,汛期徑流實時預報模型與枯季徑流實時預報模型是不同的,需要分別建立預報模型對汛期徑流量和枯季徑流量進行實時預報。

(2)地下水資源量實時預報。首先分析地下水的形成規律和補給、徑流、排泄條件,以及地下水的賦存規律;然后根據抽水試驗等確定含水層的參數分區,并利用試驗資料和長觀資料確定有關水文地質參數;最后利用均衡法或數學模擬模型法,分析和預報地下水資源量、可開采量及地下水動態分布。

(3)水質實時預報。利用獲得的實時水質監測和污染物排放量等信息,通過所建立的水質實時預報模型,實時預報地下水與地表水水質狀況、污染物類型、污染范圍及污染程度,及時提供水資源污染態勢等信息。

(4)需水量實時預報。根據需水量預報要求,本次將需水門類分為生活、工業、農業、生態環境等四個一級類,每個一級類可以再分成若干個二級類和三級類。根據具體情況和需要,還可以再細分為四級類。根據上述分類方法,可比較容易地合并有關各需水項,獲得需水量過程。

3.4 水資源實時決策支持

水資源實時決策包括水資源實時預報、水資源實時管理和調度,以及決策會商等。

(1)水資源實時預報。對于水資源實時預報,尤其是汛期徑流預報和需水預報,由于受到諸多非確定性因素的影響比較大,很難準確預報,因此需要專家的會商支持、吸收和借鑒領域專家的知識和經驗,以便較準確地預報和確定未來的來水與需水過程等。

(2)水資源實時管理。利用水資源實時評價和實時預報結果等,通過水資源實時管理模型計算,結合領域專家或決策者等積累的知識、經驗和偏好,分水協議、水價政策的經濟調節作用等進行綜合分析,最后提出水資源的實時管理方案,為水資源的合理開發利用和保護等提供決策依據,為水行政主管部門科學地行使其監督和管理職能提供支持,以確保水資源的可持續利用。

(3)水資源實時優化調度。通過前面制定的年度內水資源管理方案,確定水資源優化調度的規則和依據;根據各時段水資源的豐枯情況和污染態勢,通過建立水資源優化調度模型,確定水資源實時調度方案。

(4)水資源決策會商。決策會商是指通過對實時、歷史和預報、管理與調度的各類信息進行重組和加工處理,為討論和分析水資源的豐枯形勢和污染態勢,以及最終確定水資源實時管理和調度方案提供全面的支持。根據利用水資源實時管理模型和調度模型確定的若干管理、調度方案,以及提供的每一種方案的綜合效益分析結果,領導決策層和領域專家,通過全面分析對比和協商、討論,如認為其中一個方案合適則選擇之,并付諸實施。如認為必須進一步做新的方案,則通過水資源實時管理、調度系統,計算和提出新的管理、調度預案,供決策者對新老方案進行對比和選擇。

總之,在面臨重大的水資源決策時,決策會商機制顯得非常重要,有關利益沖突的各方,可以根據所提供的各種預案,包括水資源實時預報方案、實時管理預案和實時調度預案,分析其優劣,進行協商,確定能為有關各方所接受的方案。

3.5 遠程自動控制

控制可分為手工控制和自動控制、半自動控制等,主要是對重要的取水口和開采機井、引水閘門等的控制。根據需要和可能,有重點和有選擇地建立一些遠程自動控制系統是必要的,也是將來的一種發展方向。

3.6 監控管理后評估

為了不斷改進和完善系統的各項功能,需要對系統的重點功能進行后評估。主要內容包括:針對水資源實時調度、管理方案的合理性、實施效果以及預報方案的準確性、控制情況等進行評估,重點分析導致調度、管理方案不合理和效益不好、預報不準確的原因等。

最后,將研制的有關部分內容和功能模塊進行集成,最終建立一套較完整的基于GIS的水資源實時監控管理系統,并進行試運行;通過系統的試運行不斷進行修改和完善,最后正式交付使用,并保證系統能夠穩定運行。

平特肖三中二多少倍