万家寨引黄工程南干线供水工程水资源利用分析

万家寨引黄工程南干线供水工程水资源利用分析

万家寨黄工程是山西省水资源短缺和生态环境恶化的重要战略基础设施，促进了水资源的优化配置，促进了经济和社会可持续发展。工程从黄河万家寨水利枢纽取水,分别向太原、大同和朔州供水,由总干线、南干线、联接段和北干线4部分组成,设计年引水量12亿m3。引水线路总长446.7km,其中,总干线44.4km,南干线101.8km,联接段139.4km(其中利用汾河河道输水81.2km),北干线161.1km。一期工程经总干线、南干线及联接段实现向南干线供水区年引水3.2亿m3,己于2003年10月投入运营,截至2009年11月底累计供水4.5亿m3,为供水区彻底扭转地下水持续超采局面、从根本上缓解水资源供需矛盾提供了可靠保障。万家寨引黄工程南干线供水区供水后,汾河流域原有地表水、地下水与引黄水融为不可分割的整体,引黄水要经过汾河天然河道及汾河水库,才能进入供水区,才能顺河而下逐步改善全流域的生态环境,这样“主水”、“客水”在汾河和水库就合二为一。为充分发挥引黄工程及与其相配套供水工程的效益,合理利用引黄水、区域地表、地下水,实现多种水源联合利用、互相补济和统一管理,形成既满足区域发展的需水要求、又逐步使区域水环境向良性方向发展的水资源利用新格局,就必须用现代化的信息系统做支撑。因此,应用信息技术、自动控制技术和现代决策技术建设引黄工程供水区水资源实时监控与调度系统,为水资源配置、调度、节约和保护提供决策依据,实现供水区各类水利信息及其处理的数字化、网络化、集成化、智能化,提高水资源的调控能力,水工程的自动化水平和水管理的信息化水平是十分必要的。1系统建设和目标1.1南干警用水区万家寨引黄工程水资源实时监控与调度系统建设范围界定为以南干线供水区为界,即由引黄工程总干线、南干线、头马营出口至汾河三坝区间组成。考虑今后水资源统一管理、统一调度的进一步发展,系统为北干线及汾河三坝以下预留接口。1.2发展水资源及水保系统建设的总体目标是:建设覆盖引黄工程南干线供水区范围,具有先进技术水平和充分拓展性能,集信息采集传输与处理、优化调度和自动监控为一体的水利现代化系统,使供水管理机构能拥有先进的水资源实时监测手段,及时掌握和预测汾河上游的天然来水量,供水区地下水动态及水质动态,进行实时优化调度,以期为引黄供水区水资源优化配置、高效利用和水环境保护提供调度运行决策支持,为建立适应社会主义市场经济要求的供水体系提供信息、计量及管理支持,提高供水工程的经济运行效益,充分发挥供水工程的作用,使其成为区域经济社会可持续发展的重要支撑。2与调度系统建设的原则万家寨引黄工程供水区水资源实时监控与调度系统是一项规模庞大、结构复杂、涉及面广的系统工程,为了确保达到预期目标,系统建设应遵循以下原则:2.1开放式变宽系统结构设计的特点(1)实用性。首先要考虑系统的实用性和可操作性,根据实际需要设计系统的规模。(2)可靠性。在恶劣天气条件下,在各种突发事件状态下确保系统能正常运行。(3)先进性。在满足实用性基础上,采用的技术起点高,尽量选用当前最先进的软件、硬件,选用先进的预报与调度计算方法。(4)标准性。本系统由许多子系统组成,为使系统结构合理、功能齐全、便于调整扩展,按照国家统一标准设计建设。(5)开放性。按开放式系统的要求选择设备、组建系统,以利于调整和扩展。(6)实时性。满足实时调用信息的需要。2.2统筹规划,引导整体系统建设方向打破部门分割和地区界限,从整体利益和长远战略目标出发,统筹规划,引导整体系统的建设方向。充分考虑现有基础,防止重复建设,避免浪费,根据实际需要及可能,分期实施、急用先建、逐步推进,逐步形成完整的水资源监控与调度系统。3水资源实时监控与调度总体控制的阶段根据系统建设目标和建设原则,系统分两阶段建设。第一阶段的建设任务是:(1)初步建成引黄工程南干线供水区重要控制站点(断面)水情、工情、雨情、地下水等多源信息实时采集、监测和集成,建成取水口门水情、工情信息实时采集、监测和集成;(2)实现引黄工程南干线供水区水库、泵站、闸门、阀室等供水工程远程监视和控制;(3)构架引黄工程南干线供水区通信传输与计算机网络,为系统提供信息传输基础平台;(4)建设综合数据库系统,为各个子系统提供所需数据和信息,协调各子系统之间的数据关系,并提供一致的数据查询、管理和维护功能;(5)在建立水资源实时信息采集、运行监控、通信传输、计算机网络、综合数据库系统的基础上,构建区域水资源预报子系统,对地表水、地下水进行动态预报,构建区域需水量预测子系统,对工农业、生活及生态环境需水量进行预测,构建水资源调度子系统,为多水源优化配置与实时调度提供决策支持,构建水资源调度会商决策子系统,实现水资源优化配置方案与实时调度决策的实施。第一阶段建设任务的完成将为整个供水区水资源实时监控与调度系统建立总体框架。在此基础上,第二阶段将进一步扩充信息采集范围和监测监控站点数量、完善通信传输和计算机网络、开发各类水资源配置调度管理软件,并将系统覆盖范围拓宽到包括南干线供水区、北干线供水区及三坝以下的汾河生态供水区在内的整个引黄工程供水区,完成引黄工程供水区系统的实时监控、优化调度,实现区域水资源优化配置,综合集成水资源决策支持系统。4整体设计4.1资源多目标管理决策支持系统水资源实时监控与调度系统是建设一个以信息采集传输、供水工程运行监控为基础,水资源优化配置和调度运行为核心的水资源多目标管理决策支持系统,实现多水源供水的合理调度控制及多目标用水的统一协调管理。整个系统由信息采集、供水工程运行监控、通信传输、计算机网络、综合数据库、调度决策支持6个子系统组成,其中调度决策支持系统又包括信息管理子系统、水资源预报子系统、区域需水量预测子系统、水资源调度子系统、水资源事务管理子系统、水资源调度会商决策子系统。4.2和系统信息层支撑层系统逻辑结构(见图1)可分为3个层次:人机接口层(控制层)、系统应用层(功能层)和系统信息层(支撑层)。系统应用层通过人机接口与决策分析人员和决策者交互,在系统信息层和应用层众多功能的支持下,完成水资源优化配置与实时调度决策过程中各个阶段和各个环节的多种信息查询、决策方案生成与仿真、决策方案会商与实施、决策方案仿真与决策方案实施结果的后评价等功能。4.3综合数据库的构成系统总体功能结构见图2。各系统功能设计如下:(1)信息采集系统。信息采集系统的主要功能是采集水资源优化配置与实时调度决策所需的水情、雨情、工情、旱情、地下水、水质、水资源需求和社会经济等信息,通过多种通信方式把采集的数据传送至各分中心进行预处理后,及时传送至综合数据库,为水资源优化配置、实时监控和科学调度提供及时、准确、可靠、丰富的信息源。根据第一阶段的建设任务和建设范围,规划建设省信息中心及12个信息分中心,各级信息中心的设置及信息采集范围如下。①供水工程运行管理信息分中心,负责采集处理供水工程的实时运行信息,接收水资源调度指令;②汾河水库运行管理信息分中心,负责采集处理汾河水库自动测报信息、实时运行信息及供水信息,接收水资源调度指令;③汾河二库运行管理信息分中心,负责采集处理汾河二库自动测报信息、实时运行信息及供水信息,接收水资源调度指令;④汾河灌区(一坝、二坝、三坝)运行管理信息分中心,负责采集处理汾河灌区灌溉工程实时运行信息、供水信息和用水计划信息,接收水资源调度指令;⑤忻州、太原、晋中、吕梁地区水情分中心,负责采集处理相应行政区域内雨情、河道水库水情、墒情、地下水、水环境信息;⑥忻州、太原、晋中、吕梁地区分中心,负责采集处理相应行政区域内工情、旱情、供水、用水计划、社会经济信息等,接收水资源调度指令;⑦省信息中心,负责采集处理各信息分中心提供的及通过其他途径采集的与水资源实时监控与调度系统相关的所有信息,负责综合数据库的运行维护。(2)工程运行监控系统。工程运行监控系统的主要功能是利用先进的通信、计算机网络、多媒体及自动控制技术,对供水工程直接相关的水库、泵站、闸门、阀室等工程运行状况进行连续自动监测,对部分重点工程实行视频监视,以图形、图像、数据、文本、声音及视频等多媒体形式,显示相关工程的运行状况信息,实现在省调度中心和各地分中心直接了解工程运行状况的目的。同时,对部分重点工程,根据需要还将实施远程控制,使对应分中心能通过发送指令实施供水工程的远程集中控制。(3)通信传输系统。通信传输系统构成省调度中心、省水情中心、省调度备用中心至各分中心,分中心至各个信息采集站点之间的通信传输通道;其中省调度中心、省水情中心、省调度备用中心至各分中心之间为骨干通信网,各分中心至主要监控监测站点之间为地区通信网。骨干通信网和地区通信网作为计算机广域网的通道。(4)计算机网络系统。计算机网络系统由12个信息采集分中心和省调度中心、省水情中心、省调度备用中心的局域网及其通过骨干传输网络构成的广域网组成,信息通过计算机网络平台预处理后进入综合数据库,供调度决策支持系统应用。(5)综合数据库系统。综合数据库系统由水情、雨情信息库、地下水信息库、水质信息库、基本工情库、实时工情库、社会经济信息库、图形库等组成,通过数据库管理实现对数据的存储、检索、输入、输出、修改、增加、删除、备份、恢复等。(6)调度决策支持系统。调度决策支持系统由信息管理子系统、水资源预报子系统、区域需水量预测子系统、水资源调度子系统、水资源事务管理子系统、水资源调度会商决策子系统组成。①信息管理子系统。信息管理子系统由数据接收与处理、信息综合查询、结果显示与输出等功能模块组成。②水资源预报子系统。水资源调度决策的科学性依赖于水资源预报和水资源需求预测的正确合理性。供水区多种水资源的优化配置与实时调度,包括短期及中长期水资源优化配置方案和实时调度决策,分别以月、旬、日为时段,与水资源调度决策的时段相对应,水资源预报子系统包括长期来水预报模块、中期来水预报模块和短期来水预报模块。③区域需水量预测子系统。区域需水量预测子系统的研究内容是根据国民经济和社会发展水平、区域工农业生产和居民生活要求、区域环境保护要求、以及未来天气形势等因素,预测各分区内生活、生产、生态需水量。④水资源调度子系统。水资源调度子系统的任务是供水区多种水资源优化配置与实时调度。主要功能包括:(a)根据天气趋势、水雨情、工情、旱情、供水、用水计划及社会经济等综合信息,对区域内现状供需水形势进行综合分析;(b)在综合分析的基础上,拟定调度运行的决策目标,根据这一目标和工程系统可供使用的调度手段,建立多水源联合调度的优化数学模型,进而建立区域水资源优化配置模型,分析引黄工程引水方案、汾河水库和汾河二库运行调度方案、地下水开采方案、污水处理回用方案及供水分配方案,生成区域水资源实时调度方案;(c)对拟定的水资源优化配置方案和水资源实时调度方案进行仿真计算;(d)对水资源优化配置方案和实时调度方案实施结果或仿真计算结果进行评价,供会商决策参考。水资源调度子系统业务流程见图3。⑤水资源事务管理子系统。水资源事务管理子系统是对区域内水资源基本信息(包括气候、降雨量、水资源量、水资源利用量、供水工程设计、建设、运营情况、河网水质信息等)、取水许可、水资源规划及建设成果、水资源评价及利用成果、水资源保护、水资源科技以及水资源公众信息、社会经济信息等进行有效管理。其中,取水许可管理是水资源事务管理的基础。⑥水资源调度会商决策子系统。水资源调度会商决策子系统主要是根据实时水雨情情况、供水工程运行情况以及水资源调度其他子系统提供的水资源预报成果、水资源需求预测、可行的水资源调度方案及调度结果评价等进行会商决策,最终确定决策方案并发布决策指令,同时,利用视频点播和视频会商系统,保证会商实时进行。会商过程的业务流程应包括:会商人员登