城市智慧流域管控系統(tǒng)研究
——以梧桐山河流域?yàn)槔?/h1>
2022-01-15 06:15蘇東旭張宇峰
蘇東旭 徐 剛 林 健 張宇峰 行 航
(1.深圳市深水水務(wù)咨詢有限公司, 廣東 深圳 518000;2.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院, 湖北 宜昌 443002)
隨著智慧城市建設(shè)的不斷深入推進(jìn),智慧水務(wù)受到越來越多的關(guān)注.作為智慧城市的重要組成部分,智慧水務(wù)充分結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù),不斷提升水務(wù)信息化建設(shè)的整體水平[1].智慧水務(wù)以重點(diǎn)應(yīng)用系統(tǒng)帶動(dòng)水務(wù)信息化建設(shè)效益的發(fā)揮,為水務(wù)管理的精細(xì)化、智慧化提供技術(shù)支撐[2-3].在智慧水務(wù)建設(shè)中,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)揮著重要作用.物聯(lián)網(wǎng)建立在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上,可以實(shí)現(xiàn)信息的自動(dòng)采集和傳輸[4].發(fā)達(dá)國家智慧河道建設(shè)已納入國家戰(zhàn)略體系,美國、澳大利亞、新加坡等國家水務(wù)管理指揮體系健全,數(shù)據(jù)體系成熟,形成了大規(guī)模智慧應(yīng)用,預(yù)知功能突出,減災(zāi)效果顯著.
大部分國外智慧水務(wù)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)輔助和業(yè)務(wù)技術(shù)支持組成,其信息化技術(shù)的主要工作是加強(qiáng)兩者的融合[5].在目標(biāo)不確定的情況下,采用基于多準(zhǔn)則決策(MCDM)技術(shù),將MCDM 技術(shù)與隨機(jī)模擬和偏好順序沖突相結(jié)合應(yīng)用[6].
西班牙馬德里的Valdebebas智慧城市灌溉系統(tǒng)利用智能灌溉使公園管理者更好地管理灌溉[7].美國智能水網(wǎng)(National Smart Water Grid)[8]可精密感知水網(wǎng)狀態(tài),并將感知、通信、控制及調(diào)度系統(tǒng)集成,通過調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化配置水資源.澳大利亞智能水網(wǎng)工程[9]主要通過構(gòu)建智能化的水資源管理平臺,降低水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)并實(shí)現(xiàn)多水源高效利用,以應(yīng)對干旱,確保長期的水安全.
為了解決新加坡的水資源短缺問題,新加坡成立了供水管網(wǎng)部(Water Supply Network Department,PUB),2011年開始了自己的智慧水務(wù)研究[10].PUB負(fù)責(zé)新加坡水的收集、生產(chǎn)、分配和回收.研究路線圖分3個(gè)階段:資產(chǎn)管理、流程應(yīng)用和客戶參與.在資產(chǎn)管理階段重點(diǎn)是數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)庫集成和風(fēng)險(xiǎn)管理框架開發(fā).實(shí)時(shí)監(jiān)控以及事件和需求等措施預(yù)測是第二階段的核心應(yīng)用.
我國智慧水務(wù)建設(shè)還處于實(shí)踐探索階段[11-22],王建華等[11-12]提出了中國城市智能水網(wǎng)建設(shè)發(fā)展路徑和關(guān)鍵技術(shù).包括北京、鄭州、深圳等[15-16,20]各城市都開展各具特色的水務(wù)信息化建設(shè).總體來說,近年來智慧水務(wù)在我國發(fā)展較快,并且發(fā)揮了一定的效果.
未來,城市河道管養(yǎng)業(yè)務(wù)將成為核心業(yè)務(wù)之一,為加強(qiáng)以河道為核心的全流域管控,以技術(shù)手段提高城市河道管養(yǎng)業(yè)務(wù)水平,促進(jìn)城市智慧化水務(wù)發(fā)展,有必要開展城市智慧河網(wǎng)管控決策模型及技術(shù)支持平臺研究,通過城市流域產(chǎn)匯流特性、一維河道水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)規(guī)律、一維河道污染物濃度擴(kuò)散規(guī)律、河道管控預(yù)警指標(biāo)和河網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度規(guī)律特性研究,研發(fā)城市智慧河網(wǎng)管控決策支持平臺,采用虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)手段,形成高度互聯(lián)、高度協(xié)同的智能信息系統(tǒng),結(jié)合深圳城市地形地貌,以精細(xì)化水文預(yù)報(bào)為依據(jù),基于聯(lián)合調(diào)度模型和算法制定河道水閘、泵站、管網(wǎng)、水庫聯(lián)合防洪、生態(tài)、供水調(diào)度決策方案,為城市智慧河網(wǎng)管控提供決策依據(jù).
深圳市是我國最具經(jīng)濟(jì)活力的城市之一,《深圳市信息化發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出,到2020年深圳市要建成國家新型智慧城市標(biāo)桿市[23].隨著深圳市智慧城市建設(shè)的不斷深入,智慧水務(wù)在流域治理和綜合管理領(lǐng)域的建設(shè)需要進(jìn)一步加強(qiáng).因此以梧桐山河流域?yàn)樵圏c(diǎn)進(jìn)行智慧管控研究具有重要意義.
1 管控系統(tǒng)業(yè)務(wù)構(gòu)成
梧桐山河流域位于深圳市羅湖區(qū)梧桐山國家森林公園,屬東深供水水系,為飲用水源保護(hù)區(qū).河道上游建有橫瀝口水庫,河道長3.87 km,流域面積12.53 km2,河道防洪標(biāo)準(zhǔn)50年一遇.
為實(shí)現(xiàn)全流域統(tǒng)一、全面、整體的系統(tǒng)性管理,本文提出全流域管理理念,形成全流域、全周期、全要素系統(tǒng)性管控格局.城市流域河道同時(shí)承擔(dān)了防洪、供水、生態(tài)等多項(xiàng)任務(wù),不同任務(wù)目標(biāo)往往都存在相互影響、相互制約的關(guān)系.本系統(tǒng)根據(jù)城市河道所處全流域防洪、生態(tài)、供水的需求,研究建立水質(zhì)、水動(dòng)力及防洪調(diào)度、供水調(diào)度和綜合效益最大化調(diào)度模型.
研究建立以“智能感知、智能組合、智能調(diào)度、智能預(yù)警、智能學(xué)習(xí)”五個(gè)智能理念為核心的技術(shù)支持平臺,構(gòu)建以管控預(yù)報(bào)預(yù)警體系、河網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度體系、管控業(yè)務(wù)自動(dòng)化流程化體系為核心的管理模式.從防洪安全、水環(huán)境保護(hù)、工程安全、河道安全管控、河湖長管理等方面進(jìn)行設(shè)計(jì).
在水利部新的“補(bǔ)短板,強(qiáng)監(jiān)管”治水理念背景下,城市智慧流域管控系統(tǒng)業(yè)務(wù)主要包括:防汛、水質(zhì)、工程安全以及河道管養(yǎng).通過一系列技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)對流域防洪、水環(huán)境、工程安全的全面監(jiān)管.
1.1 防汛安全管控
防汛管控包括流域水雨情數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集,包括徑流數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、雨量數(shù)據(jù)等常規(guī)數(shù)據(jù)的采集,實(shí)時(shí)流域水文預(yù)報(bào),實(shí)時(shí)流域水庫調(diào)度,實(shí)時(shí)河道沿程水位演算.
1)水雨情數(shù)據(jù)采集.在梧桐山干流、5 條支流入河口以及橫瀝口水庫壩前布設(shè)水文水位雨量監(jiān)測站點(diǎn),實(shí)時(shí)采集梧桐山全流域水雨情數(shù)據(jù),儀器搭載4G模塊可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)、自動(dòng)化采集數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對河道及水庫水位、降雨量的監(jiān)測.采用流速儀及ADCP設(shè)備監(jiān)測河道流量數(shù)據(jù).
2)實(shí)時(shí)水文預(yù)報(bào).根據(jù)洪水形成原理及運(yùn)動(dòng)規(guī)律,利用前期和現(xiàn)時(shí)的水文、氣象等信息,對流域未來的洪水進(jìn)行預(yù)報(bào).
3)實(shí)時(shí)水庫調(diào)度.水庫防洪調(diào)度是水庫運(yùn)行管理的非工程措施之一,能夠有效解決防洪安全問題,提高洪水資源的利用效率.梧桐山流域防洪調(diào)度的目標(biāo)是保證水庫安全防洪以及下游河道防洪安全.
4)實(shí)時(shí)河道沿程水位演算.建立梧桐山流域河道一維水力學(xué)模型,根據(jù)上游橫瀝口水庫實(shí)時(shí)水庫調(diào)度計(jì)算下泄流量,采用水力學(xué)模型進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算,推算下游河道沿程水位.
1.2 水質(zhì)安全管控
梧桐山流域匯入深圳水庫,其水質(zhì)要求屬于地表水二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),因此做好水質(zhì)安全管控至關(guān)重要.
1)水質(zhì)數(shù)據(jù)采集
在梧桐山河5條支流入河口及深圳水庫入庫斷面設(shè)置6個(gè)水質(zhì)采樣點(diǎn),采用固定與移動(dòng)相結(jié)合的方式,運(yùn)用先進(jìn)進(jìn)口光學(xué)水質(zhì)分析儀EXO2檢測水質(zhì)常規(guī)7參,水質(zhì)分析儀EXO2搭載4G 模塊可遠(yuǎn)程采集水質(zhì)7參實(shí)時(shí)傳輸至服務(wù)器.
2)河道水質(zhì)污染模擬
研究建立梧桐山流域一維河道水質(zhì)污染擴(kuò)散計(jì)算模型,模擬河道內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律及入河污染物的遷移擴(kuò)散特征.
1.3 工程安全管控
1)工程基本參數(shù)復(fù)核
在梧桐山流域運(yùn)用無人機(jī)技術(shù)制作先進(jìn)的流域VR 全景影像;采用高精度GPS設(shè)備測量流域地形,基于高程數(shù)據(jù)形成流域二維、三維地圖,建立流域DEM 數(shù)字高程模型;并使用搭載回聲儀和GPS的動(dòng)力無人船對橫瀝口水庫進(jìn)行了水下測繪,對其水下地形進(jìn)行了三維模擬,復(fù)核水庫特征曲線.
2)工程位移監(jiān)測
工程安全方面,運(yùn)用北斗衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集工程數(shù)據(jù),基于實(shí)時(shí)差分解算算法,對橫瀝口水庫大壩及梧桐山河道進(jìn)行位移變形監(jiān)測并及時(shí)預(yù)警,提升工程安全管理的科學(xué)性、及時(shí)性和有效性.
3)河道安全區(qū)域管控
河道禁止下河管控區(qū)域,通過運(yùn)用高清全景監(jiān)控系統(tǒng),搭載了?？?700安防監(jiān)控平臺,對河道管理范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.
1.4 流域河道管養(yǎng)
梧桐山流域河道管養(yǎng)業(yè)務(wù)主要包括日常河道管養(yǎng)業(yè)務(wù)及管養(yǎng)事件的報(bào)送和處理.河道日常管養(yǎng)業(yè)務(wù)主要是對管理范圍內(nèi)的管養(yǎng)、維護(hù).
系統(tǒng)管養(yǎng)人員采用電子工牌實(shí)現(xiàn)河道高效管養(yǎng)管理.員工通過佩戴電子工牌實(shí)時(shí)定位,利用河道管養(yǎng)業(yè)務(wù)移動(dòng)端APP 完成日常巡河和工單上報(bào)的任務(wù),同時(shí)在系統(tǒng)大屏上可實(shí)時(shí)跟蹤員工巡河軌跡.
2 管控系統(tǒng)功能
2.1 智能化數(shù)據(jù)采集
城市智慧流域管控?cái)?shù)據(jù)信息量大,因素龐雜.其受降水、徑流、溫度、大壩防洪、泄水與供水、水質(zhì)等眾多自然環(huán)境、工程設(shè)備的因素制約.因此,建立一體化數(shù)據(jù)采集,采集河道管控過程中不同工作站、移動(dòng)終端、自動(dòng)傳感器數(shù)據(jù),建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫和規(guī)范的數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)智慧河網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的集成.
1)地理信息是河道流域管理的重要部分.主要包含以下內(nèi)容:河道流域?qū)傩孕畔?河道地理位置信息;二維平面信息;三維實(shí)景模型;地理信息管理要求既具備專業(yè)的數(shù)據(jù)處理能力,又可為客戶進(jìn)行便捷的數(shù)據(jù)展示提供支撐.
2)工程設(shè)備(包括水庫大壩、河堤、排污口、雨洪口等)狀態(tài)參數(shù)信息,并作為水庫、河道聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的邊界條件.河道流域除了有天然的地理信息外,還有大量的附屬設(shè)施及檔案資料需要系統(tǒng)性的管理,主要包括以下內(nèi)容:泵站閘門;排水設(shè)施;排水口相關(guān)設(shè)施;河湖動(dòng)態(tài)信息臺賬;河湖樹狀結(jié)構(gòu).
3)水文數(shù)據(jù)(降雨、徑流、水位)是流域管理的重要組成部分,關(guān)乎著城市內(nèi)澇、防汛泄洪等城市安全,主要包括:流速、水位、雨量、流量、含沙量等.水文數(shù)據(jù)為徑流預(yù)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).
4)河道水質(zhì)數(shù)據(jù)關(guān)乎著城市水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境安全,主要包括:COD、濁度、水常規(guī)5 項(xiàng)、TN、TP、氨氮、透明度、ORP等.
5)管養(yǎng)安監(jiān)是河道正常穩(wěn)定運(yùn)行的保障,主要包括以下幾個(gè)方面:巡查執(zhí)法管理、日常管養(yǎng)、故障上報(bào)、視頻安全監(jiān)控、景觀養(yǎng)護(hù)等.河道管控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)收集整理、實(shí)時(shí)查詢,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析作為河道管控人員管理考核依據(jù).
另外系統(tǒng)采用無人機(jī)、水上無人艇、基于北斗衛(wèi)星的位移監(jiān)測等技術(shù)構(gòu)建空天地水一體化監(jiān)測體系.整個(gè)流域數(shù)據(jù)采集布控點(diǎn)如圖1所示.
圖1 流域管控?cái)?shù)據(jù)采集布設(shè)示意圖
2.2 流域水情實(shí)時(shí)計(jì)算模擬
城市智慧流域管控系統(tǒng)除了智能數(shù)據(jù)采集,更重要的是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)時(shí)精確的數(shù)據(jù)分析模擬計(jì)算.系統(tǒng)建立流域水文、水動(dòng)力學(xué)、水質(zhì)計(jì)算模型.基于新安江模型,建立梧桐山流域水文預(yù)報(bào)模型.根據(jù)實(shí)測流量數(shù)據(jù)率定了橫瀝口水庫以上和茂仔水區(qū)間的模型參數(shù).系統(tǒng)基于實(shí)測降雨量、深圳氣象臺提供羅湖區(qū)未來6 h降雨量數(shù)據(jù)每小時(shí)進(jìn)行滾動(dòng)預(yù)報(bào),進(jìn)行未來6 h橫瀝口水庫及各支流的徑流預(yù)報(bào).
建立梧桐山河一維水力學(xué)計(jì)算模型.沿程共劃分57個(gè)計(jì)算斷面,基于水文預(yù)報(bào)及水庫調(diào)度數(shù)據(jù),系統(tǒng)每小時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算每個(gè)斷面的水位、流速、河寬的水力學(xué)要素,繪制河道沿程水面線.
圖2 水力學(xué)計(jì)算模型
建立梧桐山河水質(zhì)一維水力學(xué)水質(zhì)擴(kuò)散計(jì)算模型.沿程共劃分57個(gè)計(jì)算斷面,實(shí)時(shí)模擬每個(gè)斷面的TN、TP、氨氮、CBOD 等水質(zhì)因子沿程擴(kuò)散,在水質(zhì)邊界條件、初始值及氣象數(shù)據(jù)已知的基礎(chǔ)上,利用模型模擬河道暢流期污染物濃度縱向沿程分布.
圖3 水質(zhì)污染擴(kuò)散模擬模型
上述模型數(shù)據(jù)在底層數(shù)據(jù)庫層面實(shí)現(xiàn)共享,基于系統(tǒng)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),根據(jù)模型邊界條件,由系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用實(shí)時(shí)進(jìn)行分析計(jì)算模擬.
2.3 實(shí)時(shí)自動(dòng)化分析和預(yù)警
流域智慧管控平臺預(yù)警體系,包括防汛預(yù)警、水質(zhì)安全預(yù)警、工程安全預(yù)警及河道管養(yǎng).防汛預(yù)警主要是對水庫水位、河道水位流量進(jìn)行預(yù)警;水質(zhì)安全預(yù)警主要是對各監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警;工程安全預(yù)警主要是對大壩位移變形、河道邊坡變形的預(yù)警;河道管養(yǎng)主要是對涉河水工建筑物、彩虹橋上及附近人員安全進(jìn)行預(yù)警,實(shí)時(shí)監(jiān)控河道邊坡綠道上是否有人惡意破壞景觀等、行人是否進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)(如違規(guī)下水、進(jìn)入閘門口)等情況,并通過擴(kuò)聲系統(tǒng)進(jìn)行警告提醒.
系統(tǒng)根據(jù)關(guān)鍵控制點(diǎn)的預(yù)警指標(biāo),將預(yù)報(bào)、調(diào)度模型與預(yù)警指標(biāo)實(shí)時(shí)融合,實(shí)現(xiàn)智能分析預(yù)警功能,將預(yù)警信息在GIS地圖上直觀展示并以短信等手段通知相關(guān)管理人員.
圖4 實(shí)時(shí)分析預(yù)警系統(tǒng)
系統(tǒng)以防洪安全、水質(zhì)安全、工程安全、河道安全為標(biāo)準(zhǔn),研究設(shè)計(jì)、篩選水庫、河道預(yù)警指標(biāo),上述預(yù)警分為一級、二級、三級和四級,分別用紅色、橙色、黃色和藍(lán)色標(biāo)示.研究開發(fā)實(shí)時(shí)預(yù)警指標(biāo)算法,采用水文、水動(dòng)力學(xué)、水質(zhì)污染物濃度擴(kuò)散模型,根據(jù)實(shí)時(shí)水雨情、水質(zhì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)演算關(guān)鍵控制點(diǎn)的預(yù)警指標(biāo),將預(yù)報(bào)、調(diào)度模型與預(yù)警指標(biāo)融合,實(shí)現(xiàn)智能實(shí)時(shí)分析預(yù)警功能.
圖5 一體化預(yù)報(bào)預(yù)警體系圖
2.4 基于GIS一張圖的全流域管控體系
系統(tǒng)建立監(jiān)控中心,以二維和三維GIS技術(shù)作為支撐,將水庫、河道等附屬工程狀態(tài)信息、水雨情信息、水質(zhì)信息、日常管控業(yè)務(wù)信息,通過多數(shù)據(jù)源融合集中展示流域GIS圖.以開發(fā)的水文泥沙模型、調(diào)度模型、水質(zhì)評價(jià)模型、圖像識別模型為基礎(chǔ),根據(jù)實(shí)時(shí)水雨情、水質(zhì)監(jiān)控、安全監(jiān)控、圖像監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)演算、識別分析,將分析計(jì)算數(shù)據(jù)在GIS地圖上直觀展示.系統(tǒng)監(jiān)控中心展示如圖6所示.
圖6 智慧流域管控系統(tǒng)大屏
基于GIS 地圖地理信息展示,將工程、人員、車輛、物資等標(biāo)識在地圖上、全面掌控,可以實(shí)現(xiàn)管控各單位的態(tài)勢分布管理和展示,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和指揮能力.達(dá)到資源顯示和指揮調(diào)度一體化的效果,實(shí)現(xiàn)“重點(diǎn)場所可視化、區(qū)域防控實(shí)時(shí)化、信息獲取立體化、調(diào)度指揮扁平化、情況處置數(shù)字化”.
系統(tǒng)通過研發(fā)的水文、調(diào)度、水質(zhì)、圖像識別等模型,采用云計(jì)算技術(shù)對不同目標(biāo)函數(shù)、水庫、河道的不同組合進(jìn)行仿真計(jì)算,給出管控防洪、水質(zhì)工況下的最優(yōu)調(diào)度運(yùn)行方案,實(shí)現(xiàn)在給定水文氣象條件下,實(shí)時(shí)自動(dòng)仿真模擬出不同系統(tǒng)調(diào)度工況下水庫、河道的水位、水質(zhì)等狀態(tài)信息,給出推薦調(diào)度決策建議,實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度功能.
3 系統(tǒng)應(yīng)用情況
上文介紹的設(shè)備、模型、軟件系統(tǒng)于2019年初開始建設(shè),2019年6月系統(tǒng)建成并投入運(yùn)行.
系統(tǒng)按照基于Web服務(wù)的3層B/S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),劃分為界面層、應(yīng)用服務(wù)層、數(shù)據(jù)庫層.
圖7 系統(tǒng)體系架構(gòu)圖
系統(tǒng)具體功能模塊分為:水務(wù)預(yù)警、水質(zhì)調(diào)度、防洪調(diào)度、河道管養(yǎng)、綜合信息、用戶權(quán)限管理.
系統(tǒng)建成后按照每5 min一次頻率進(jìn)行流域水文、水質(zhì)、工情數(shù)據(jù)采集.圖8顯示系統(tǒng)建成后采集的部分水情、水質(zhì)、工期數(shù)據(jù).
圖8 系統(tǒng)采集流域?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)
結(jié)合深圳氣象局發(fā)布的未來降雨預(yù)報(bào)和實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù),系統(tǒng)每小時(shí)進(jìn)行一次水情預(yù)報(bào)和水庫調(diào)洪計(jì)算,并調(diào)用水力學(xué)模型進(jìn)行河道沿程水位計(jì)算,圖9顯示河道沿程水力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù).
圖9 系統(tǒng)水力學(xué)模型
當(dāng)完成小時(shí)計(jì)算后,根據(jù)關(guān)鍵控制點(diǎn)的預(yù)警指標(biāo),將預(yù)報(bào)、調(diào)度模型與預(yù)警指標(biāo)融合,實(shí)現(xiàn)智能實(shí)時(shí)分析預(yù)警功能.
2019年7月31日9時(shí)許,南海海域形成熱帶風(fēng)暴韋帕(英語:Tropical Storm Wipha,國際編號:1907,聯(lián)合臺風(fēng)警報(bào)中心:08W).臺風(fēng)帶來短時(shí)降雨極大,預(yù)計(jì)深圳全市6 h內(nèi)將出現(xiàn)50 mm 或以上降水,深圳市氣象臺于2019年7月31日06時(shí)30分在全市發(fā)布暴雨黃色分區(qū)預(yù)警,全市進(jìn)入暴雨戒備狀態(tài).
圖10 智慧流域管控系統(tǒng)臺風(fēng)路徑顯示
根據(jù)深圳氣象臺未來10 h的滾動(dòng)氣象預(yù)報(bào)和梧桐山流域?qū)崪y降雨量數(shù)據(jù),系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)預(yù)警.從2019年7月31日8時(shí)開始至2019年8月3日23時(shí)進(jìn)行滾動(dòng)水文預(yù)報(bào)和水位預(yù)警.其中根據(jù)7月31日17時(shí)氣象預(yù)報(bào)和當(dāng)前降雨所做預(yù)報(bào)過程線如圖11 所示,據(jù)此預(yù)報(bào),系統(tǒng)給出水庫最高水位94.06 m,最大下泄流量4.73 m3/s的預(yù)報(bào),并以短信和系統(tǒng)水情簡報(bào)形式發(fā)布預(yù)警.相應(yīng)于預(yù)報(bào),在8月1日上午采用ADCP實(shí)測最大流量為5.379 m3/s.
圖11 預(yù)報(bào)入庫流量過程線
圖12 ADCP實(shí)測流量
同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)7月31日17時(shí)預(yù)報(bào)的最大下泄流量調(diào)用水力學(xué)計(jì)算模型推算了梧桐山河河道斷面沿程水位過程如圖13所示.
圖13 沿程水位過程線
在系統(tǒng)采用水力學(xué)模型推算河道水面線的同時(shí),為驗(yàn)證推算結(jié)果,同時(shí)測驗(yàn)了河道斷面水位,其中水力學(xué)模型29號斷面位于梧桐山彩虹橋下游,2019年8月1日10時(shí)實(shí)測斷面水位44.282 m,相應(yīng)水力學(xué)模型推算河道水位44.231 m,結(jié)果表明推算結(jié)果合理.
系統(tǒng)運(yùn)行后,在梧桐山流域防洪預(yù)警、水質(zhì)擴(kuò)散分析、河道管養(yǎng)方面發(fā)揮了較好的作用.
4 結(jié) 論
基于Web服務(wù)三層B/S結(jié)構(gòu)的智慧流域管控系統(tǒng)已在深圳羅湖區(qū)梧桐山流域得到應(yīng)用,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,反響良好.系統(tǒng)建設(shè)了水情、水質(zhì)、工期、視頻采集網(wǎng)絡(luò)及無人機(jī)、水上無人艇、基于北斗衛(wèi)星的位移監(jiān)測等技術(shù)構(gòu)建空天地水一體化的監(jiān)測體系,構(gòu)建智能化數(shù)據(jù)采集體系;系統(tǒng)開發(fā)流域水文、水動(dòng)力學(xué)、水質(zhì)計(jì)算模型,實(shí)現(xiàn)了流域水力學(xué)、水質(zhì)因子的實(shí)時(shí)計(jì)算模擬;系統(tǒng)建立了流域智慧管控平臺預(yù)警體系,包括防汛預(yù)警、水質(zhì)安全預(yù)警、工程安全預(yù)警,實(shí)時(shí)自動(dòng)化分析和預(yù)警;系統(tǒng)以二維和三維GIS技術(shù)作為支撐,將水庫、河道等附屬工程狀態(tài)信息、水雨情信息、水質(zhì)信息、日常管控業(yè)務(wù)信息,通過多數(shù)據(jù)源融合集中展示于流域GIS一張圖支撐決策支持.智慧流域管控系統(tǒng)集監(jiān)測、預(yù)警、決策為一體,極大提升了流域管理的能力和效率.
猜你喜歡
高速公路隧道智慧管養(yǎng)信息化應(yīng)用研究人民交通(2022年19期)2022-11-07 昌江流域9次致洪大暴雨的空間分布與天氣系統(tǒng)分析成都信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)(2021年3期)2021-11-22 彎道之妙閱讀與作文（小學(xué)低年級版）(2021年5期)2021-09-10 撮糧之術(shù)(下)奧秘(2019年7期)2019-07-29 積極做好河道治理中的生態(tài)修復(fù)與建設(shè)中國新技術(shù)新產(chǎn)品(2018年17期)2018-11-29 河道里的垃圾作文周刊·小學(xué)二年級版(2018年21期)2018-09-06 林業(yè)病蟲害管養(yǎng)策略中國綠色畫報(bào)(2018年3期)2018-08-07 河南省小流域綜合治理調(diào)查人大建設(shè)(2017年6期)2017-09-26 稱“子流域”，還是稱“亞流域”？中國科技術(shù)語(2016年4期)2016-11-19 財(cái)政預(yù)算的城市管理和管養(yǎng)問題研究科技經(jīng)濟(jì)市場(2016年2期)2016-06-16
蘇東旭 徐 剛 林 健 張宇峰 行 航
(1.深圳市深水水務(wù)咨詢有限公司, 廣東 深圳 518000;2.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院, 湖北 宜昌 443002)
隨著智慧城市建設(shè)的不斷深入推進(jìn),智慧水務(wù)受到越來越多的關(guān)注.作為智慧城市的重要組成部分,智慧水務(wù)充分結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù),不斷提升水務(wù)信息化建設(shè)的整體水平[1].智慧水務(wù)以重點(diǎn)應(yīng)用系統(tǒng)帶動(dòng)水務(wù)信息化建設(shè)效益的發(fā)揮,為水務(wù)管理的精細(xì)化、智慧化提供技術(shù)支撐[2-3].在智慧水務(wù)建設(shè)中,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)揮著重要作用.物聯(lián)網(wǎng)建立在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上,可以實(shí)現(xiàn)信息的自動(dòng)采集和傳輸[4].發(fā)達(dá)國家智慧河道建設(shè)已納入國家戰(zhàn)略體系,美國、澳大利亞、新加坡等國家水務(wù)管理指揮體系健全,數(shù)據(jù)體系成熟,形成了大規(guī)模智慧應(yīng)用,預(yù)知功能突出,減災(zāi)效果顯著.
大部分國外智慧水務(wù)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)輔助和業(yè)務(wù)技術(shù)支持組成,其信息化技術(shù)的主要工作是加強(qiáng)兩者的融合[5].在目標(biāo)不確定的情況下,采用基于多準(zhǔn)則決策(MCDM)技術(shù),將MCDM 技術(shù)與隨機(jī)模擬和偏好順序沖突相結(jié)合應(yīng)用[6].
西班牙馬德里的Valdebebas智慧城市灌溉系統(tǒng)利用智能灌溉使公園管理者更好地管理灌溉[7].美國智能水網(wǎng)(National Smart Water Grid)[8]可精密感知水網(wǎng)狀態(tài),并將感知、通信、控制及調(diào)度系統(tǒng)集成,通過調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化配置水資源.澳大利亞智能水網(wǎng)工程[9]主要通過構(gòu)建智能化的水資源管理平臺,降低水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)并實(shí)現(xiàn)多水源高效利用,以應(yīng)對干旱,確保長期的水安全.
為了解決新加坡的水資源短缺問題,新加坡成立了供水管網(wǎng)部(Water Supply Network Department,PUB),2011年開始了自己的智慧水務(wù)研究[10].PUB負(fù)責(zé)新加坡水的收集、生產(chǎn)、分配和回收.研究路線圖分3個(gè)階段:資產(chǎn)管理、流程應(yīng)用和客戶參與.在資產(chǎn)管理階段重點(diǎn)是數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)庫集成和風(fēng)險(xiǎn)管理框架開發(fā).實(shí)時(shí)監(jiān)控以及事件和需求等措施預(yù)測是第二階段的核心應(yīng)用.
我國智慧水務(wù)建設(shè)還處于實(shí)踐探索階段[11-22],王建華等[11-12]提出了中國城市智能水網(wǎng)建設(shè)發(fā)展路徑和關(guān)鍵技術(shù).包括北京、鄭州、深圳等[15-16,20]各城市都開展各具特色的水務(wù)信息化建設(shè).總體來說,近年來智慧水務(wù)在我國發(fā)展較快,并且發(fā)揮了一定的效果.
未來,城市河道管養(yǎng)業(yè)務(wù)將成為核心業(yè)務(wù)之一,為加強(qiáng)以河道為核心的全流域管控,以技術(shù)手段提高城市河道管養(yǎng)業(yè)務(wù)水平,促進(jìn)城市智慧化水務(wù)發(fā)展,有必要開展城市智慧河網(wǎng)管控決策模型及技術(shù)支持平臺研究,通過城市流域產(chǎn)匯流特性、一維河道水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)規(guī)律、一維河道污染物濃度擴(kuò)散規(guī)律、河道管控預(yù)警指標(biāo)和河網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度規(guī)律特性研究,研發(fā)城市智慧河網(wǎng)管控決策支持平臺,采用虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)手段,形成高度互聯(lián)、高度協(xié)同的智能信息系統(tǒng),結(jié)合深圳城市地形地貌,以精細(xì)化水文預(yù)報(bào)為依據(jù),基于聯(lián)合調(diào)度模型和算法制定河道水閘、泵站、管網(wǎng)、水庫聯(lián)合防洪、生態(tài)、供水調(diào)度決策方案,為城市智慧河網(wǎng)管控提供決策依據(jù).
深圳市是我國最具經(jīng)濟(jì)活力的城市之一,《深圳市信息化發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出,到2020年深圳市要建成國家新型智慧城市標(biāo)桿市[23].隨著深圳市智慧城市建設(shè)的不斷深入,智慧水務(wù)在流域治理和綜合管理領(lǐng)域的建設(shè)需要進(jìn)一步加強(qiáng).因此以梧桐山河流域?yàn)樵圏c(diǎn)進(jìn)行智慧管控研究具有重要意義.
1 管控系統(tǒng)業(yè)務(wù)構(gòu)成
梧桐山河流域位于深圳市羅湖區(qū)梧桐山國家森林公園,屬東深供水水系,為飲用水源保護(hù)區(qū).河道上游建有橫瀝口水庫,河道長3.87 km,流域面積12.53 km2,河道防洪標(biāo)準(zhǔn)50年一遇.
為實(shí)現(xiàn)全流域統(tǒng)一、全面、整體的系統(tǒng)性管理,本文提出全流域管理理念,形成全流域、全周期、全要素系統(tǒng)性管控格局.城市流域河道同時(shí)承擔(dān)了防洪、供水、生態(tài)等多項(xiàng)任務(wù),不同任務(wù)目標(biāo)往往都存在相互影響、相互制約的關(guān)系.本系統(tǒng)根據(jù)城市河道所處全流域防洪、生態(tài)、供水的需求,研究建立水質(zhì)、水動(dòng)力及防洪調(diào)度、供水調(diào)度和綜合效益最大化調(diào)度模型.
研究建立以“智能感知、智能組合、智能調(diào)度、智能預(yù)警、智能學(xué)習(xí)”五個(gè)智能理念為核心的技術(shù)支持平臺,構(gòu)建以管控預(yù)報(bào)預(yù)警體系、河網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度體系、管控業(yè)務(wù)自動(dòng)化流程化體系為核心的管理模式.從防洪安全、水環(huán)境保護(hù)、工程安全、河道安全管控、河湖長管理等方面進(jìn)行設(shè)計(jì).
在水利部新的“補(bǔ)短板,強(qiáng)監(jiān)管”治水理念背景下,城市智慧流域管控系統(tǒng)業(yè)務(wù)主要包括:防汛、水質(zhì)、工程安全以及河道管養(yǎng).通過一系列技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)對流域防洪、水環(huán)境、工程安全的全面監(jiān)管.
1.1 防汛安全管控
防汛管控包括流域水雨情數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集,包括徑流數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、雨量數(shù)據(jù)等常規(guī)數(shù)據(jù)的采集,實(shí)時(shí)流域水文預(yù)報(bào),實(shí)時(shí)流域水庫調(diào)度,實(shí)時(shí)河道沿程水位演算.
1)水雨情數(shù)據(jù)采集.在梧桐山干流、5 條支流入河口以及橫瀝口水庫壩前布設(shè)水文水位雨量監(jiān)測站點(diǎn),實(shí)時(shí)采集梧桐山全流域水雨情數(shù)據(jù),儀器搭載4G模塊可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)、自動(dòng)化采集數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對河道及水庫水位、降雨量的監(jiān)測.采用流速儀及ADCP設(shè)備監(jiān)測河道流量數(shù)據(jù).
2)實(shí)時(shí)水文預(yù)報(bào).根據(jù)洪水形成原理及運(yùn)動(dòng)規(guī)律,利用前期和現(xiàn)時(shí)的水文、氣象等信息,對流域未來的洪水進(jìn)行預(yù)報(bào).
3)實(shí)時(shí)水庫調(diào)度.水庫防洪調(diào)度是水庫運(yùn)行管理的非工程措施之一,能夠有效解決防洪安全問題,提高洪水資源的利用效率.梧桐山流域防洪調(diào)度的目標(biāo)是保證水庫安全防洪以及下游河道防洪安全.
4)實(shí)時(shí)河道沿程水位演算.建立梧桐山流域河道一維水力學(xué)模型,根據(jù)上游橫瀝口水庫實(shí)時(shí)水庫調(diào)度計(jì)算下泄流量,采用水力學(xué)模型進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算,推算下游河道沿程水位.
1.2 水質(zhì)安全管控
梧桐山流域匯入深圳水庫,其水質(zhì)要求屬于地表水二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),因此做好水質(zhì)安全管控至關(guān)重要.
1)水質(zhì)數(shù)據(jù)采集
在梧桐山河5條支流入河口及深圳水庫入庫斷面設(shè)置6個(gè)水質(zhì)采樣點(diǎn),采用固定與移動(dòng)相結(jié)合的方式,運(yùn)用先進(jìn)進(jìn)口光學(xué)水質(zhì)分析儀EXO2檢測水質(zhì)常規(guī)7參,水質(zhì)分析儀EXO2搭載4G 模塊可遠(yuǎn)程采集水質(zhì)7參實(shí)時(shí)傳輸至服務(wù)器.
2)河道水質(zhì)污染模擬
研究建立梧桐山流域一維河道水質(zhì)污染擴(kuò)散計(jì)算模型,模擬河道內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律及入河污染物的遷移擴(kuò)散特征.
1.3 工程安全管控
1)工程基本參數(shù)復(fù)核
在梧桐山流域運(yùn)用無人機(jī)技術(shù)制作先進(jìn)的流域VR 全景影像;采用高精度GPS設(shè)備測量流域地形,基于高程數(shù)據(jù)形成流域二維、三維地圖,建立流域DEM 數(shù)字高程模型;并使用搭載回聲儀和GPS的動(dòng)力無人船對橫瀝口水庫進(jìn)行了水下測繪,對其水下地形進(jìn)行了三維模擬,復(fù)核水庫特征曲線.
2)工程位移監(jiān)測
工程安全方面,運(yùn)用北斗衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集工程數(shù)據(jù),基于實(shí)時(shí)差分解算算法,對橫瀝口水庫大壩及梧桐山河道進(jìn)行位移變形監(jiān)測并及時(shí)預(yù)警,提升工程安全管理的科學(xué)性、及時(shí)性和有效性.
3)河道安全區(qū)域管控
河道禁止下河管控區(qū)域,通過運(yùn)用高清全景監(jiān)控系統(tǒng),搭載了?？?700安防監(jiān)控平臺,對河道管理范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.
1.4 流域河道管養(yǎng)
梧桐山流域河道管養(yǎng)業(yè)務(wù)主要包括日常河道管養(yǎng)業(yè)務(wù)及管養(yǎng)事件的報(bào)送和處理.河道日常管養(yǎng)業(yè)務(wù)主要是對管理范圍內(nèi)的管養(yǎng)、維護(hù).
系統(tǒng)管養(yǎng)人員采用電子工牌實(shí)現(xiàn)河道高效管養(yǎng)管理.員工通過佩戴電子工牌實(shí)時(shí)定位,利用河道管養(yǎng)業(yè)務(wù)移動(dòng)端APP 完成日常巡河和工單上報(bào)的任務(wù),同時(shí)在系統(tǒng)大屏上可實(shí)時(shí)跟蹤員工巡河軌跡.
2 管控系統(tǒng)功能
2.1 智能化數(shù)據(jù)采集
城市智慧流域管控?cái)?shù)據(jù)信息量大,因素龐雜.其受降水、徑流、溫度、大壩防洪、泄水與供水、水質(zhì)等眾多自然環(huán)境、工程設(shè)備的因素制約.因此,建立一體化數(shù)據(jù)采集,采集河道管控過程中不同工作站、移動(dòng)終端、自動(dòng)傳感器數(shù)據(jù),建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫和規(guī)范的數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)智慧河網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的集成.
1)地理信息是河道流域管理的重要部分.主要包含以下內(nèi)容:河道流域?qū)傩孕畔?河道地理位置信息;二維平面信息;三維實(shí)景模型;地理信息管理要求既具備專業(yè)的數(shù)據(jù)處理能力,又可為客戶進(jìn)行便捷的數(shù)據(jù)展示提供支撐.
2)工程設(shè)備(包括水庫大壩、河堤、排污口、雨洪口等)狀態(tài)參數(shù)信息,并作為水庫、河道聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的邊界條件.河道流域除了有天然的地理信息外,還有大量的附屬設(shè)施及檔案資料需要系統(tǒng)性的管理,主要包括以下內(nèi)容:泵站閘門;排水設(shè)施;排水口相關(guān)設(shè)施;河湖動(dòng)態(tài)信息臺賬;河湖樹狀結(jié)構(gòu).
3)水文數(shù)據(jù)(降雨、徑流、水位)是流域管理的重要組成部分,關(guān)乎著城市內(nèi)澇、防汛泄洪等城市安全,主要包括:流速、水位、雨量、流量、含沙量等.水文數(shù)據(jù)為徑流預(yù)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).
4)河道水質(zhì)數(shù)據(jù)關(guān)乎著城市水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境安全,主要包括:COD、濁度、水常規(guī)5 項(xiàng)、TN、TP、氨氮、透明度、ORP等.
5)管養(yǎng)安監(jiān)是河道正常穩(wěn)定運(yùn)行的保障,主要包括以下幾個(gè)方面:巡查執(zhí)法管理、日常管養(yǎng)、故障上報(bào)、視頻安全監(jiān)控、景觀養(yǎng)護(hù)等.河道管控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)收集整理、實(shí)時(shí)查詢,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析作為河道管控人員管理考核依據(jù).
另外系統(tǒng)采用無人機(jī)、水上無人艇、基于北斗衛(wèi)星的位移監(jiān)測等技術(shù)構(gòu)建空天地水一體化監(jiān)測體系.整個(gè)流域數(shù)據(jù)采集布控點(diǎn)如圖1所示.
圖1 流域管控?cái)?shù)據(jù)采集布設(shè)示意圖
2.2 流域水情實(shí)時(shí)計(jì)算模擬
城市智慧流域管控系統(tǒng)除了智能數(shù)據(jù)采集,更重要的是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)時(shí)精確的數(shù)據(jù)分析模擬計(jì)算.系統(tǒng)建立流域水文、水動(dòng)力學(xué)、水質(zhì)計(jì)算模型.基于新安江模型,建立梧桐山流域水文預(yù)報(bào)模型.根據(jù)實(shí)測流量數(shù)據(jù)率定了橫瀝口水庫以上和茂仔水區(qū)間的模型參數(shù).系統(tǒng)基于實(shí)測降雨量、深圳氣象臺提供羅湖區(qū)未來6 h降雨量數(shù)據(jù)每小時(shí)進(jìn)行滾動(dòng)預(yù)報(bào),進(jìn)行未來6 h橫瀝口水庫及各支流的徑流預(yù)報(bào).
建立梧桐山河一維水力學(xué)計(jì)算模型.沿程共劃分57個(gè)計(jì)算斷面,基于水文預(yù)報(bào)及水庫調(diào)度數(shù)據(jù),系統(tǒng)每小時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算每個(gè)斷面的水位、流速、河寬的水力學(xué)要素,繪制河道沿程水面線.
圖2 水力學(xué)計(jì)算模型
建立梧桐山河水質(zhì)一維水力學(xué)水質(zhì)擴(kuò)散計(jì)算模型.沿程共劃分57個(gè)計(jì)算斷面,實(shí)時(shí)模擬每個(gè)斷面的TN、TP、氨氮、CBOD 等水質(zhì)因子沿程擴(kuò)散,在水質(zhì)邊界條件、初始值及氣象數(shù)據(jù)已知的基礎(chǔ)上,利用模型模擬河道暢流期污染物濃度縱向沿程分布.
圖3 水質(zhì)污染擴(kuò)散模擬模型
上述模型數(shù)據(jù)在底層數(shù)據(jù)庫層面實(shí)現(xiàn)共享,基于系統(tǒng)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),根據(jù)模型邊界條件,由系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用實(shí)時(shí)進(jìn)行分析計(jì)算模擬.
2.3 實(shí)時(shí)自動(dòng)化分析和預(yù)警
流域智慧管控平臺預(yù)警體系,包括防汛預(yù)警、水質(zhì)安全預(yù)警、工程安全預(yù)警及河道管養(yǎng).防汛預(yù)警主要是對水庫水位、河道水位流量進(jìn)行預(yù)警;水質(zhì)安全預(yù)警主要是對各監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警;工程安全預(yù)警主要是對大壩位移變形、河道邊坡變形的預(yù)警;河道管養(yǎng)主要是對涉河水工建筑物、彩虹橋上及附近人員安全進(jìn)行預(yù)警,實(shí)時(shí)監(jiān)控河道邊坡綠道上是否有人惡意破壞景觀等、行人是否進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)(如違規(guī)下水、進(jìn)入閘門口)等情況,并通過擴(kuò)聲系統(tǒng)進(jìn)行警告提醒.
系統(tǒng)根據(jù)關(guān)鍵控制點(diǎn)的預(yù)警指標(biāo),將預(yù)報(bào)、調(diào)度模型與預(yù)警指標(biāo)實(shí)時(shí)融合,實(shí)現(xiàn)智能分析預(yù)警功能,將預(yù)警信息在GIS地圖上直觀展示并以短信等手段通知相關(guān)管理人員.
圖4 實(shí)時(shí)分析預(yù)警系統(tǒng)
系統(tǒng)以防洪安全、水質(zhì)安全、工程安全、河道安全為標(biāo)準(zhǔn),研究設(shè)計(jì)、篩選水庫、河道預(yù)警指標(biāo),上述預(yù)警分為一級、二級、三級和四級,分別用紅色、橙色、黃色和藍(lán)色標(biāo)示.研究開發(fā)實(shí)時(shí)預(yù)警指標(biāo)算法,采用水文、水動(dòng)力學(xué)、水質(zhì)污染物濃度擴(kuò)散模型,根據(jù)實(shí)時(shí)水雨情、水質(zhì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)演算關(guān)鍵控制點(diǎn)的預(yù)警指標(biāo),將預(yù)報(bào)、調(diào)度模型與預(yù)警指標(biāo)融合,實(shí)現(xiàn)智能實(shí)時(shí)分析預(yù)警功能.
圖5 一體化預(yù)報(bào)預(yù)警體系圖
2.4 基于GIS一張圖的全流域管控體系
系統(tǒng)建立監(jiān)控中心,以二維和三維GIS技術(shù)作為支撐,將水庫、河道等附屬工程狀態(tài)信息、水雨情信息、水質(zhì)信息、日常管控業(yè)務(wù)信息,通過多數(shù)據(jù)源融合集中展示流域GIS圖.以開發(fā)的水文泥沙模型、調(diào)度模型、水質(zhì)評價(jià)模型、圖像識別模型為基礎(chǔ),根據(jù)實(shí)時(shí)水雨情、水質(zhì)監(jiān)控、安全監(jiān)控、圖像監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)演算、識別分析,將分析計(jì)算數(shù)據(jù)在GIS地圖上直觀展示.系統(tǒng)監(jiān)控中心展示如圖6所示.
圖6 智慧流域管控系統(tǒng)大屏
基于GIS 地圖地理信息展示,將工程、人員、車輛、物資等標(biāo)識在地圖上、全面掌控,可以實(shí)現(xiàn)管控各單位的態(tài)勢分布管理和展示,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和指揮能力.達(dá)到資源顯示和指揮調(diào)度一體化的效果,實(shí)現(xiàn)“重點(diǎn)場所可視化、區(qū)域防控實(shí)時(shí)化、信息獲取立體化、調(diào)度指揮扁平化、情況處置數(shù)字化”.
系統(tǒng)通過研發(fā)的水文、調(diào)度、水質(zhì)、圖像識別等模型,采用云計(jì)算技術(shù)對不同目標(biāo)函數(shù)、水庫、河道的不同組合進(jìn)行仿真計(jì)算,給出管控防洪、水質(zhì)工況下的最優(yōu)調(diào)度運(yùn)行方案,實(shí)現(xiàn)在給定水文氣象條件下,實(shí)時(shí)自動(dòng)仿真模擬出不同系統(tǒng)調(diào)度工況下水庫、河道的水位、水質(zhì)等狀態(tài)信息,給出推薦調(diào)度決策建議,實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度功能.
3 系統(tǒng)應(yīng)用情況
上文介紹的設(shè)備、模型、軟件系統(tǒng)于2019年初開始建設(shè),2019年6月系統(tǒng)建成并投入運(yùn)行.
系統(tǒng)按照基于Web服務(wù)的3層B/S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),劃分為界面層、應(yīng)用服務(wù)層、數(shù)據(jù)庫層.
圖7 系統(tǒng)體系架構(gòu)圖
系統(tǒng)具體功能模塊分為:水務(wù)預(yù)警、水質(zhì)調(diào)度、防洪調(diào)度、河道管養(yǎng)、綜合信息、用戶權(quán)限管理.
系統(tǒng)建成后按照每5 min一次頻率進(jìn)行流域水文、水質(zhì)、工情數(shù)據(jù)采集.圖8顯示系統(tǒng)建成后采集的部分水情、水質(zhì)、工期數(shù)據(jù).
圖8 系統(tǒng)采集流域?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)
結(jié)合深圳氣象局發(fā)布的未來降雨預(yù)報(bào)和實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù),系統(tǒng)每小時(shí)進(jìn)行一次水情預(yù)報(bào)和水庫調(diào)洪計(jì)算,并調(diào)用水力學(xué)模型進(jìn)行河道沿程水位計(jì)算,圖9顯示河道沿程水力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù).
圖9 系統(tǒng)水力學(xué)模型
當(dāng)完成小時(shí)計(jì)算后,根據(jù)關(guān)鍵控制點(diǎn)的預(yù)警指標(biāo),將預(yù)報(bào)、調(diào)度模型與預(yù)警指標(biāo)融合,實(shí)現(xiàn)智能實(shí)時(shí)分析預(yù)警功能.
2019年7月31日9時(shí)許,南海海域形成熱帶風(fēng)暴韋帕(英語:Tropical Storm Wipha,國際編號:1907,聯(lián)合臺風(fēng)警報(bào)中心:08W).臺風(fēng)帶來短時(shí)降雨極大,預(yù)計(jì)深圳全市6 h內(nèi)將出現(xiàn)50 mm 或以上降水,深圳市氣象臺于2019年7月31日06時(shí)30分在全市發(fā)布暴雨黃色分區(qū)預(yù)警,全市進(jìn)入暴雨戒備狀態(tài).
圖10 智慧流域管控系統(tǒng)臺風(fēng)路徑顯示
根據(jù)深圳氣象臺未來10 h的滾動(dòng)氣象預(yù)報(bào)和梧桐山流域?qū)崪y降雨量數(shù)據(jù),系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)預(yù)警.從2019年7月31日8時(shí)開始至2019年8月3日23時(shí)進(jìn)行滾動(dòng)水文預(yù)報(bào)和水位預(yù)警.其中根據(jù)7月31日17時(shí)氣象預(yù)報(bào)和當(dāng)前降雨所做預(yù)報(bào)過程線如圖11 所示,據(jù)此預(yù)報(bào),系統(tǒng)給出水庫最高水位94.06 m,最大下泄流量4.73 m3/s的預(yù)報(bào),并以短信和系統(tǒng)水情簡報(bào)形式發(fā)布預(yù)警.相應(yīng)于預(yù)報(bào),在8月1日上午采用ADCP實(shí)測最大流量為5.379 m3/s.
圖11 預(yù)報(bào)入庫流量過程線
圖12 ADCP實(shí)測流量
同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)7月31日17時(shí)預(yù)報(bào)的最大下泄流量調(diào)用水力學(xué)計(jì)算模型推算了梧桐山河河道斷面沿程水位過程如圖13所示.
圖13 沿程水位過程線
在系統(tǒng)采用水力學(xué)模型推算河道水面線的同時(shí),為驗(yàn)證推算結(jié)果,同時(shí)測驗(yàn)了河道斷面水位,其中水力學(xué)模型29號斷面位于梧桐山彩虹橋下游,2019年8月1日10時(shí)實(shí)測斷面水位44.282 m,相應(yīng)水力學(xué)模型推算河道水位44.231 m,結(jié)果表明推算結(jié)果合理.
系統(tǒng)運(yùn)行后,在梧桐山流域防洪預(yù)警、水質(zhì)擴(kuò)散分析、河道管養(yǎng)方面發(fā)揮了較好的作用.
4 結(jié) 論
基于Web服務(wù)三層B/S結(jié)構(gòu)的智慧流域管控系統(tǒng)已在深圳羅湖區(qū)梧桐山流域得到應(yīng)用,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,反響良好.系統(tǒng)建設(shè)了水情、水質(zhì)、工期、視頻采集網(wǎng)絡(luò)及無人機(jī)、水上無人艇、基于北斗衛(wèi)星的位移監(jiān)測等技術(shù)構(gòu)建空天地水一體化的監(jiān)測體系,構(gòu)建智能化數(shù)據(jù)采集體系;系統(tǒng)開發(fā)流域水文、水動(dòng)力學(xué)、水質(zhì)計(jì)算模型,實(shí)現(xiàn)了流域水力學(xué)、水質(zhì)因子的實(shí)時(shí)計(jì)算模擬;系統(tǒng)建立了流域智慧管控平臺預(yù)警體系,包括防汛預(yù)警、水質(zhì)安全預(yù)警、工程安全預(yù)警,實(shí)時(shí)自動(dòng)化分析和預(yù)警;系統(tǒng)以二維和三維GIS技術(shù)作為支撐,將水庫、河道等附屬工程狀態(tài)信息、水雨情信息、水質(zhì)信息、日常管控業(yè)務(wù)信息,通過多數(shù)據(jù)源融合集中展示于流域GIS一張圖支撐決策支持.智慧流域管控系統(tǒng)集監(jiān)測、預(yù)警、決策為一體,極大提升了流域管理的能力和效率.
猜你喜歡
人民交通(2022年19期)2022-11-07
成都信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)(2021年3期)2021-11-22
閱讀與作文（小學(xué)低年級版）(2021年5期)2021-09-10
奧秘(2019年7期)2019-07-29
中國新技術(shù)新產(chǎn)品(2018年17期)2018-11-29
作文周刊·小學(xué)二年級版(2018年21期)2018-09-06
中國綠色畫報(bào)(2018年3期)2018-08-07
人大建設(shè)(2017年6期)2017-09-26
中國科技術(shù)語(2016年4期)2016-11-19
科技經(jīng)濟(jì)市場(2016年2期)2016-06-16
