CN106447078A - 保障河口供水安全的水利工程智能调控系统及调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种保障河口供水安全的水利工程智能调控系统及调控方法，该系统包括环境要素原位监测模块、环境要素信息管控模块、上游远程调控模块和下游局地智能应急模块：环境要素原位监测模块用于实时监测上游水库和下游河口关键位置的水文、水动力、水环境要素；环境要素信息管控模块用于管控不同来源和不同类别的水文、水动力、水质要素信息；上游远程调控模块用于在河口供水安全敏感期内，对上游水库实施远距离精准优化调度，以提高下游河口供水整体安全；下游局地智能应急模块则针对上游远程调控模块的实施效果情况，可通过智能化响应在下游局地处实施针对性应急措施，确保河口重点保护水域的供水安全性。
Description
技术领域
本发明涉及供水安全技术领域，特别涉及一种保障河口供水安全的水利工程智能调控系统及调控方法。
背景技术
河口是联系河流和海洋的纽带，往往地理条件优越，地区经济发达，人口众多。供水安全是地区经济社会可持续发展的重要保障，也与人民群众日常生活密切相关。盐水入侵是沿海河口常见的水文现象与动力过程之一：在径流和潮汐动力共同作用下，上游河流来水与口外高盐度海水产生不同程度的混合；当口外海水比河流水位高时，海水会向河流倒灌，并不断向上游扩展。尤其在河流枯水季节，盐水上溯距离较远，沿岸取水口处水体含氯度过高，对河口地区的供水安全产生巨大影响。如2014年2月，长江口遭遇了历史上持续时间最长的咸潮入侵，上海陈行水库和青草沙水库取水口氯化物浓度持续多日都超过国家地表水环境质量标准(>250mg/L)，严重影响到上海大量居民的日常用水饮用水资源。
河流上游控制性水库强烈影响流域水资源分布以及河口来水条件，并改变盐水上溯规律。目前一般认为，上游水库工程调节对河口供水保证率的影响具有两面性，有利的一面表现在：枯季下泄流量增加，盐水上溯距离缩减，氯化物峰值削减，河口地区最长连续不宜取水天数有所减少，供水保证率将相应增加；不利的一面在于：由于汛末水库大规模蓄水，河口来水量显著减小，为盐水上溯创造有利条件，沿岸取水口处水体含氯度较以往提前处于较高水平，降低了该时段的供水保证率。
值得注意的是，合理优化调控水库的运行方式，可使上游水库带来的有利影响放大而不利影响缩小成为可能。如《三峡工程对改善长江口咸潮入侵情势的分析》一文，对如何进一步增大三峡工程抗御盐水上溯进行了初步探讨，建议水库提前蓄水并在最枯月份增大下泄水量；《基于数字流域模型的珠江补淡压咸水库调度研究》一文与申请号为201310075605.2的发明专利《水库、闸泵群联合抑咸调度方法》，均探讨了以珠江流域数字模型为基础、以流域内关键控制节点最小抑咸流量为限制条件的珠江流域内主要水利工程的优化调控方式，然而前者仅涉及流域内主要水库的调控方案研究并未将河口非控制性水利工程纳入考虑范畴，后者则不适用于有通航需求的河口。需要指出的是，已有技术方案或模式论述并未提供切实可行的具体实施方案。
基于以上所述，从通过对上下游水利工程联合调控以保障河口地区供水安全的角度出发，需进一步开展和完善相关方法和准则，提出一种可操作性、实用性强的上下游水利工程联合智能调控系统和方法以保障河口地区供水安全。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的不足，提供一种保障河口供水安全的水利工程智能调控系统及调控方法，在充分掌握并利用河口盐水上溯时空规律的前提下，实现大尺度的流域水资源优化配置与小尺度的河道过流特性改善，缩减盐水上溯距离，削减氯化物峰值，缩短连续不适宜取水天数，高效精准地保障河口供水安全。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明的保障河口供水安全的水利工程智能调控系统，包括环境要素原位监测模块、环境要素信息管控模块、上游远程调控模块和下游局地智能应急模块；
所述的环境要素原位监测模块由水库运行监测单元、流域降雨监测单元、河口水质监测单元和运行通信单元组成，用于实时监测上游水库和下游河口关键位置的水文、水动力、水环境要素；其中的水库运行监测单元包括安置在水库厂房和大坝上下游断面的多参数设备用于获取水库坝前、坝后水位和出入库流量；其中的流域降雨监测单元通过流域内设置的雨量站获取流域内的降雨量分布；其中的河口水质监测单元包括安置于河口固定监测断面、水源地取水口和丁坝附近重点监测断面的多参数设备，用于获取河口地区实时潮位和氯化物浓度信息；其中的运行通信单元包括无线通讯器、临时存储器和电源，各个监测单元采集的数据信息暂存于临时存储器中，通过无线通讯器提供的2G/3G/4G蜂窝移动网络与环境要素信息管控模块、上游远程调控模块和下游局地智能应急模块进行信息交互；
所述的环境要素信息管控模块由数据预处理单元和监测数据库单元组成，用于管控不同来源和不同类别的水文、水动力、水质要素信息；其中的数据预处理单元对环境要素原位监测模块上传的监测信息进行分类和预处理并存储至监测数据库单元，同时执行上游远程调控模块和下游局地智能应急模块的数据需求，从监测数据库单元调用所请求数据并交付；其中的监测数据库单元用于存储环境要素原位监测模块的数据信息，并接受数据预处理单元的数据调用请求；
所述的上游远程调控模块由响应时间计算单元、蓄水期调度单元、消落期前期调度单元和消落期后期调度单元组成，用于在水库调度敏感时段内实施针对性精准优化调度；其中的响应时间计算单元采用水动力模型计算出河口地区对水库不同下泄流量的响应时间；其中的蓄水期调度单元通过分析环境要素信息管控模块存储的汛末洪水过程以及河口潮位数据信息进行蓄水期优化调度；其中的消落期前期调度单元通过分析环境要素信息管控模块存储的流域降雨情况以及河口潮位数据信息进行消落期前期调度，包括以大幅连续补水、以天然来水且不低于保证出力下泄和类正弦波式补水为特点的调度模式；其中的消落期后期调度单元通过分析环境要素信息管控模块存储的流域降雨情况以及河口潮位数据信息进行消落期后期调度，包括以小幅连续补水、以天然来水且不低于保证出力下泄和矩形波式补水为特点的调度模式；
所述的下游局地智能应急模块由应急调度激活单元和丁坝调度单元组成，根据上游远程调控模块实施后的河口供水安全保障情况，实施智能化应急辅助调控；其中的应急调度激活单元在调用环境要素信息管控模块存储的河口水质信息后，根据氯化物浓度是否超标决定是否开展丁坝调度；其中的丁坝调度单元在接收应急调度激活单元的激活指令后进行丁坝调度。
进一步地，所述第一多参数设备包括水位计和流量计，水位计和流量计均匀分布在水库坝前和坝后，用于获取水库坝前、坝后水位和出入库流量；所述流域降雨监测单元(12)由流域内分布的多个遥测雨量站以及人工观测雨量站组成，收集降雨数据；所述第二多参数设备包括潮位计和盐度计，潮位计和盐度计安置于河口固定监测断面、水源地取水口和丁坝附近重点监测断面的用于获取河口地区实时潮位和氯化物浓度信息；其中固定监测断面沿程布置且断面间距不超过30km，水源地取水口和丁坝附近的重点监测断面间距不超过10km。
进一步地，其中的运行通信单元包括无线通讯器、临时存储器和电源，各个监测单元采集的数据信息暂存于临时存储器中，通过无线通讯器提供的2G(支持GSM/CDMA)、3G(支持WCDMA/TD-SCDMA/CDMA2000)和4G(支持TD-LTE)蜂窝移动网络与环境要素信息管控模块、上游远程调控模块和下游局地智能应急模块进行信息交互。
进一步地，为实现前述环境要素信息管控模块，所采用的具体方案为：
环境要素信息管控模块，由数据预处理单元和监测数据库单元组成；
特别的，所述的数据预处理单元对环境要素原位监测模块上传的监测信息进行基本的分类和预处理并存储至监测数据库单元，同时执行上游远程调控模块和下游局地智能应急模块的数据需求，从监测数据库单元调用所需求数据并交付；所述的监测数据库单元就是用于存储环境要素原位监测模块的数据信息，并接受通信单元的数据调用请求。
进一步地，为实现前述上游远程调控模块，所采用的具体方案为：
所述的上游远程调控模块由响应时间计算单元、蓄水期调度单元、消落期前期调度单元和消落期后期调度单元组成，其中：
特别的，所述的响应时间计算单元采用水动力模型计算河口地区对水库不同下泄流量的响应时间；所述的蓄水期调度单元通过分析环境要素信息管控模块存储的汛末洪水过程以及河口潮位数据信息进行蓄水期优化调度；所述的消落期前期调度单元通过分析环境要素信息管控模块存储的流域降雨情况以及河口潮位数据信息进行消落期前期调度，包括以大幅连续补水、以天然来水且不低于保证出力下泄和类正弦波式补水为特点的调度模式；所述消落期后期调度单元通过分析环境要素信息管控模块存储的流域降雨情况以及河口潮位数据信息进行消落期后期调度，包括以小幅连续补水、以天然来水且不低于保证出力下泄和矩形波式补水为特点的调度模式。
进一步地，为实现前述下游局地智能应急模块，所采用的具体方案为：
所述的下游局地智能应急模块由应急调度激活单元和丁坝调度单元组成，其中：
特别的，所述的应急调度激活单元在调用环境要素信息管控模块存储的河口水质信息后，根据氯化物浓度是否超标决定是否开展丁坝调度；所述的丁坝调度单元在接收应急调度激活单元的激活指令后进行丁坝调度，以确保河口重点保护水域的供水安全性。调度方式为：调度期内河口每天涨潮期间保持丁坝正常高度运行，落潮期间保持塌坝运行；非调度期丁坝塌坝运行。
应用上述装置，提供一种保障河口供水安全的水利工程智能的调控方法，包括以下步骤：
(一)环境要素原位监测模块监测系统所需的水库、流域以及河口相关信息的实时数据，包括水库运行监测单元监测的坝前坝后水位和出入库流量；流域降雨监测单元监测的流域降雨量分布；河口水质监测单元监测的河口潮位和氯化物浓度信息；运行通信单元将各个单元采集的数据信息暂存于临时存储器中并与环境要素信息管控模块、上游远程调控模块和下游局地智能应急模块进行信息交互；
(二)环境要素信息管控模块接收、预处理环境要素原位监测模块上传的监测信息，并存储于监测数据库单元；
(三)上游远程调控模块在上游水库蓄水期以及消落期采取针对性地优化调度方式，包括以下步骤：
①响应时间计算单元采用水动力模型计算河口对水库不同下泄流量的响应时间；
②蓄水期调度单元调用环境要素信息管控模块存储的监测信息采取如下优化调控：在主汛期末拦蓄中小洪水进行洪水资源化，实现较高的正式蓄水起蓄水位；在汛期末采用半月周期的阶梯式蓄水方式实施正式蓄水，周期内考虑河口对水库流量的响应时间后，水库在河口大潮前后以天然来水下泄，周期内其他时间均正常蓄水，汛期结束时达到正常高水位；在主汛期末将水库蓄水与前期防洪运用相结合，水库正式蓄水过程相对于常规调控明显放缓，同时在河口大潮前以天然来水下泄，可进一步减小汛末水库蓄水对河口来水造成的影响；与水库常规调控相比，该优化蓄水方法能够显著降低由上游水库汛末大规模蓄水引起河口盐水上溯的可能性；
③消落期前期调度单元调用环境要素信息管控模块存储的监测信息采取如下优化调控：以月为周期进行调控，流域降雨充沛的情形下，在强潮月份，周期内水库对河口进行大幅连续补水；在弱潮月份，周期内水库以天然来水且不低于水库保证出力对应流量下泄；在流域降雨稀少的情形下，周期内水库对河口进行半月波长的类正弦波式补水，考虑河口对水库流量的响应时间后，周期内波峰、波谷时间节点分别与河口大潮、小潮出现时间对应，且波峰流量与月平均潮差呈正相关；在消落期前期，水库的水头高，可兼顾发电进行补水调度，此时可适当多补水以提高水库发电效益。流域降雨充沛时，在强潮月份水库对河口进行大幅连续补水，可以有效地阻碍咸水上溯；在弱潮月份水库以天然来水且不低于水库保证出力对应流量下泄，也具有较好的抵御咸潮效果。而流域降雨稀少时，水库则对河口进行半月波长的类正弦波式补水，以较小的淡水资源消耗针对性地抵御河口的大潮和小潮；该类正弦波波峰略滞后于普通正弦波，水库补水到达河口时波峰、波谷时间节点分别与河口大潮、小潮出现时间对应，大潮时咸淡水掺混充分，河口来水径流量的增大能够显著促进咸潮消退，而小潮前后，咸潮以盐水楔形式从底层上溯，河口淡水主要从表层下泄，上游来水增加难以有效抑制盐水楔上溯，因此小潮时以水库补水流量波谷应对可有效节省水库所蓄淡水资源；
④消落期后期调度单元调用环境要素信息管控模块存储的监测信息采取如下优化调控：以月为周期进行调控，流域降雨充沛的情形下，在强潮月份，周期内水库对河口进行小幅连续补水；在弱潮月份，周期内水库以天然来水且不低于水库保证出力流量对应下泄；流域降雨稀少的情形下，周期内水库对河口进行半月波长的矩形波式补水，考虑河口对水库流量的响应时间后，水库下泄流量高水平阶段在河口大潮出现时间之前开始并在小潮出现时间之前结束，且高水平流量与月平均潮差呈正相关；在消落期后期，水库的水头降低，此时主要面向河口补水进行调度。流域降雨充沛时，在强潮月份水库对河口进行小幅连续补水，阻碍咸水上溯效果明显；在弱潮月份水库以天然来水且不低于水库保证出力对应流量下泄，也具有较好的抵御咸潮效果。流域降雨稀少时，水库对河口进行半月波长的矩形波式补水，大潮前口外潮差持续变大，涨落潮流速随之增加，河口咸淡水已先于大潮出现而充分掺混，此时上游来水大幅增加并持续一段时间有利于将河口的混合咸淡水冲退，而大潮后潮差逐渐减小，水体掺混动力逐渐减弱，咸潮则又以盐水楔形式上溯，从节省淡水资源的角度出发此时不宜继续大幅补水；
(四)下游局地智能应急模块调用环境要素信息管控模块存储的河口水质单元的监测信息，在水库消落期内，每次小潮前最下游丁坝处氯化物浓度首次超标之日至相邻大潮后最下游丁坝处首次出现氯化物浓度全天达标之日，应急调度激活单元向丁坝调度单元发送激活指令，丁坝调度单元进行丁坝调度，调度期内河口每天涨潮期间保持丁坝正常高度运行，落潮期间保持塌坝运行；非调度期丁坝塌坝运行；在河口取水口受到咸潮入侵影响时实施丁坝应急调度，一方面涨潮期间保持丁坝正常高度运行可阻碍、减慢咸潮上溯，另一方面落潮期间保持塌坝运行可保证咸潮消退路径通畅，所述的河口丁坝优化设置和应急调度方法可促进河口咸界下移。
进一步地，为实现上述上游远程调控模块的上游水库优化调控方法，所采用的具体方案为：
①响应时间计算单元采用水动力模型计算河口对水库不同下泄流量的响应时间；
②蓄水期调度单元调用环境要素信息管控模块的监测信息采取如下优化调控：主汛期末拦蓄中小洪水减小下泄流量，日均下泄流量较常规调控减小8000～12000m3/s，在18～20天内将水库水位抬升15±1m；汛期末采用半月周期的阶梯式蓄水，周期内考虑河口对水库流量的响应时间后，在河口大潮前后以天然来水下泄，其余时间蓄水并保持日均下泄流量较常规调控增加2200～2400m3/s，各周期水库水位抬升3.8～4.2m，汛期结束时水库达到正常高水位；
③消落期前期调度单元调用环境要素信息管控模块的监测信息采取如下优化调控：
1)流域降雨充沛的情形下强潮月份，水库对河口进行大幅连续补水，水库下泄流量较常规调控增加800～1200m3/s并在补水期间保持流量不变；
2)流域降雨充沛的情形下弱潮月份，水库以天然来水且不低于水库保证出力对应流量下泄；
3)流域降雨稀少的情形下，水库对河口进行半月波长的类正弦波式补水，类正弦波波峰的流量较常规调控增加500～1000m3/s，波谷的流量较常规调控减少400～500m3/s，且具体波峰流量与月平均潮差呈正相关；
④消落期后期调度单元调用环境要素信息管控模块的监测信息采取如下优化调控：
1)流域降雨充沛的情形下强潮月份，水库对河口进行小幅连续补水，水库下泄流量较常规调控增加400～600m3/s并在补水期间保持流量不变；
2)流域降雨充沛的情形下弱潮月份，水库以天然来水且不低于水库保证出力对应流量下泄；
3)流域降雨稀少的情形下，水库对河口进行半月波长的矩形波式补水，矩形波的高水平流量较常规调控增加600～800m3/s，低水平流量较常规调控减少200～400m3/s，且具体高水平流量与月平均潮差呈正相关。
进一步地，为了阻碍盐水上溯，通过以下步骤设置河口丁坝，具体技术方案为：
(一)丁坝至少设置两道，在主河道最下游取水口的下游依次间隔设置于河床上；
(二)对于取水口上游存在易发生盐水倒灌汊道的河道，在汊道上于分汊点附近另设至少一道丁坝；
(三)对于取水口下游存在江心洲的河道，丁坝优先设置于江心洲两侧；
(四)各条丁坝均垂直于河道轴线布置；丁坝工程区域为潮汐河段受往复流影响，为减小坝头冲刷坑、利于坝田淤积，各条丁坝均垂直河岸布置。
(五)丁坝设计高度小于河道多年平均水深，在有通航要求的河道中为不碍航的最大高度。
本发明的有效益处是：
(1)本发明首次提出了保障河口供水安全的水利工程智能调控系统及调控方法，该系统实现了上下游水利工程的联合智能调度，该方法实现大尺度的流域水资源优化配置与小尺度的河道过流特性改善，可操作性、实用性强，不影响河口通航、排沙，可削减河口沿岸取水口处氯化物峰值，高效精准地保障河口供水安全。
(2)本发明的上游水库优化调控方法充分结合河口潮汐活动规律以及流域降雨情况，优化配置流域水资源，在水库蓄水期与消落期实施水库优化调控；相对于传统水库调控方法，该优化调控方法不仅可降低蓄水期内盐水上溯可能性，也可显著缩减枯水期内盐水上溯距离，为河口地区创造持续时间较长的连续取水机会。
(3)本发明的河口可调丁坝优化设置和应急调度方法可改善河道过流特性，阻碍、减缓盐水楔上溯速度，同时保证咸潮消退路径通畅，促进河口咸界下移。
附图说明
图1为保障河口供水安全的水利工程联合调控系统结构示意图；
图2为保障河口供水安全的水利工程联合调控方法步骤示意图；
图3为本发明上游水库蓄水期优化调控和历史同期常规调控水位过程对比图；
图4为本发明上游水库消落期前期优化调控和历史同期常规调控下泄流量对比图；
图5为本发明上游水库消落期后期优化调控和历史同期常规调控下泄流量对比图；
图6为本发明实施例2上游水库优化调控和历史同期常规调控下泄流量对比图；
图7为本发明实施例2上游水库消落期优化调控和历史同期常规调控下泄流量对比图；
图8为本发明实施例2上下游水利工程联合调控与历史同期常规调控盐水月均上溯距离对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的保障河口供水安全的水利工程联合调控系统和方法进行进一步的详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1：
保障河口供水安全的水利工程智能调控系统，如图1和图2所示，由环境要素原位监测模块1、环境要素信息管控模块2、上游远程调控模块3和下游局地智能应急模块4组成。
第一部分：环境要素原位监测模块
环境要素原位监测模块1由水库运行监测单元11、流域降雨监测单元12、河口水质监测单元13和运行通信单元14组成，用于实时监测上游水库和下游河口关键位置的水文、水动力、水环境要素，涉及到远程现场采集设备、无线通讯器、临时存储器和电源。
1、水库运行监测单元11包括安置在水库厂房和大坝上下游断面的多参数设备用于获取水库坝前、坝后水位和出入库流量，其中第一多参数设备包括水位计(ZMY-5超声波水位计)和流量计(MRWJ-ZN动量式流量计)；
2、流域降雨监测单元12包括流域内设置的雨量站用于获取流域内的降雨量分布；其中，流域降雨监测单元包括流域内分布的遥测雨量站以及人工观测雨量站，分别利用翻斗式遥测雨量计(JDZ02-1型翻斗雨量计)和虹吸式雨量计(JK-MEIN-J1虹吸式雨量计)自动收集降雨数据；
3、河口水质监测单元13包括安置于河口固定监测断面、水源地取水口和丁坝附近重点监测断面的第二多参数设备；其中固定监测断面沿程布置且断面间距为30km，水源地取水口和丁坝附近的重点监测断面间距为10km，所述的第二多参数设备包括潮位计(DCX-22压力水位记录仪)和盐度计(PAL-06S海水盐度计)；
4、其中的运行通信单元14包括无线通讯器、临时存储器和电源，各个监测单元采集的数据信息暂存于临时存储器中，通过无线通讯器提供的2G(支持GSM/CDMA)、3G(支持WCDMA/TD-SCDMA/CDMA2000)和4G(支持TD-LTE)蜂窝移动网络与环境要素信息管控模块2、上游远程调控模块3和下游局地智能应急模块4进行信息交互。
第二部分：环境要素信息管控模块
环境要素信息管控模块2由数据预处理单元21和监测数据库单元22组成，用于管控不同来源和不同类别的水文、水动力、水质要素信息。
1、数据预处理单元21对环境要素原位监测模块1上传的监测信息进行基本的分类和预处理并存储至监测数据库单元22，同时执行上游远程调控模块3和下游局地智能应急模块4的数据请求，从监测数据库单元22调用所请求数据并交付；
2、监测数据库单元22用于存储环境要素原位监测模块的数据信息，并接受数据预处理单元21的数据调用请求。
第三部分：上游远程调控模块
水库优化调度3模块由响应时间计算单元31、蓄水期调度单元32、消落期前期调度单元33和消落期后期调度单元34组成，在水库调度敏感时段实施针对性精准优化调度。
1、响应时间计算单元31采用水动力模型计算河口地区对水库不同下泄流量的响应时间；
2、蓄水期调度单元32通过分析环境要素信息管控模块2存储的汛末洪水过程以及河口潮位数据信息进行蓄水期优化调度；
3、消落期前期调度单元33通过分析环境要素信息管控模块2存储的流域降雨情况以及河口潮位数据信息进行消落期前期调度，包括以大幅连续补水、以天然来水且不低于保证出力下泄和类正弦波式补水为特点的调度模式；
4、消落期后期调度单元34通过分析环境要素信息管控模块2存储的流域降雨情况以及河口潮位数据信息进行消落期后期调度，包括以小幅连续补水、以天然来水且不低于保证出力下泄和矩形波式补水为特点的调度模式。
第四部分：下游局地智能应急模块
下游局地智能应急模块4由应急调度激活单元41和丁坝调度单元42组成，根据上游远程调控模块3实施后的河口供水安全保障情况，实施智能化应急辅助调控。
应急调度激活单元41在调用环境要素信息管控模块2存储的河口水质信息后，根据氯化物浓度是否超标决定是否开展丁坝调度；所述的丁坝调度单元42在接收应急调度激活单元41的激活指令后进行丁坝调度。
实施例2：
某河流中游建有一座大型河道型水库，设计任务包括防洪、发电和航运等。在上游水库常规调控下，出于防洪目的考虑每年6月中上旬水库水位消落至防洪限制水位145m，并尽可能维持该水位至9月下旬开始蓄水，至10月底、11月初水位抬升至正常高水位175m，保持此水位至12月底，自1月1日起水库从正常蓄水位开始为下游补水，至4月中上旬水位消落至枯水期最低消落水位155m，自5月下旬开始水位加速下降，6月中上旬水位降至防洪限制水位145m。在常规运行期内，9月中下旬水库上游来水较主汛期开始减小，此时开始大规模蓄水使水库下泄流量显著小于天然来水，也势必导致河口来水量偏低，口外盐水极易上溯，河口取水口处氯化物浓度较长时间内处于较高水平，严重影响取水；枯水期水库以6000m3/s的流量向下游补水，下泄流量较天然来水增加并不明显，不能抵挡河口强潮时段的盐水上溯，此外下泄流量无明显的半月周期波动特征，尽管河口小潮前后取水口氯化物浓度有所降低，大潮前后较长时段内取水口依然无法正常取水；因此水库常规调控在枯水期内不能显著提高河口地区供水保证率，反会严重降低蓄水期内河口地区供水保证率。
现通过本发明，利用保障河口供水安全的水利工程智能调控系统及调控方法进行治理，其步骤为：
(一)环境要素原位监测模块1监测系统所需的上游水库和下游河口关键位置的水文、水动力、水环境要素的实时数据，包括水库运行监测单元11监测的坝前坝后水位和出入库流量；流域降雨监测单元12监测的流域降雨量分布；河口水质监测单元13监测的河口潮位和氯化物浓度信息；运行通信单元14将各个单元采集的数据信息暂存于临时存储器中，通过无线通讯器提供的2G/3G/4G蜂窝移动网络与环境要素信息管控模块2、上游远程调控模块3和下游局地智能应急模块4进行信息交互；
(二)环境要素信息管控模块2接收、预处理环境要素原位监测模块1上传的监测信息，并存储于监测数据库单元22；
(三)上游远程调控模块3在水库调度敏感段内实施特有的精准优化调度，包括以下步骤
①响应时间计算单元31采用水动力模型计算河口对水库不同下泄流量的响应时间，包括对大幅小幅持续补水流量、类正弦波和矩形波补水流量的响应时间；
②水库蓄水期优化调度：主汛期末8月21日开始拦蓄中小洪水减小下泄流量，日均下泄流量较常规调控减小8000～12000m3/s，到9月8号将水库水位由145m抬升至160m；汛期末采用半月周期的阶梯式蓄水，周期内考虑河口对水库流量的响应时间后，水库在河口大潮前后以天然来水下泄2天，余下的13天日均下泄流量较常规调控增加2200～2400m3/s，各周期水库水位抬升3.8～4.2m，11月初水库达到正常高水位175m；
③水库消落期前期优化调度：1月2月流域降雨稀少，水库对河口进行半月波长的类正弦波式补水，考虑河口对水库流量响应时间后，周期内波峰波谷时间节点分别与河口大潮小潮出现时间对应，1月的波峰流量为6500m3/s，波谷流量为5500m3/s，2月波峰流量为6600m3/s，波谷流量为5500m3/s；
④水库消落期后期优化调度：3月流域降雨稀少水库对河口进行半月波长的矩形波式补水，考虑河口对水库流量的响应时间后，水库下泄流量高水平阶段在河口大潮出现时间之前2天开始持续8天，高水平阶段流量为6600m3/s，低水平阶段流量为5500m3/s，4月为弱潮月且流域降雨充沛，周期内水库以天然来水且不低于水库保证出力流量5500m3/s下泄。
水库蓄水起水位采用常规调控与优化调控对比图如图3所示。本发明上游水库消落期前期优化调控和历史同期常规调控下泄流量对比图如图4所示。本发明上游水库消落期后期优化调控和历史同期常规调控下泄流量对比图如图5所示。上游水库优化调控和历史同期常规调控下泄流量对比见图6。上游水库消落期优化调控和历史同期常规调控下泄流量对比见图7。
(四)下游局地智能应急模块4根据上游远程调控模块3实施后的河口供水安全保障情况，实施智能化应急辅助调控，具体开始时间为每次小潮前最下游丁坝处氯化物浓度首次超标之日，结束时间为相邻大潮后最下游丁坝处首次出现氯化物浓度全天达标之日，首次调度开始时间为1月6日，首次调度结束时间为1月17日，可调丁坝调度方式为：调度期内河口每天涨潮期间保持丁坝正常高度2m运行，落潮期间保持塌坝运行；非调度期丁坝塌坝运行。
本发明的河口丁坝优化设置方法，于河口取水口下游设置2道丁坝，垂直于河岸间隔布置，丁坝设计高度为不碍航的最大高度2m。
上下游水利工程联合调控与历史同期常规调控盐水月均上溯距离对比见图8。由图8所示，本发明的上下游水利工程联合调控方法可在水库蓄水期和消落期内显著缩减盐水上溯距离；此外，本发明可为河口地区取水口创造持续时间较长的连续取水机会，并削减取水口处氯化物峰值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.保障河口供水安全的水利工程智能调控系统，其特征在于：包括环境要素原位监测模块(1)、环境要素信息管控模块(2)、上游远程调控模块(3)和下游局地智能应急模块(4)；
所述环境要素原位监测模块(1)包含水库运行监测单元(11)、流域降雨监测单元(12)、河口水质监测单元(13)和运行通信单元(14)，所述水库运行监测单元(11)包括安置在水库厂房和大坝上下游断面的用于获取水库坝前、坝后水位和出入库流量的第一多参数设备；所述流域降雨监测单元(12)通过流域内设置的雨量站获取流域内的降雨量分布；所述河口水质监测单元(13)包括安置于河口固定监测断面、水源地取水口和丁坝附近重点监测断面的用于获取河口地区实时潮位和氯化物浓度信息的第二多参数设备；所述运行通信单元(14)包括无线通讯器、临时存储器和分别与无线通讯器、临时存储器连接的电源，水库运行监测单元(11)、流域降雨监测单元(12)和河口水质监测单元(13)采集的数据信息均暂存于临时存储器中，临时存储器中的信息通过无线通讯器提供的2G/3G/4G蜂窝移动网络与环境要素信息管控模块(2)、上游远程调控模块(3)和下游局地智能应急模块(4)进行信息交互；
所述环境要素信息管控模块(2)由数据预处理单元(21)和监测数据库单元(22)组成，所述数据预处理单元(21)对环境要素原位监测模块(1)上传的监测信息进行分类和预处理并存储至监测数据库单元(22)，同时执行上游远程调控模块(3)和下游局地智能应急模块(4)的数据需求，从监测数据库单元(22)调用所请求数据并交付；所述监测数据库单元(22)用于存储环境要素原位监测模块的数据信息，并接受数据预处理单元(21)的数据调用请求；
所述上游远程调控模块(3)包含响应时间计算单元(31)、蓄水期调度单元(32)、消落期前期调度单元(33)和消落期后期调度单元(34)，所述响应时间计算单元(31)采用水动力模型计算河口地区对水库不同下泄流量的响应时间；所述蓄水期调度单元(32)通过分析环境要素信息管控模块(2)存储的汛末洪水过程以及河口潮位数据信息并根据响应时间计算单元(31)计算不同下泄流量的响应时间进行蓄水期调度；所述消落期前期调度单元(33)通过分析环境要素信息管控模块(2)存储的流域降雨情况以及河口潮位数据信息并根据响应时间计算单元(31)计算不同下泄流量的响应时间进行消落期前期调度；所述消落期后期调度单元(34)通过分析环境要素信息管控模块(2)存储的流域降雨情况以及河口潮位数据信息并根据响应时间计算单元(31)计算不同下泄流量的响应时间进行消落期后期调度；
所述下游局地智能应急模块(4)包含应急调度激活单元(41)和丁坝调度单元(42)，所述应急调度激活单元(41)在调用环境要素信息管控模块(2)存储的河口水质信息后，当氯化物浓度超标启动开展丁坝调度单元(42)实施丁坝调度；所述丁坝调度单元(42)在接收应急调度激活单元(41)的激活指令后进行丁坝调度。
2.根据权利要求1所述保障河口供水安全的水利工程智能调控系统，其特征在于：所述第一多参数设备包括水位计和流量计，水位计和流量计均匀分布在水库坝前和坝后，用于获取水库坝前、坝后水位和出入库流量；所述流域降雨监测单元(12)由流域内分布用于收集降雨数据的多个遥测雨量站以及人工观测雨量站组成；所述第二多参数设备包括潮位计和盐度计，潮位计和盐度计，安置于河口固定监测断面、水源地取水口和丁坝附近重点监测断面，用于获取河口地区实时潮位和氯化物浓度信息。
3.根据权利要求1所述保障河口供水安全的水利工程智能调控系统，其特征在于：所述蓄水期调度单元(32)通过分析环境要素信息管控模块(2)存储的汛末洪水过程以及河口潮位数据信息进行蓄水期优化调度，在保证达到蓄水要求的前提下选择合适的时机蓄泄水；所述消落期前期调度单元(33)通过分析环境要素信息管控模块(2)存储的流域降雨情况以及河口潮位活动数据信息选用相应调度模式进行消落期前期调度，调度模式包含大幅连续补水、以天然来水且不低于保证出力下泄和类正弦波式补水；所述消落期后期调度单元(34)通过分析环境要素信息管控模块(2)存储的流域降雨情况以及河口潮位数据信息选用相应调度模式进行消落期后期调度，该调度模式包括小幅连续补水、以天然来水且不低于保证出力下泄和矩形波式补水。
4.根据权利要求1所述保障河口供水安全的水利工程智能调控系统，其特征在于：所述下游局地智能应急模块(4)根据上游远程调控模块(3)实施后的河口供水安全保障情况，实施智能化应急辅助调控，调用环境要素信息管控模块(2)存储的河口水质监测信息，在水库消落期内，消落期为每次小潮前最下游丁坝处氯化物浓度首次超标之日至相邻大潮后最下游丁坝处首次出现氯化物浓度全天达标之日，应急调度激活单元(41)向丁坝调度单元(42)发送激活指令，丁坝调度单元(42)进行丁坝调度，调度方式为：调度期内河口每天涨潮期间保持丁坝正常高度运行，落潮期间保持塌坝运行；非调度期丁坝塌坝运行。
5.利用权利要求1至4任一项所述保障河口供水安全的水利工程智能调控系统的调控方法，包括以下步骤：
(一)环境要素原位监测模块(1)监测系统所需的上游水库和下游河口关键位置的水文、水动力、水环境要素的实时数据，包括水库运行监测单元(11)监测的坝前坝后水位和出入库流量；流域降雨监测单元(12)监测的流域降雨量分布；河口水质监测单元(13)监测的河口潮位和氯化物浓度信息；运行通信单元(14)将各个单元采集的数据信息暂存于临时存储器中并与环境要素信息管控模块(2)、上游远程调控模块(3)和下游局地智能应急模块(4)进行信息交互；
(二)环境要素信息管控模块(2)接收、预处理环境要素原位监测模块(1)上传的监测信息，并存储于监测数据库单元(22)；
(三)上游远程调控模块(3)在水库调度敏感段内实施特有的精准优化调度，包括以下步骤：
①响应时间计算单元(31)采用水动力模型计算河口对水库不同情况下泄流量的响应时间；
②蓄水期调度单元(32)调用环境要素信息管控模块(2)存储的监测信息采取如下优化调控：在主汛期末拦蓄中小洪水进行洪水资源化，在汛期末采用半月周期的阶梯式蓄水方式实施正式蓄水，周期内考虑河口对水库流量的响应时间后，水库在河口大潮前以天然来水下泄，周期内其他时间均正常蓄水，汛期结束时达到正常高水位；
③消落期前期调度单元(33)调用环境要素信息管控模块(2)存储的监测信息采取如下优化调控：以月为周期进行调控，流域降雨充沛的情形下，在强潮月份，周期内水库对河口进行大幅连续补水；在弱潮月份，周期内水库以天然来水且不低于水库保证出力对应流量下泄；在流域降雨稀少的情形下，周期内水库对河口进行半月波长的类正弦波式补水，周期内波峰、波谷时间节点分别与河口大潮、小潮出现时间对应，且波峰流量与月平均潮差呈正相关；
④消落期后期调度单元(34)调用环境要素信息管控模块(2)存储的监测信息采取如下优化调控：以月为周期进行调控，流域降雨充沛的情形下，在强潮月份，周期内水库对河口进行小幅连续补水；在弱潮月份，周期内水库以天然来水且不低于水库保证出力流量对应下泄；流域降雨稀少的情形下，周期内水库对河口进行半月波长的矩形波式补水，水库下泄流量高水平阶段在河口大潮出现时间之前开始并在小潮出现时间之前结束，且高水平流量与月平均潮差呈正相关；
(四)下游局地智能应急模块(4)根据上游远程调控模块(3)实施后的河口供水安全保障情况，实施智能化应急辅助调控，调用环境要素信息管控模块(2)存储的河口水质监测信息，在水库消落期内，消落期为每次小潮前最下游丁坝处氯化物浓度首次超标之日至相邻大潮后最下游丁坝处首次出现氯化物浓度全天达标之日，应急调度激活单元(41)向丁坝调度单元(42)发送激活指令，丁坝调度单元(42)进行丁坝调度，调度期内河口每天涨潮期间保持丁坝正常高度运行，落潮期间保持塌坝运行；非调度期丁坝塌坝运行。
6.根据权利要求5所述的保障河口供水安全的水利工程智能调控系统的调控方法，其特征在于：所述步骤①到④具体按以下步骤实施：
①响应时间计算单元(31)采用水动力模型计算河口对水库不同下泄流量的响应时间；
②蓄水期调度单元(32)调用环境要素信息管控模块(2)的监测信息采取如下优化调控：主汛期末拦蓄中小洪水减小下泄流量，日均下泄流量较常规调控减小8000～12000m3/s，在18～20天内将水库水位抬升15±1m；汛期末采用半月周期的阶梯式蓄水，周期内考虑河口对水库流量的响应时间后，在河口大潮前后以天然来水下泄，其余时间蓄水并保持日均下泄流量较常规调控增加2200～2400m3/s，各周期水库水位抬升3.8～4.2m，汛期结束时水库达到正常高水位；
③消落期前期调度单元(33)调用环境要素信息管控模块(2)的监测信息采取如下优化调控：
1)流域降雨充沛的情形下强潮月，水库对河口进行大幅连续补水，水库下泄流量较常规调控增加800～1200m3/s并在补水期间保持流量不变；
2)流域降雨充沛的情形下弱潮月，水库以天然来水且不低于水库保证出力对应流量下泄；
3)流域降雨稀少的情形下，水库对河口进行半月波长的类正弦波式补水，类正弦波波峰的流量较常规调控增加500～1000m3/s，波谷的流量较常规调控减少400～500m3/s；
④消落期后期调度单元(34)调用环境要素信息管控模块(2)的监测信息采取如下优化调控：
1)流域降雨充沛的情形下强潮月，水库对河口进行小幅连续补水，水库下泄流量较常规调控增加400～600m3/s并在补水期间保持流量不变；
2)流域降雨充沛的情形下弱潮月，水库以天然来水且不低于水库保证出力对应流量下泄；
3)流域降雨稀少的情形下，水库对河口进行半月波长的矩形波式补水，矩形波的高水平流量较常规调控增加600～800m3/s，低水平流量较常规调控减少200～400m3/s，且具体高水平流量与月平均潮差呈正相关。
7.根据权利要求5所述的保障河口供水安全的水利工程智能调控系统的调控方法，其特征在于，所述步骤四中河口丁坝位置设置，包括以下步骤：
(一)丁坝至少设置两道，在主河道最下游取水口的下游依次间隔设置于河床上；
(二)对于取水口上游存在易发生盐水倒灌汊道的河道，在汊道上于分汊点另设至少一道丁坝；
(三)对于取水口下游存在江心洲的河道，丁坝设置于江心洲两侧；
(四)各条丁坝均垂直于河道轴线布置；
(五)丁坝设计高度小于河道多年平均水深，在有通航要求的河道中为不碍航的最大高度。
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2016
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