CN112215461B - 长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及引调水工程水量调度领域，公开了一种长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统，包括GIS平台及空间数据管理引擎，还包括输水调度状态分析综合数据库，构建输水调度安全运行规则库和水力学模拟模型，将输水调度状态分析综合数据库、安全运行规则库和水力学模拟模型输入GIS平台及空间数据管理引擎，构建GIS可视化场景，输出输水调度状态判读和输水调度状态预警。本发明长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统，根据调度运行实时监测数据自动判读输水调度状态，输水调度状态动态过程模拟仿真，生成输水调度状态预警信息，以及水量调度方案执行情况评估，并提供输水状态信息可视化展示、查询及数据共享。

Description

长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统

技术领域

本发明涉及引调水工程水量调度领域，具体涉及一种长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统。

背景技术

随着区域性缺水问题日益突出，修建大型跨流域调水工程成为解决区域性缺水的一项重要工程措施，是优化区域间水资源配置，促进经济社会可持续平衡发展的重大举措。水量调度自动化系统是长距离输水工程的中枢神经，是输水调度科学、安全、高效运行的重要保障，对工程建设目标的实现具有决定性影响。准确掌握输水调度的实时状态信息和运行趋势，是确保水量调度安全高效运行的基础和前提，对水量调度控制具有重要意义。因此，大型引调水工程通常都建有闸站监控系统，用于采集水位、流量、开度，以及闸门运行工况等实时监测数据。

为确保工程安全运行，引调水工程设计和调度规程对水位流量等输水调度状态均有明确的要求和严格规定，这些要求和规定是调度人员必须遵循的调度准则。调度人员需要根据监测数据来判断当前输水调度状态是否满足安全运行的各项规定要求。然而对于大型引调水工程来说，由于输水路线长，建筑物数量多，数据采集频率高，监测数据量往往非常大，因此，调度人员人工判读输水调度状态的工作量非常大，效率低。另外，引调水工程控制节点之间往往具有内在的关联性，某一节点的状态可能会影响到上下游多个节点，或受其影响。然而各个节点的监测数据是独立的，无法直观地反映节点之间的这种内在关联性，这也增加了调度人员判读输水状态的难度。

调度人员在日常输水调度控制过程中，不仅需要获取当前的输水调度状态，还需要准确地判断其未来发展趋势，以帮助其采取科学的调度控制措施。然而，监测数据只能反映当前的输水调度状态，调度人员无法根据当前状态信息，分析和判断未来一段时间的运行趋势。除了确保工程安全运行外，调度人员还需要确保完成供水调度计划。虽然监测数据真实记录了各个时刻的水位流量信息，然而调度人员却无法从这些数据中直观地获取供水调度方案的执行情况，并采取适当的调度措施。

输水调度状态不仅对调度人员非常重要，也是水量调度系统进行调度控制指令计算的重要依据。通过分析、统计、模拟计算等方式，将历史、实时监测数据加工转化为调度人员所需的各类输水调度状态信息，以及提供给水量调度系统或其他第三方使用，将是一项重要而有意义的工作。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统，根据调度运行实时监测数据自动判读输水调度状态，输水调度状态动态过程模拟仿真，生成输水调度状态预警信息，以及水量调度方案执行情况评估，并提供输水状态信息可视化展示、查询及数据共享。

为实现上述目的，本发明所设计的长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统，包括GIS平台及空间数据管理引擎，还包括输水调度状态分析综合数据库，通过所述输水调度状态分析综合数据库构建输水调度安全运行规则库和水力学模拟模型，将所述输水调度状态分析综合数据库、安全运行规则库和水力学模拟模型输入所述GIS平台及空间数据管理引擎，构建GIS可视化场景，输出输水调度状态判读和输水调度状态预警；

所述输水调度状态分析综合数据库包括：输水调度监测数据、闸门运行工况、水量调度方案、调度规程、引调水工程数据和空间数据，还包括通过所述水力学模拟模型计算取得的输水调度模拟数据，所述输水调度监测数据包括闸站监控系统采集的各闸站的水位、流量、开度监测数据，以及输水线路中重要部位、重要断面的水位、流量监测数据，包括历史监测数据和实时监测数据，所述输水调度监测数据包括水位监测数据、流量监测数据和开度监测数据，所述输水调度监测数据和闸门运行工况属于实时数据通过数据服务接口从闸站监控系统中接入；

所述输水调度安全运行规则库为对引调水工程数据、调度规程以及运行调度相关指导性文件中关于各种工况下水位流量的限制性规定，进行要素分解和特征提取，形成的各种工况下的工程安全运行调度规则；

水力学模拟模型为采用控制建筑物作为划分节点，将输水干渠分为若干子段，建立能量方程、圣维南方程组的恒定流、非恒定流计算方程，通过联合求解，实现输水调度动态过程的模拟仿真，通过模拟计算出输水调度状态在未来一段时间的变化趋势；

所述输水调度状态判读是指通过获取输水调度实时监测数据，并结合历史监测数据，以输水调度安全运行规则库、水力学模拟模型的模拟结果作为约束条件和判断依据，实现输水调度状态自动判读，所述输水调度状态预警是指通过水力模拟模型模拟输水调度状态的动态变化趋势，并结合当前的输水调度状态生成输水调度状态预警信息。

优选地，构建GIS可视化场景为按图层组织数据，控制各图层的显示状态，为各水工建筑物设置唯一编码，并建立与监测数据之间的关联，在GIS场景中查询节制闸、分水口、退水闸的实时和历史监测数据，图层包括：1)渠段(线图层，用渠段中心线来表示)、2)节制闸(点图层)、3)分水口(点图层)、4)退水闸(点图层)、5)涵洞(线图层)、6)倒虹吸(线图层)、7)渡槽(线图层)、8)水系(线图层)、9)湖泊(面图层)、10)道路(线图层)、11)城镇(点图层)和12)行政区划(面图层)，其中8)～12)是引调水线路沿线与引调水工程相关的空间数据。

优选地，所述水力学模拟模型中，

恒定流水面线通过下式能量方程计算，取得恒定流方程：

式中：Z₁为上游计算断面渠底高程，Z₂为下游计算断面水位，Y₁为上游计算断面水深，Y₂为下游计算断面水深，μ₁为上游计算断面平均流速，μ₂为下游计算断面平均流速，α₁、α₂为动能修正系数，令α₁＝α₂＝1，h_w为水头损失；

明流非恒定流过程通过圣维南方程组来描述，取得非恒定流方程：

式中：Q为流量，F为过水断面面积，μ为流速，Z为水位，c为均匀流公式中的谢才系数，R为湿周，q为单位长渠段上分出的流量，μ_qx为q在渠道水流方向上的流速分量；

针对弧形闸门，节制闸过闸流量可采用下式计算，取得节制闸过闸流量方程：

式中，Q为过闸流量，σ为淹没系数，m为流量系数，e为闸孔开度，b为闸孔宽度，ε为侧收缩系数，g为重力加速度，h为闸门上下游水位差，g为重力加速度；

利用恒定流方程计算输水调度目标状态，将非恒定流方程和节制闸过闸流量方程进行联合求解，实现对输水调度状态动态过程的模拟仿真。

优选地，所述输水调度状态判读和输水调度状态预警包括如下步骤：

1)通过数据服务接口，从闸站监控系统获取实时的水位监测数据、流量监测数据、开度监测数据和闸门运行工况；

2)结合历史监测数据，以输水调度安全运行规则库作为约束条件和判断依据，取得当前输水调度状态判读，确认当前输水调度状态；

3)将历史监测数据和实时监测数据输入水力学模拟模型，进行输水调度动态过程模拟，取得输水调度状态变化趋势，进一步取得时间Δt后输水调度状态判读；

4)通过步骤3)取得的Δt后输水调度状态判读对步骤2)取得的当前输水调度状态进行状态修正，取得修正后的输水调度状态，并进行输水调度状态等级划分，即可进行输水调度状态预警。

优选地，所述GIS平台及空间数据管理引擎还可以输出输水调度动态过程模拟、水量调度方案执行情况评估和输水调度状态信息展示，并提供输水调度状态信息查询和输水调度状态信息输出与共享，所述输水调度动态过程模拟通过所述水力学模拟模型取得，所述水量调度方案执行情况评估为根据历史监测数据，对各分水口、重要控制断面的流量进行统计，分析评估水量调度方案执行情况，并根据分析评估结果生成水量调度建议，所述输水调度状态信息展示为对输水调度状态进行分级，制作输水调度状态专题图在GIS场景中可视化展示，所述输水调度状态信息查询为基于GIS地图的交互信息查询，所述输水调度状态信息输出与共享为通过数据服务接口，将输水调度状态信息写入水量调度综合管理数据库，供第三方使用，包括监测数据、闸门运行工况、输水调度运行状态、水量调度执行情况，实现输水调度状态信息共享。

优选地，所述水量调度方案执行情况评估根据历史监测数据和实时监测数据进行流量数据统计，通过水量调度方案和水量调度评估模型，取得水量调度方案执行情况评估，进而取得水量调度建议。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、解决了输水调度状态自动判断的问题，将监测数据转化为输水调度安全运行状态信息，实现输水调度运行状态自动判读；

2、解决了输水调度状态模拟仿真的问题，通过水力学模拟模型，实现输水调度状态动态变化过程以及变化趋势的模拟；

3、解决了输水调度状态分析预警的问题，对输水调度状态进行分级，生成输水调度运行状态预警信息；

4、解决了水量调度执行情况评估的问题，通过监测数据统计分析，对水量调度方案执行情况进行分析评估，并生成调度控制建议；

5、解决输水调度状态信息可视化展示的问题，构建基于GIS的输水调度可视化场景，以GIS专题图等形式，动态、直观地展示各类输水调度状态信息，并实现交互式信息查询；

6、大大减轻了调度人员人工判读输水调度状态的工作量，提高了工作效率，为调度人员制定科学、精准的调度方案提供了重要的参考信息。

附图说明

图1为本发明长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统的总体结构示意图；

图2为发明中输水调度监测数据获取的示意图；

图3为输水调度状态判读和输水调度状态预警生成流程图；

图4节制闸特征水位示意图；

图5为水量调度方案执行情况评估流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统，包括GIS平台及空间数据管理引擎，还包括输水调度状态分析综合数据库，通过输水调度状态分析综合数据库构建输水调度安全运行规则库和水力学模拟模型，将输水调度状态分析综合数据库、安全运行规则库和水力学模拟模型输入GIS平台及空间数据管理引擎，构建GIS可视化场景，输出输水调度状态判读和输水调度状态预警；

输水调度状态分析综合数据库包括：输水调度监测数据、闸门运行工况、水量调度方案、调度规程、引调水工程数据和空间数据，还包括通过水力学模拟模型计算取得的输水调度模拟数据，输水调度监测数据包括闸站监控系统采集的各闸站的水位、流量、开度监测数据，以及输水线路中重要部位、重要断面的水位、流量监测数据，包括历史监测数据和实时监测数据，输水调度监测数据包括水位监测数据、流量监测数据和开度监测数据，如图2所示，输水调度监测数据和闸门运行工况属于实时数据通过数据服务接口从闸站监控系统中接入。

另外，闸门运行工况数据主要是指各节制闸、分水口、退水闸的运行状态信息，记录各闸门有无故障，是否可以参与正常调度使用等；水量调度方案一般以月为单位，是全线以月为单位的阶段性水量调度计划，明确了各用水户(分水口)的计划供水量；调度规程主要包括调度规程中关于输水调度的一些限制和规定，如各节制闸最高最低水位、最大最小流量、日最大水位降幅等；引调水工程数据主要包括渠段长度、渠底宽度、渠底高程、边坡系数、设计水位、设计流量等反映输水能力的工程设计数据；空间数据主要指引调水水工建筑物，以及引调水线路沿线的河流、湖泊、道路、城镇等基础地理空间数据，用于展示输水线路空间布局及沿线自然地理数据。

输水调度安全运行规则库为对引调水工程数据、调度规程以及运行调度相关指导性文件中关于各种工况下水位流量的限制性规定，进行要素分解和特征提取，形成的各种工况下的工程安全运行调度规则。

水力学模拟模型为采用控制建筑物作为划分节点，将输水干渠分为若干子段，建立能量方程、圣维南方程组的恒定流、非恒定流计算方程，通过联合求解，实现输水调度动态过程的模拟仿真，通过模拟计算出输水调度状态在未来一段时间的变化趋势。

输水调度状态判读是指通过获取输水调度实时监测数据，并结合历史监测数据，以输水调度安全运行规则库、水力学模拟模型的模拟结果作为约束条件和判断依据，实现输水调度状态自动判读，输水调度状态预警是指通过水力模拟模型模拟输水调度状态的动态变化趋势，并结合当前的输水调度状态生成输水调度状态预警信息。

其中，构建GIS可视化场景为按图层组织数据，控制各图层的显示状态，为各水工建筑物设置唯一编码，并建立与监测数据之间的关联，在GIS场景中查询节制闸、分水口、退水闸的实时和历史监测数据，图层包括：1)渠段(线图层，用渠段中心线来表示)、2)节制闸(点图层)、3)分水口(点图层)、4)退水闸(点图层)、5)涵洞(线图层)、6)倒虹吸(线图层)、7)渡槽(线图层)、8)水系(线图层)、9)湖泊(面图层)、10)道路(线图层)、11)城镇(点图层)和12)行政区划(面图层)，其中8)～12)是引调水线路沿线与引调水工程相关的空间数据。

另外，水力学模拟模型中，

恒定流水面线通过下式能量方程计算，取得恒定流方程：

式中：Z₁为上游计算断面渠底高程，Z₂为下游计算断面水位，Y₁为上游计算断面水深，Y₂为下游计算断面水深，μ₁为上游计算断面平均流速，μ₂为下游计算断面平均流速，α₁、α₂为动能修正系数，令α₁＝α₂＝1，h_w为水头损失；

明流非恒定流过程通过圣维南方程组来描述，取得非恒定流方程：

式中：Q为流量，F为过水断面面积，μ为流速，Z为水位，c为均匀流公式中的谢才系数，R为湿周，q为单位长渠段上分出的流量，μ_qx为q在渠道水流方向上的流速分量，g为重力加速度；

针对弧形闸门，节制闸过闸流量可采用下式计算，取得节制闸过闸流量方程：

式中，Q为过闸流量，σ为淹没系数，m为流量系数，e为闸孔开度，b为闸孔宽度，ε为侧收缩系数，g为重力加速度，h为闸门上下游水位差；

利用恒定流方程计算输水调度目标状态，将非恒定流方程和节制闸过闸流量方程进行联合求解，实现对输水调度状态动态过程的模拟仿真。

本实施例中，如图3所示，输水调度状态判读和输水调度状态预警包括如下步骤：

1)通过数据服务接口，从闸站监控系统获取实时的水位监测数据、流量监测数据、开度监测数据和闸门运行工况；

2)结合历史监测数据，以输水调度安全运行规则库作为约束条件和判断依据，取得当前输水调度状态判读，确认当前输水调度状态；

3)将历史监测数据和实时监测数据输入水力学模拟模型，进行输水调度动态过程模拟，取得输水调度状态变化趋势，进一步取得时间Δt后输水调度状态判读；

4)通过步骤3)取得的Δt后输水调度状态判读对步骤2)取得的当前输水调度状态进行状态修正，取得修正后的输水调度状态，并进行输水调度状态等级划分，即可进行输水调度状态预警。

其中，输水调度状态的信息包括渠段输水流量状态信息、渠段输水流量变幅信息、渠段水位状态信息、渠段水位降速状态信息、分水口流量状态信息，结合输水调度安全运行规则库，对输水状态进行等级划分，在本实施例中，可以不同等级用不同颜色展示，生成输水调度状态等级及预警信息，便于调度人员直观地判断。另外，节制闸特征水位示意见图4所示，具体描述如下：

1)渠段输水流量状态信息

用三种颜色分别表示不同的流量状态：绿色表示安全状态，橙色表示预警状态，红色表示达到或超过加大流量状态。

设渠段的实测流量为Flow_c，渠段加大流量为MaxFlow，流量增加量为Δflow，不同流量状态对应的流量范围见表1所示：

表1渠段流量等级划分表

2)渠段输水流量变幅信息

渠段上游节制闸的过闸流量是该渠段的入渠流量，下游节制闸的过闸流量是该渠段的出渠流量，当入渠流量小于出渠流量时，其实是利用渠段调蓄能力进行供水。入渠流量与出渠流量之差应满足渠段内水位降速要求。设入渠流量为Q_in，出渠流量为Q_out，入渠流量与出渠流量之差为实际供水量，记为Q_s，由于Q_in<Q_out，Q_s＝|Q_in–Q_out|＝Q_out-Q_in。设某一水位条件下，达到允许的最大水位降速时对应的渠段流量差为Q_max，给定流量变化量ΔQ。渠段流量变化等级划分见表2

表2渠段流量变化等级划分表

序号	渠段流量动态变化	流量动态变化范围
			1	安全状态	Q<sub>s</sub>&lt;Q<sub>max</sub>-ΔQ
2	预警状态	(Q<sub>max</sub>-ΔQ)≤Q<sub>s</sub>&lt;Q<sub>max</sub>
			3	警戒状态	Q<sub>s</sub>≥Q<sub>max</sub>

3)渠段水位状态信息

节制闸特征水位包括目标水位、设计水位、加大水位、目标水位上限、目标水位下限等，各特征水位之间的大小关系见图4所示。正常输水调度状态下，渠段的水位应在目标水位附近，根据调度规程，渠段水位不能高于加大水位，也不能低于目标水位下限。

设渠段实时水位为WL_c，加大水位为WL_max，目标水位上限为WL_tup，目标水位下限为WL_tdown，给定水位变化量Δwl，Δwl>0。渠段水位状态等级划分见表3。

表3渠段水位变化等级划分表

4)渠段水位降速状态信息

渠段水位降速低于调度规程允许的降速范围内，包括日最大降速和小时最大降速，设实测日渠段水位降速为SWL_d，实测小时渠段水位降速为SWL_h，调度规程所允许的最大日水位降幅为TWL_d，最大小时水位降幅为TWL_h，给定日水位降幅增量为Δwl_d，小时水位降幅增量为Δwl_h，Δwl_d>0,Δwl_h>0，则渠段水位降速状态信息可按表4划分等级。

表4渠段水位降速等级划分表

5)分水口流量状态信息

根据调度规程，各分水口的分水流量不应大于其设计流量，设分水口的分水流量为Q_f，分水口的设计流量Q_d，给定分水口流量增量Δq，Δq≥0，分水口分水流量状态等级划分见表5。

表5分水口分水流量状态等级划分表

序号	分水口流量状态等级	分水口流量范围
			1	安全状态	0&lt;Q<sub>f</sub>&lt;(Q<sub>d</sub>-Δq)
2	预警状态	(Q<sub>d</sub>-Δq)≤Q<sub>f</sub>&lt;Q<sub>d</sub>
			3	警戒状态	Q<sub>f</sub>≥Q<sub>d</sub>

通过实时监测数据判读得到各类状态信息后，设定一个时段Δt，再通过水力学模拟模型，模拟计算Δt时段内的输水调度状态动态变化过程，并对经过Δt后的输水调度状态进行同样的状态判读，按下表对状态信息进行修正。

表6根据输水调度运行趋势对当前状态进行修正

序号	当前状态	经过Δt后的状态	修正后的状态
				1	安全状态	安全状态	安全状态
2	预警状态	安全状态	安全状态
				3	警戒状态	安全状态	警戒状态
4	安全	预警状态	预警状态
				5	预警状态	预警状态	预警状态
6	警戒状态	预警状态	警戒状态
				7	安全状态	警戒状态	预警状态
8	预警状态	警戒状态	预警状态
				9	警戒状态	警戒状态	警戒状态

输水调度状态是动态变化的，调度人员在采取调度控制措施时，首先要考虑当前的运行状态，同时还需要结合运行状态的变化趋势，只有这样才会选择最为合适调度控制措施。比如，如果当前状态为预警状态，但是经过Δt后的状态为安全状态，调度人员就不必急于采取调控措施进行干预，因为根据运行趋势，会自动调整为安全状态，相反，如果当前状态为安全状态，但是经过Δt后的状态为预警状态或警戒状态，则应该提前进行干预，不用等经过Δt时间后事情变得糟糕后再采取措施。

系统根据节制闸的流量、水位历史/实时监测数据，分别计算渠段的流量、水位信息，以及流量变幅和水位变幅信息，实现将节制闸的监测信息转换为渠段的输水状态信息，其中，渠段的流量取该渠段上游节制闸的过闸流量；渠段的水位取该渠段下游节制闸的闸前水位。结合引调水工程的设计参数、调度规程等，对输水状态信息进行等级划分，不同等级用不同颜色展示，安全状态采用绿色，预警状态采用橙色，警戒状态采用红色，便于调度人员直观地判断。

本实施例中，GIS平台及空间数据管理引擎还可以输出输水调度动态过程模拟、水量调度方案执行情况评估和输水调度状态信息展示，并提供输水调度状态信息查询和输水调度状态信息输出与共享，输水调度动态过程模拟通过水力学模拟模型取得，水量调度方案执行情况评估为根据历史监测数据，对各分水口、重要控制断面的流量进行统计，分析评估水量调度方案执行情况，并根据分析评估结果生成水量调度建议，输水调度状态信息展示为对输水调度状态进行分级，制作输水调度状态专题图在GIS场景中可视化展示，输水调度状态信息查询为基于GIS地图的交互信息查询，输水调度状态信息的输出与共享为通过数据服务接口，将输水调度状态信息写入水量调度综合管理数据库，供第三方使用，包括监测数据、闸门运行工况、输水调度运行状态、水量调度执行情况等，实现输水调度状态信息共享。

其中，如图5所示，水量调度方案执行情况评估根据历史监测数据和实时监测数据进行流量数据统计，通过水量调度方案和水量调度评估模型，取得水量调度方案执行情况评估，进而取得水量调度建议。通过建立水量调度评估指标体系，构建水量调度评估模型，根据历史/实时监测数据，对分水口及重要断面的流量进行统计，并通过与水量调度方案数据进行对比分析，评估水量调度方案的执行情况，包括完成百分比、是否按计划分水、是否中断供水、是否准时等方面，并根据评估结果，生成水量调度控制建议供调度人员参考。

另外，本实施例中，输水调度状态信息展示，是制作基于GIS的专题地图，采用符号、颜色、高亮、动态图等手段可视化展示输水状态，采用专题图的形式展示输水调度状态信息，包括：1)渠段输水流量状态专题图；2)渠段输水流量变幅专题图；3)渠段水位状态专题图；4)渠段水位降速状态专题图；5)分水口流量状态专题图；6)闸门运行工况专题图；7)水量调度方案执行情况专题图；8)输水调度动态变化过程模拟结果专题图。在专题图中，将节制闸等控制节点的输水调度状态信息转换为渠段的输水调度状态信息，其中，渠段的流量取该渠段上游节制闸的过闸流量；渠段的水位取该渠段下游节制闸的闸前水位。

输水调度状态信息查询，是实现基于GIS地图交互式查询，主要包括：1)节制闸、分水口、退水闸的实时/历史监测数据；2)闸门运行工况信息；3)渠段的流量、水位状态信息查询；4)渠段的流量、水位变幅信息查询；5)重要断面的流量统计信息查询；6)渠段水情趋势分析结果(水力学模拟仿真结果)查询；7)渠段水体积查询；8)各分水口、重要断面流量统计数据查询；9)水量调度方案执行情况查询。

本发明长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统，解决了输水调度状态自动判断的问题，将监测数据转化为输水调度安全运行状态信息，实现输水调度运行状态自动判读；解决了输水调度状态模拟仿真的问题，通过水力学模拟模型，实现输水调度状态动态变化过程以及变化趋势的模拟；解决了输水调度状态分析预警的问题，对输水调度状态进行分级，生成输水调度运行状态预警信息；解决了水量调度执行情况评估的问题，通过监测数据统计分析，对水量调度方案执行情况进行分析评估，并生成调度控制建议；解决输水调度状态信息可视化展示的问题，构建基于GIS的输水调度可视化场景，以GIS专题图等形式，动态、直观地展示各类输水调度状态信息，并实现交互式信息查询；大大减轻了调度人员人工判读输水调度状态的工作量，提高了工作效率，为调度人员制定科学、精准的调度方案提供了重要的参考信息。

Claims (6)

1.一种长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统，包括GIS平台及空间数据管理引擎，其特征在于：还包括输水调度状态分析综合数据库，通过所述输水调度状态分析综合数据库构建输水调度安全运行规则库和水力学模拟模型，将所述输水调度状态分析综合数据库、安全运行规则库和水力学模拟模型输入所述GIS平台及空间数据管理引擎，构建GIS可视化场景，输出输水调度状态判读和输水调度状态预警；

所述输水调度状态分析综合数据库包括：输水调度监测数据、闸门运行工况、水量调度方案、调度规程、引调水工程数据和空间数据，还包括通过所述水力学模拟模型计算取得的输水调度模拟数据，所述输水调度监测数据包括闸站监控系统采集的各闸站的水位、流量、开度监测数据，以及输水线路中重要部位、重要断面的水位、流量监测数据，包括历史监测数据和实时监测数据，所述输水调度监测数据包括水位监测数据、流量监测数据和开度监测数据，所述输水调度监测数据和闸门运行工况属于实时数据通过数据服务接口从闸站监控系统中接入；

所述输水调度安全运行规则库为对引调水工程数据、调度规程以及运行调度相关指导性文件中关于各种工况下水位流量的限制性规定，进行要素分解和特征提取，形成的各种工况下的工程安全运行调度规则；

水力学模拟模型为采用控制建筑物作为划分节点，将输水干渠分为若干子段，建立能量方程、圣维南方程组的恒定流、非恒定流计算方程，通过联合求解，实现输水调度动态过程的模拟仿真，通过模拟计算出输水调度状态在未来一段时间的变化趋势；

所述输水调度状态判读是指通过获取输水调度实时监测数据，并结合历史监测数据，以输水调度安全运行规则库、水力学模拟模型的模拟结果作为约束条件和判断依据，实现输水调度状态自动判读，所述输水调度状态预警是指通过水力模拟模型模拟输水调度状态的动态变化趋势，并结合当前的输水调度状态生成输水调度状态预警信息。

2.根据权利要求1所述长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统，其特征在于：构建GIS可视化场景为按图层组织数据，控制各图层的显示状态，为各水工建筑物设置唯一编码，并建立与监测数据之间的关联，在GIS场景中查询节制闸、分水口、退水闸的实时和历史监测数据，图层包括：1)渠段、2)节制闸、3)分水口、4)退水闸、5)涵洞、6)倒虹吸、7)渡槽、8)水系、9)湖泊、10)道路、11)城镇和12)行政区划，其中8)～12)是引调水线路沿线与引调水工程相关的空间数据。

3.根据权利要求1所述长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统，其特征在于：所述水力学模拟模型中，

恒定流水面线通过下式能量方程计算，取得恒定流方程：

式中：Z₁为上游计算断面渠底高程，Z₂为下游计算断面水位，Y₁为上游计算断面水深，Y₂为下游计算断面水深，μ₁为上游计算断面平均流速，μ₂为下游计算断面平均流速，α₁、α₂为动能修正系数，令α₁＝α₂＝1，h_w为水头损失；

明流非恒定流过程通过圣维南方程组来描述，取得非恒定流方程：

式中：Q为流量，F为过水断面面积，μ为流速，Z为水位，c为均匀流公式中的谢才系数，R为湿周，q为单位长渠段上分出的流量，μ_qx为q在渠道水流方向上的流速分量，g为重力加速度；

针对弧形闸门，节制闸过闸流量可采用下式计算，取得节制闸过闸流量方程：

式中，Q为过闸流量，σ为淹没系数，m为流量系数，e为闸孔开度，b为闸孔宽度，ε为侧收缩系数，g为重力加速度，h为闸门上下游水位差；

利用恒定流方程计算输水调度目标状态，将非恒定流方程和节制闸过闸流量方程进行联合求解，实现对输水调度状态动态过程的模拟仿真。

4.根据权利要求1所述长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统，其特征在于：所述输水调度状态判读和输水调度状态预警包括如下步骤：

1)通过数据服务接口，从闸站监控系统获取实时的水位监测数据、流量监测数据、开度监测数据和闸门运行工况；

2)结合历史监测数据，以输水调度安全运行规则库作为约束条件和判断依据，取得当前输水调度状态判读，确认当前输水调度状态；

3)将历史监测数据和实时监测数据输入水力学模拟模型，进行输水调度动态过程模拟，取得输水调度状态变化趋势，进一步取得时间Δt后输水调度状态判读；

4)通过步骤3)取得的Δt后输水调度状态判读对步骤2)取得的当前输水调度状态进行状态修正，取得修正后的输水调度状态，并进行输水调度状态等级划分，即可进行输水调度状态预警。

5.根据权利要求1所述长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统，其特征在于：所述GIS平台及空间数据管理引擎还可以输出输水调度动态过程模拟、水量调度方案执行情况评估和输水调度状态信息展示，并提供输水调度状态信息查询和输水调度状态信息输出与共享，所述输水调度动态过程模拟通过所述水力学模拟模型取得，所述水量调度方案执行情况评估为根据历史监测数据，对各分水口、重要控制断面的流量进行统计，分析评估水量调度方案执行情况，并根据分析评估结果生成水量调度建议，所述输水调度状态信息展示为对输水调度状态进行分级，制作输水调度状态专题图在GIS场景中可视化展示，所述输水调度状态信息查询为基于GIS地图的交互信息查询，所述输水调度状态信息输出与共享为通过数据服务接口，将输水调度状态信息写入水量调度综合管理数据库，供第三方使用，包括监测数据、闸门运行工况、输水调度运行状态、水量调度执行情况，实现输水调度状态信息共享。

6.根据权利要求5所述长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统，其特征在于：所述水量调度方案执行情况评估根据历史监测数据和实时监测数据进行流量数据统计，通过水量调度方案和水量调度评估模型，取得水量调度方案执行情况评估，进而取得水量调度建议。

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