镇江市“智慧水利”信息化模型设计与研究

2021-03-30张小岳

水利技术监督 2021年3期

苏晨，孙晨，张炜，张小岳，喻石

(1.河海大学设计研究院有限公司，江苏南京 210098；2.南京瑞迪建设科技有限公司，江苏南京 210098；3.宝应县水务局，江苏宝应 225800)

所谓“智慧水利”，就是利用物联网、云计算、VR、大数据等先进技术，提升感知能力、提升水资源的利用效率和水旱灾害的防御能力[1]。“智慧水利”是水利信息化建设的载体，通过加快水利信息化的发展，有助于推动我国水利事业由工程型水利向管理型水利迈进、由传统水利向现代化水利转变，意义重大[2]。目前，国内外学者对“智慧水利”、水利信息化方面的研究涉及较广，在城市智慧水利方面，赵伟[3]提出以数据大感知、传输大网络、资源大数据等为核心构建智慧城市水务的总体架构，刘征涛[4]以智慧城市建设为背景，研究由立体感知、智慧应用、自动控制、主动服务和支撑保障五大体系构建的智慧水务体系；在灌区信息化方面，刘广东[5]、刘建军[6]等以灌区水文监测、灌溉自动化为基础，进行了现代化灌区信息化建设的研究；还有其他一些涉及智慧水利发展和流域、农田水利信息化的研究，包括探讨如何在新时代水利发展中发挥智慧水利的作用、大数据背景下智慧水利的应用、新疆塔里木河流域信息化规划设计研究、农田水利信息管理技术及应用[7- 10]等。以上大多数是对“智慧水利”、水利信息化建设总体框架的研究，对水利信息化建设中具体模型的研究相对较少。本文以镇江市“智慧水利”建设为例，对其防洪调度、水环境调度及应急调度三大水利信息化模型进行研究。

1 镇江市“智慧水利”建设现状

镇江市位于长江下游南岸，地处长江三角洲地区的西端，全市总面积3840km2。境内河流密布，受地域位置和气候特征影响，水旱灾害较多。近年来，随着社会经济的发展，镇江市逐渐注重“智慧水利”的建设，在水情自动测报、工程监控、防汛抗旱、水资源管理、电子政务、水利信息网络、水利数据库等方面取了一定成效，但总体上还处于“智慧水利”的起步阶段，尤其是防洪调度支持、水环境调度支持及应急调度支持等水利信息化模型尚未完全建设，难以满足城市现代化对“智慧水利”的要求。本文根据镇江市“智慧水利”建设现状，结合镇江市城市发展、水文特性、管理体制等因素，对镇江市“智慧水利”中的水利信息化模型进行分析研究，包括防洪调度支持模型、水环境调度支持模型及应急调度支持模型。

2 防洪调度支持模型设计

2.1 河网水文水动力建模与率定

城市暴雨内涝模型是海绵城市及智慧水务建设的重要技术保障，其核心科学基础是城市水文、水动力学机制及其耦合模拟[11]。镇江市建立重点区域防洪除涝预测预报分析模型产汇流关系，根据降雨预报和实测降雨及河道水位，建立河网水文水动力耦合预报模型，预报河道水位与流量。同时基于镇江市与流域、区域水系关系，综合计算分析洪水对流域区域的影响，为长江防洪、周边区域防洪提供数据支撑，提升洪水预报精细化水平、预报调度一体化和工程联合调度能力。水动力系统主要建设以下模块。

2.1.1下垫面资料处理模块

基于下垫面资料，利用GIS 技术编辑、整理、提取水面、建设用地等下垫面的空间分布及属性，利用水利部门的实测河道断面大数据进行断面概化。借助系统强大的可视化技术实现下垫面资料的处理、入库，并保证图形信息和属性信息的一致性，实现矢量信息与属性信息的联合管理。

2.1.2水文资料管理模块

根据模型参数率定的需要，将水利部门采集的镇江市水位、流量、降雨、蒸发、沿江引排等水文资料整理并入库，开发水文站网管理和水文序列管理功能。水文站网管理包括对水文站、雨量站、水位站、蒸发站、流量站等常规站网的管理，其中包括站点的增加、删除等功能，可以方便地设置水文站点在地图上的显示符号和显示状态。

一般将水文数据放置于水文数据库当中，可以建立水文序列，从数据库中取不同时段的水文数据，并可将取得的水文数据与响应的站点相匹配，使每个站点获得与之对应时间段的水文数据序列。开发水文数据整编报表子系统，并提供水文报表设计器。根据现行的水文数据建库标准建立镇江市水文历史数据库。对水文数据进行整编，逐日逐时统计，通过图表或报表的方式进行展示。

2.1.3水文产流模拟模块

针对镇江市所处长江流域的地理特征和城市化特征，镇江市水文产汇流模型需要建立分布式水文模型。即将区域下垫面划分为水面、水田、旱地、建设用地等各种下垫面形态，根据区域蒸发资料整理出水域的蒸发规律，建立水面产流模型；根据水稻生长灌溉制度，建立水田产流模型；根据降雨后旱地的雨量再分配过程，建立反映雨量再分配的产流模型；根据城市建设用地的蒸发规律，建立城市产流模型。根据数字流域理论，利用GIS管理各种下垫面的空间拓扑关系，建立全数字化具有空间拓扑关系的分布式区域产流模型。镇江市水田占比较大，地下水位较高，土壤含水量易于得到补充，农田产流模型采用3层蒸发的蓄满产流模型。城市产流模型如图1所示。

2.1.4汇流及河网汇流模拟模块

根据镇江市河道、泵闸等将区域划分成多个河网多边形，根据各区地形、排水管网分布等研究地表产流汇集到周围河槽的水量分配方式以及汇流时间，研究人类活动对几种下垫面形态的汇流规律的影响，如城市化的扩大对镇江市河道洪水的汇流量及洪峰时间的影响等，考虑城市建设用地与旱地汇流过程的耦合衔接。建立基于GIS的可视化模型系统，实现河道、水库之间的连接关系，构建河网水库水动力耦合模型。

2.1.5水利工程过水模拟模块

水闸、泵站等水利工程是防汛调度中最重要的控制工具，采取以下建模流程：收集整理区内各水闸、泵站地理信息位置以及过水、引排能力等水力学参数；将水工建筑物与不同地区的水流“联系”起来，采用水动力学的方法进行数字模拟，建立闸泵的过水模拟模型，并与实际闸泵过水资料进行比对分析，提高模型的精度。建立闸泵与水文模型、河网水动力模型的耦合关系。利用GIS可视化平台实现闸泵属性的可视化编辑管理，建立闸泵与河网等水体的空间拓扑关系等。

2.1.6系统模型集成

分布式水文模型与网络GIS 技术集成具有良好的应用效果，能够拓展分布式水文模型的应用范围[12]。根据镇江市河网水文水动力模型建模需要，建模系统将集成以下功能：基于GlS 系统建立分布式模型；下垫面数据可视化编辑处理；以可视化方式进行闸泵等水工建筑物建模；与现有监测监控系统对接，支持多种数据库的水文数据管理；自动提取现有监测闸泵等建筑物的工况；以可视化方式构建水文、水动力模型；以可视化实现水文、水动力学模型的耦合关联；根据降雨及潮位预报，预报区内河网的水情变化特征；计算河道内任意时刻、任意断面的水文过程输出；数字模拟计算过程中同步展示水位、流量；计算成果报表管理与输出；以方案的形式管理各种预设条件，在模型计算过程中可以修改方案配置参数，满足参数动态调整的需求；方案之间的对比分析。

图1 城市产流模型框图

2.2 防洪预报模型

水文预报技术主要是对城市地区的汛期洪水进行科学预测与预报；对城市周围可能发生的山洪、泥石流进行昼夜不息的数据监测[13]。镇江市防洪预报模型在实测水雨情和河道水文模型的基础上，根据未来降雨历时及空间分布、未来长江潮位状态、未来边界交互流量，预报镇江主要河道水位和流量。

(1)水文预报。根据镇江及周边区域暴雨预测和实测降水量，分析计算镇江与周边区域产流总量、分区径流量；分析预报镇江与周边区域联通水系水量进出过程，为河网水动力模拟计算提供模型边界的参考条件；预报镇江各河道分区径流量。

(2)河网外边界入流处理。镇江河网产汇流外边界不闭合，河网水动力模型需要外边界入流条件。根据主要过水通道近年进出水量资料，基于防汛调度历史资料，进行人机交互式综合计算与分析，处理河网外边界入流。

(3)河道水情预报。根据镇江及周边区域水文产汇流预报结果，在确立镇江河网入流边界的基础上，预报镇江主要河道及河网节点的水位、流量和流向过程。

(4)预报交互界面。提供界面设置未来的降雨、潮位状态等，在实时预报过程中可以报出流域内指定时间、指定地点的水情。提供专门的模块处理镇江地区外围的河网边界，作为镇江地区未来的预报边界条件。

(5)预报成果输出。预报成果包括水位预报站点的水位过程。

3 水环境调度支持模型

3.1 河网水质建模

(1)污染负荷模拟模块。城市水体污染主要分为点源污染和非点源污染[14]，点源污染主要包括工业污染源和城镇生活污染源。非点源污染一般是指由降雨引起的各种污染物从土壤圈向水圈的扩散。主要包括农田、城市和城镇降雨径流污染、农村生活污染、畜禽养殖和水产养殖污染等。非点源污染负荷的定量化研究是镇江污染治理的重要基础性工作，本次针对非点源污染负荷时空分布不均匀的特点，将非点源污染分为城市和城镇降雨径流污染、畜禽养殖污染、农田降雨径流污染、农村生活污染和水产养殖污染等5种类型，分别计算其流失过程。污染负荷模拟从结构上分为产生模块和处理模块两大部分，产生模块用于计算各种污染源的产生量；处理模块计算污染物经过各个处理单元后的污染负荷入河量。

(2)河网水质模型模块。河网模型系统中的水质模型包括调蓄节点水质模型和河网水质模型。调节节点水质模型主要模拟区域内河道、水库水质变化规律，河网水质模型用于研究河网污染物的运移转化规律。水质模型与水量模型耦合联算，采用控制体积法进行数值离散。

3.2 河道水质预报系统

在水质预报模型中，不确定性的来源主要有：输入不确定性、求解不确定性、模型结构不确定性、模型参数不确定性等[15]。在实测水质和河网水质模型的基础上，根据未来降雨历时及空间分布、未来河口潮汐状态，预报镇江主要河道水质指标。镇江河网产汇流边界不闭合，河网水质模型需要外边界入流条件，主要是根据现有实时水质资料，进行人机交互式综合计算与分析处理。根据镇江及周边区域水文产汇流预报结果，在确立镇江河网入流边界的基础上，预报镇江主要河道及河网断面的水质指标。主要预报指标有：BOD、COD、TP、TN、NH3-N、DO 等参数。

3.3 河道水质预警与调度系统

在预报系统基础上，根据实时的水质和调度需求，对水利工程调度进行调整，实现预定的调度目标，为水环境调度提供决策支持。

(1)调度方案模块。建立记录防汛调度方案库，保存所有已计算完成的水质调度方案。人工调整有关参数后调用预报系统，根据有关闸站、河网等工程的调度运用情况，对水质指标进行数字模拟，并将有关结果以专题地图、统计报表、统计图、文字等形式显示出来，以列表形式提供防洪工程调度运用方式，以图表和动画形式提供调度运用情况和效果。系统可以保存每次计算的参数和结果数据，以供随时查看及对比分析等。

(2)河道水质信息管理及预警系统。根据镇江实时水质信息，集成镇江及相关区域的水质指标和闸泵运行的监测信息，利用可视化技术建立实时水质信息可视化系统，综合展示河道、堤防及相关区域的水质时空分布。系统对各类人机交互操作、信息查询、图形操作等快速实时响应；信息查询、操作、输入界面用图形、文字和数据3种方式在计算机上展现。

4 应急调度支持模型

4.1 来水组成模型

构建镇江河网来水组成模型，掌握不同来源的水(如：降雨排污、河网初始水、边界来水)到什么地方去，本地的水由哪些水源组成，就像设置DNA 信息一样，将河网内部水进行标识。通过来水组成模拟系统，可以模拟不同来源的水，并在空间上进行展现。

4.1.1模型原理

对不同的水源赋以不同的保守物质名称，然后用保守物质的全流域水质模型，计算各河段的保守物质浓度随时间的变化过程，就可以得到各河段水体的组成情况。将全河网的调蓄节点、河道及陆域面上的初始蓄水量定义为第一类保守物质，降雨径流定义为第二类保守物质，废水排放定义为第三类保守物质。因此一、二、三类保守物质是本模型中明确定义的，用户不能随意更改，从第四类保守物质开始，用户可以根据需要任意定义为某种水源。

4.1.2模型方程

描述保守物质的基本方程式为对流方程式：

(1)

式中，A—过水断面，m2；Q—流量，m3/s；C—物质浓度，无量纲；t—时间，s；x—空间，m。

4.1.3来水组成分类设置

为使开发的来水组成程序尽可能满足应用中所遇到的各种问题，特别是解决模型开发中边界条件的赋值和定义的方便性、广泛性。模型开发的来水组成分为3类：边界来水、区域初始来水、分区降雨及排水。通过这3类来水设置，可以表现区域内任意不同来水的运移变化情况。

4.1.4来水组成输出结果

来水组成分析是以水质模拟计算为基础的，但计算结果不同于水质模拟，来水组成计算有理论解，如果考虑了所有水源，那么任何一个河段或断面，各种来水组成比例总和应等于1.0 或100%。

4.2 突发污染事件模型

水环境污染事件有其独特性，破坏行为具有隐蔽性，危害结果具有渐进性，影响范围具有广泛性[16]。突发污染事件模拟系统通过研究污染物在河渠中迁移转化规律，依据所观测的污染物浓度过程推测污染物排放位置、排放时间以及排放强度。通过对污染物逆向位置概率密度与正向浓度之间关系进行回归分析，构建一个以污染物排放位置、排放时间和排放强度为参数的优化模型。

水污染事件发生后，第一时间启动应急监测方案，对污染事件进行诊断。在确定污染物超标河段后，根据监测浓度和初步诊断结果，对水污染进行快速追踪溯源，并依据溯源结果进行现场确认。然后运用水污染事故预测模型预估污染可能波及的河段和控制断面处污染浓度变化过程，对整个污染事件进行重构。最后根据水污染应急处置目标拟定多组河道、水库调度方案并进行模拟计算，对不同方案的处置效果进行对比分析。另外，在水污染应急处置中，启动水量调度时一般会配合以工程方法，如拦截吸附、混凝沉降等，拟定应急调度方案时应予以考虑。分别将所构建的计算模型运用于突发水污染应急处置各个环节，构建一套完整的河道、水库应急调度技术体系，并确立基于河道、水库调度的突发水污染应急处置流程。由于应急调度需实时决策，因此流程中存在动态调整与反馈修正的闭环过程，即根据控制断面处计算的浓度过程不断调整应急调水方案，直到断面处浓度达标。突发污染事故模型流程如图2所示。