基于GIS的大型人工输水渠道供水调度管理系统

摘要:大型长距离人工输水渠道供水调度是一个非常复杂的问题。提出基于地理信息系统技术,采用线性参考系统和动态分段技术建立大型人工输水渠道空间数据库,同时与工程水量分配模型、输水调度模型、工程报警模型相结合,在GIS可视化环境中建立供水调度管理系统,实现工程供水调度管理,并以南水北调中线工程京石段临时供水调度为例进行了应用。

关键词:GIS;大型人工输水渠道;供水调度;线性参考系统;动态分段

中图分类号:TV213.4;TP391文献标识码:A文章编号:1672-1683(2010)01-0005-03

A Large-scale Scheduling Management System for Artificial Channels of Water Supply Based on GIS

HUANG Shao-hua, HUANG Hui-yong, WU Ze-yu, Wan Jun-jie

(Yangzi River Survey Institute, Planning, Designing and Research, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China)

Abstract: The water supply scheduling in the large scale and long distance artificial water channel is a very complex issue. Based on GIS technology, the system uses the linear reference system and dynamic segmentation technology to build the spatial database of the large-scale artificial water channels, combining the water allocation model, water scheduling model, warning models under the GIS visualization environment, to realize the scheduling management of water supply project. At last, it applied in Shijiazhuang to Beijing section of the Middle Route of the South-to-North Water Transfer Project as an example.

Key words: Geographic Information System; large scale artificial channel; water scheduling; linear reference system; dynamic segmentation

0 引言

大型长距离人工输水明渠为了实现对输水渠道水位和流量的控制,在渠道中设置了足够数量的节制闸,两个节制闸间的渠道称为渠池[1],如图1所示,每个渠池类似于一个小水库,长距离输水渠道由这些小水库串联而成,通过控制这些小水库来控制整个渠道水流和沿途各个分水口的供水流量。同时,在渠道沿途布设了各类工程监控设备,如水位、流量、水质、安全监测设备等[2]。

采用水动力学方法进行渠道供水调度计算,需要根据渠道中的水流状态类型,将渠道分段,每小段采用相应的水动力学计算公式[3]。然而由于渠道的运行与维修,渠道的几何和物理参数会发生改变,如渠道的横断面形状和尺寸的改变、糙率的变化、沿途分水口和节制闸的增减、水工交叉建筑物的增减或改变等,都需要对渠道的分段进行动态改变[4]。地理信息系统(Geographical Information System,GIS)的主要工作领域是地理空间数据的处理,人工渠道具有典型的线性地理特征,适合应用GIS进行可视化、形象化的管理和表达[5]。传统的GIS中,渠道等线状特征通常采用节点—弧段模型管理,节点—弧段模型能很好的模拟具有静态特性的线性特征,但不适宜动态变化的线性特征[6]。针对上述人工渠道日常管理和供水调度数据管理的特殊性,本文采用GIS的线性参考和动态分段技术建立渠道空间数据库,可根据需要对渠道空间数据进行动态分段,实现了GIS可视化环境下的人工输水渠道日常管理与水量调度。

1 系统框架及主要功能

1.1 系统框架

系统采用GIS的线性参考系统和动态分段技术,建立渠道沿线各渠段、水工建筑物(如:倒虹吸、隧洞、渡槽、涵洞、暗渠、节制闸、退水闸、分水口等)的空间数据库,基于统一的数据库来管理渠道工程的基本资料数据、安全监测信息、闸门监控信息、水情水位信息、渠道养护情况信息等,在GIS可视化环境中,根据渠道实际运行维修养护情况以及水力学计算需要实现渠道空间数据的动态分段,结合人工渠道水量分配模型、供水调度水动力学模型、工程安全预警模型等,得到渠道沿线各分水口、节制闸、退水闸的调度指令,以及工程安全预警等工程调度决策信息,如图2所示。

1.2 系统主要功能

1.2.1 渠道空间数据库的显示、管理与维护

建立渠道空间数据库,并以电子地图方式显示。电子地图主要显示水源水库、连接工程、总干渠轴线、沿途各分水渠道、以及干渠上各水工建筑物(如节制闸、分水口、退水闸、涵桥、倒虹吸、渡槽等)及管道、箱涵、泵站的地理分布位置,用不同地图符号显示总干渠上不同类别的工程建筑物。提供电子地图图形操作功能,包括全景、放大、缩小、漫游、定位观察、鹰眼等基本地图操作,基于二维地图进行渠道基本属性、监测数据、供水计划、供水调度等信息的管理。同时,提供电子地图编辑功能,采用动态分段技术,根据渠道运行维修情况及水力学计算的需要,对渠道空间数据进行动态分段和编辑,保持渠道空间数据的时效性和一致性。

1.2.2 生成分水口供水计划

根据水源水库的供水量、各用水部门或地区的水权协商、各分水口需水量及过流能力,生成渠道沿途各分水口供水计划,供水计划包括年计划、月计划、旬计划和日计划等,供水计划数据直接指导渠道的供水调度。

1.2.3 供水调度决策

供水调度包括调度模拟、调度指令两部分。调度模拟是基于模拟的各类水力学边界条件,通过水力学计算模拟运行调度水力过渡过程,计算渠道内水位波动、流量变化、闸门开度情况,主要用于率定控制参数、分析工程运行的安全性;调度指令主要基于各类水力学边界条件和沿线各节制闸的实时监测数据生成闸门调度控制指令,生成的指令用于指导实际的现场闸门控制,包括渠道沿途各节制闸、退水闸、分水闸的调度指令。

1.2.4 工程安全预警

建立工程安全运行预警数据库和模型库,把工程运行实际监控信息与预警值进行比较,实现工程安全运行预警。预警项目主要包括:水位超限、实际运行与计划误差超限、水质超限、流量变化超限、安全运行问题等。在工程运行调度过程中,任何部位出现安全状况时,随时弹出警示标记或警示窗口。警示标记采用不同的图标显示在电子地图相应的地理目标上,警示窗口内容包括:出现状况地点、建筑物名称、状况类别与简单描述,及相应的处理措施等。

1.2.5 数据统计分析

系统以各种报表、曲线、专题地图等方式对渠道基本资料、供水计划、调度指令、实时监测等数据进行统计分析与显示。

2 系统关键技术

2.1 线性参考系统与动态分段技术

线性参考系统与动态分段技术是线性GIS的关键技术[7],有关人工渠道的非空间信息(或属性数据)在工程中是以里程桩号(或相对坐标)为参照系统,而不是采用传统的绝对坐标来采集和管理,因此渠道宜采用线性参考系统来建立其空间数据库[8]。本文重点介绍采用线性参考系统和动态分段技术来组织管理渠道空间数据及相应的属性数据。

线性参考系统包括线性参考方法、基础线性系统和线性分布事件[9]。所谓线性参考方法就是如何确定线性分布事件在线性系统中的位置。常用的线性参考方法有里程参考、分段参考、地址参考和观测点参考。基础线性系统包括连线和结点。线性分布事件则是沿线性系统分布的设施或事件,例如渠道线性系统中包括水工建筑物、监测设备、桥梁、事故等。线性参考系统的一个特点是:只有一个基础线性几何特征,线性分布事件仅表达为属性,但这些属性可以通过线性动态技术在GIS中显示其空间位置。使用线性参考系统的优点:①采用线性参考系统使得GIS能够采用一个统一界面融合各类不同的信息数据;②减轻了空间数据输入的工作量。线性参考系统的最大优点是线性系统中的空间事物或事件不需要用几何形式存储在数据库中,而是以属性形式存在,也就是说,不需要用地图数字化的方式将所有空间信息(如桥梁、水工建筑物、节制闸、分水口等)输入数据库,而只需输入线性参考方法所需的数据项(如距离或者地址等),然后采用动态分段技术来显示这些事物或者事件的空间位置,这样减少了大量的地图数字化工作。

动态分段是对现实世界中的线性特征及其相关属性进行抽象描述的数据模型和计算手段,其实质上是建立在弧段—结点数据结构上的一种抽象方法,根据不同的属性按照某种度量标准对线性要素进行相对位置的划分[10],主要步骤如下。

①建立路线。根据地图数字化或实地采集得到的数据,建立渠道空间实体,这一空间实体从渠道的起点至终点都是完整的,中间不能有节点断开。

②建立点事件属性表。点事件属性表存储点事件,即空间上用点即可表示的事件,可以是发生的事件,如交通事故,也可以是桥梁、涵洞等设施。其属性表中需要添加如下字段:路线编码、事件桩号等。其中路线编码表示一段渠道的编码,事件桩号记录事件的空间位置。

③建立线事件属性表。线事件属性表存储线事件,即空间上需要用线表示的事件,如渠段糙率、渠段流量、渠段断面形状和尺寸等。其属性表中需要添加如下字段:路线编码、起点桩号、终点桩号等。

渠道空间数据库和事件属性数据库建立完成后,即可根据线性参考和动态分段的思想,实现渠道各种事件或属性信息的动态显示。实际上,就是基于线性度量原理,根据事件对应的里程桩号,动态的在渠道路线实体上显示点事件、线事件等[11]。

2.2 输水调度决策

在进行渠道实时输水调度计算时,计算的每一段都是由明渠、倒虹吸、涵洞、渡槽、暗渠、隧洞、桥梁以及渐变段中的一项或多项输水建筑物组成,由于水流流经各段时的沿程水头损失和局部水头损失各不相同,因此在编制水力学计算程序时,采用模块化思想来实现,在各建筑物结合处设置计算断面,以建立好的空间数据库为基础进行水力学模型计算[12],计算程序结构及流程如图3所示。

具体步骤如下。①读入初始边界条件,包括计算区间、断面形状、坡度、糙率等。②根据计算断面的水工建筑物或渠段类型选择计算子程序。③根据已知的下游断面水位和水流的判定条件确定本渠段的求根区间,用二分法求解离散后的水流连续方程得到上游断面水位。④统计本渠段的局部水头损失和沿程水头损失。⑤进行下一个渠段的计算,重复步骤②至④,直到最后一个渠段。⑥输出各断面的水力要素及其它计算结果。⑦结束计算程序。

3 实例

2008年8月北京市成功举办了奥运会,消耗了大量的后备用水。为了解决2008下半年北京的供水安全问题,弥补北京市当地水源的供水缺口,决定通过南水北调中线工程京石段(北京至石家庄),从河北省的岗南、黄壁庄、王快等3座水库应急调水3.0亿m³至北京[13],为配合本次输水,建立了南水北调中线工程京石段临时供水调度管理系统。

本系统采用Visual Basic 2005调用ArcGIS Engine9.2进行系统集成。图4为系统主界面,图5为供水调度模拟运算结果的水位变化曲线界面,图6为调度指令结果显示窗口。

4 结语

大型调水工程渠道由于线路长,涉及到的水工控制性建筑物、交叉建筑物较多,还有各种突发事件,因此其运行管理及实时供水调度是非常复杂的课题[14]。GIS技术以其高效的空间数据管理和分析能力,成为目前一种有效的信息管理和辅助决策工具[15]。本文以南水北调中线干线工程京石段临时供水调度管理系统为例,采用GIS的线性参考系统和动态分段技术建立渠道空间数据库,可根据工程供水调度的需要对渠道空间数据进行动态分段,在GIS二维地图可视化界面上实现工程运行调度过程中各类监测数据、运行调度信息的管理查询,同时与工程供水调度水动力学模型相结合,实现了大型调水工程供水调度的智能化和可视化管理。

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