维普资讯 http://www.cqvip.com 人民珠江ＰＥＡＲＬ ＲＩＶＥＲ・２００６年第２期 水资源实时监控系统 关键技术引进与开发研究 孙加龙，王现方，王琳，陈阳宇，刘德峰 （珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东广州５１０６１１） 摘要：通过引进、消化、吸收国外先进的水资源计算管理软件和ＧＩＳ ＭＦＣ函数库，成功开发出具有自主知识产权 的水资源实时监控管理的基础平台ＷａｔｅｒＷＭ。该平台以实时水文水质监测数据为输入，将水文产汇流模型、水量 水质动态模拟模型与ＧＩＳ系统无缝结合，可以快速完成水量水质模拟分析计算等，具有创新性。对引进的软件系 统进行了实例验证，自主开发的Ｗａｔｅｒ ＷＭ系统在防汛、水资源调度、水环境研究等方面得到了初步应用。 关键词：水资源；Ｃｏｒｎ组件；ＧＩＳ 中图分类号：ＴＶ２１３，４；ＴＰ３９１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—９２３５（２Ｏｏ６）０２—００２０—０２ ｌ技术引进情况 到珠江流域水资源模拟配置工作上，在东江流域水资源优化 水资源实时监控与管理系统的建设需要一系列先进的 配置中的试点研究中取得了满意成果；目前，接受江门市委 技术手段提供支持，其中远程遥测自动控制技术、数学模型 托，运用ＭＩＥＫ ＢＡＳＩＮ进行江门市水资源综合规划工作；受海 技术、ＧＩＳ和遥感技术、数据库技术是水资源实时监控管理的 南省防办委托开发《海南省南渡江、万泉河流域中下游防汛 关键技术。为满足我国建立水资源实时监控管理系统的技 决策支持系统》，在对ＭＩＫＥ １１进行解剖研究后，成功将ＭＩＫＥ 术要求，在了解比较国内外技术现状的前提下，我们提出《水 １１中产汇流计算模块和洪水演变计算模块用于该系统洪水 资源实时监控系统关键技术引进》这一项目选题。但仅仅完 预报模块的开发，所开发的系统于２００３年３月经水利部国际 成技术引进是远远不够的，我们为本项目执行设定了更高的 合作与科技司组织专家鉴定为国际先进水平；利用引进的技 目标：消化吸收国外先进的水资源管理技术，解决水资源实 术上具进行技术咨询服务，如《江门市水资源配置研究》、《深 时监控管理的关键技术问题，研究开发出拥有自主知识产权 圳市供水布局规划》、《东江东莞梯级开发工程水环境影响研 的水资源管理核心技术平台，为全国水资源实时监控管理系 究》．． 统提供技术支持。我们引进的技术主要为丹麦ＤＨＩ水资源 ３自主开发情况 数学模型模拟技术和加拿大地理信息系统技术。 水资源实时监控管理系统核心分析处理平台以引进软 这次技术引进主要是丹麦水利研究所（ＤＨＩ Ｗａｔｅｒ＆Ｅｎ． 件ＭＩＥＫ １１为蓝本，借鉴荷兰Ｄｅｌｆｔ和英国Ｗａｌｌｉｎｇｆｏｒｄ公司相 ｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）系列软件和加拿大地理信息系统开发函数库，引进 关技术结构，对引进的软件进行解剖分析，运用当今最新的 的系列软件如下。 软件开发技术，如组件技术，开发类似的软件平台，这次的开 ａ）ＭＩＫＥ １１一维水流计算程序包； 发目标是开发类似ＭＩＫＥ １１的一维水流计算平台Ｗａｔｅｒ ＷＭ， ｂ）ＭＩＫＥ ＳＨＥ地表水、地下水联合计算程序包； 采用当前最新的计算机软件系统集成技术，开发出多个水资 ｃ）ＭＩＥＫ ＢＡＳＩＮ流域水资源规划和管理程序包； 源相关数学模型（水文产汇流模型、水量动态模拟模型、水质 ｄ）ＭＩＥＫ ＭＯＵＳＥ城市下水道计算程序包； 对流扩散模型等），并且采用引进的地理信息系统函数库，开 ｅ）ＧＩＳ ＭＦＣ函数库一地理信息系统开发函数库。 发可与水利专业数学模型无缝连接的ＧＩＳ系统．．系统平台 ２技术应用推广情况 以实测水资源监控数据为输人，以水资源专业模型为分析计 科研院本着“引进、消化、吸收、提高”的原则。组建了管 算内核。以ＧＩＳ为可视化支持，可以快速完成对水资源各种 理队伍，从经费落实和技术上，进行了严格的管理，组织了较 情势进行实时仿真分析。Ｗａｔｅｒ ＷＭ软件将水文产汇流模 强的技术力量，学习消化引进的软件成果，使这些引用软件 型、水量水质动态模拟模型与ＧＩＳ很好结合，以实时水文水 在实际中得到较好的应用。如成功将ＭＩＫＥ ＢＡＳＩＮ软件应用 质监测数据为输入，可以快速完成各种一维水量水质模拟分 收稿日期：２００５．０６．１０；修回时间：２００５—１２ ２７ 作者简介：孙加龙，男，辽宁人．主要从事水利水电高新软件研究上作。 ２０ 维普资讯 http://www.cqvip.com 析计算，计算结果以ＧＩＳ为支持，得到了很好的可视化表达。 系统分前处理、数学模型模拟、后处理３个部分，６个任务块， 由任务管理器统一管理。前处理包括设置、水文资料、方案３ 个仟务块，通过Ｗｉｎｄｏｗｓ用户界面选择模型参数，软件自带 嵌入式ＧＩＳ河网编辑器。数学模型模拟即计算任务块，调用 河网非恒定水量水质模型计算ＣＯＭ组件、新安江三水源模 型计算ＣＯＭ组件。后处理包括：地图显示结果、表格显示结 象，并给出网络埘象的属性数据．．“ＧＩＳ网络概化”模块是前 处理中最复杂的功能模块 ４．１．３水文气象数据 “水文气象数据”模块定义模型所需的水文气象资料，如 新安江模型所需的降雨、蒸发资料，河网水最或水质模型所 需的水位、流馈、污染源等边界条件；并提供具体数据，包据 时间序列文件和图表等，要求能够在ＧＩＳ网络概化罔Ｌ建立 和查询。 果２个任务块，便于计算成果的查看。根据所选模型，可计 算和查看水佗、流量、流速、生化需氧量、氨氮、溶解氧、化学 需氧量等。能完成建模、检查计算、成果（动态）演示、存储打 印等功能。该平台以实时监控系统实测数据为输入，町以进 行水量水质实时模拟和预测；有较好的前处理和后处理模 块，水资源模型计算结果与ＧＩＳ系统无缝集成。 ４具体功能设计思路 从ＧＩＳ图层（组件和集成系统的ＧＩＳ开发附件）读出空间 数据与属性数据信息，ＣＯＭ计算组件从指定的文件读出计算 信息进行计算，然后在ＧＩＳ上以多种媒体的形式显示计算结果， 可分为以下几个过程： ａ）整个系统前处理， ｂ）数学模型的相关研究处理， ｃ）ＧＩＳ河网编辑研究处理。 ４．１前处理功能 熟悉ＭＩＫＥ １１整体的功能，研究ｒ其制作的方法。按照 软件工程的整体，完成软件系统开发工作中的“新建项目”、 “删除项目”、“打开项目”的对话框及文件Ｉ／Ｏ的工作。完成 水文资料对话框及降雨量、蒸发、流量、水位、水质对话框的 初始化工作，实现属性表的相关初始化工作，然后可以直接 链人计算模块进行计算工作，为软件系统的开发做好了铺 垫。完成系统的第一层界面的开发工作，接着可进行第二层 界面的开发工作。输入及前处理界面的实现，整体界面及相 关初始界面，在指定目录下面存储为指定的文件格式。作为 模型初始化的必要参数，在下次“打开该项目”时，能够在当 前的界面返同指定的初始值。前处理包括设置、ＧＩＳ网络概 化、水文气象数据资料等功能模块。 ４．１．１设置 “设置”任务模块定义Ｗａｔｅｒ ＷＭ工程巾使用的模型组 件，包括：新安江模型、河网非恒定流模型、河网水质对流扩 散模型；以及相应计算参数设置，如：河网非恒定流模型的时 问设置（步长、时期）、模拟设置（恒定流、非恒定流、产生水质 模型所需资料）、初始条件（初始水位、流量，统一的或局部 的）、输出选择（节点、河段、水工建筑物的输出内容）、数字参 数等。使用Ｖｉｓｕａｌ Ｆｏｒｔｒａｎ编写ＣＯＭ组件，注册后，在Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ．ＮＥ３’２００３里而直接调用ＣＯＭ组件，ＣＯＭ组件所 需要的计算数据可以从ＧＩＳ图层存储的数据文件获得。 ４．１．２ ＧＩＳ网络概化 “ＧＩＳ网络概化”模块借助“网络编辑器”在ＧＩＳ图层上建 立系统概化，如添加河段、节点、断面、水＿丁建筑物等网络对 ４．２数学模刊模拟功能 前处理各任务模块都完成后，允许进入数学模型模拟汁 算。数学模型模拟包括新安江模 ＣＯＭ组件、河网非 定 流模型ＣＯＭ组件、水质对流扩散模型ＣＯＭ组件 个功能模 块。 ４．２．１新安江模型ＣＯＭ组件 为赵人俊教授所首创的概念性流域降雨径流模型，单尢 产流采用蓄满产流，地面径流的汇流采Ｊｒ『】经验单ｆ 线，壤中 流和地下径流的汇流采用线忡水库 开发新安江模型ＣＯＭ 组件程序。调用新安江模 ＣＯＭ细件程序完成流域单元产 流汇流的计算。 ４．２．２河网非恒定流模型ＣＯＭ绀件 根据一维河网非恒定流模型，基夺方程为圣维南方程组 （连续方程和动力方程），差分方程采用四点矩形加权隐式差 分格式。受水丁建筑物影响河段为特殊河段 开发河网非 恒定流模型ＣＯＭ组件程序 调Ｊ｝｝ｊ河网非 恒定流模型ＣＯＭ组 件程序完成河流网络水量的计算 ４．２．３水质对流扩散模 ＣＯＭ组件 基本方程为对流扩散方程，对柠制体积进行积分后得到 离散代数方程。水质计算在水量计算的基础上完成。开发 水质对流扩散模型ＣＯＭ组件程序。调用水质对流扩散模型 ＣＯＭ组件程序完成河流网络水质的计算． ．４．３后处理功能 后处理包括ＧＩＳ成果图、成果表等成果 示功能模块。 把ＣＯＭ组件汁算的结果显示为多种媒怵的形式，包括动向 等多媒体形式，如图１所示，给用户以直接的显示形式。 “成果表”模块给用户提供关于网络概化和添加存网络 概化上的数据的有益信息。 ５计算结果比较 为了测试Ｗａｔｅｒ ＷＭ软件计算的准确性，我们利用Ｍｉｋｅ ｌ１与Ｗａｔｅｒ ＷＭ软件对南宁站（图２）的水位流量和东江水质 水量进行了计算，如图３、４所尔。 图３、４的计算结果显示，自主研发的甲 Ｗａｔｅｒ ＷＭ的 计算性能及准确性已经达到 外甲 Ｍｉｋｅ １１的水甲，本项 目足在引进吸收消化国外先进的水资源实时监控管理关键 技术的基础上，充分利用最新的高技术，整合围内分散孤 的单项水资源管理技术，丌发出的具有自主知识产权的水资 源实时监控管理核心技术平台 （下转第３２页） ２１ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 除顶枢拉杆，仅将门叶顶升少许即可，从而大大减小了工作 钢材质，便于拆卸，螺栓拆除后，底枢蘑菇头连同上盖、轴瓦 页 量，但其缺点是操作空间太小。 整体出槽。⑥底枢处二期混凝土顶面应比底枢下盘低，以利 ＋ ＋ 红花船闸下闸首人字门单扇门叶重１８６ ｔ，且尺寸巨大， 底枢从此间拉出。 ＋ 高位顶门方案不现实，设计之初就定位于低位顶门方案。为 ５结语 ＋ 适应此要求，闸门设计在局部部位采取了相应措施：①在两 人字门不同于平板门，其强度和刚度一般较容易满足，＋ ＋ 侧闸墙上埋设若干锚环，作为检修时的拉绳锚锭。②检修时 出现问题多数在顶枢、底枢、支垫、＋ 枕垫、止水、润滑与密封等 将门叶旋转至与闸墙夹角１ｏ。，此位置闸底板埋设有两排检 关键部位，制造、安装要求高，有的问题出现是隐蔽性的，原 ＋ ＋ 修安装座，用于放置千斤顶。③在顶枢轴套和门叶耳板问 因难查，处理起来又很麻烦，因此有必要对这些部位进行周 ＋ 上、下各留有２０ ｍ／ｎ间隙，其间各设１块ｌ８ ｍ／ｎ厚的隔环。 密细致的设计。同时运行过程中应密切观察，发现问题应及 ＋ ＋ 底枢蘑菇头与下盘问垫有８０ ｍｉｌｌ厚的钢垫板，顶门前先松开 时解决，并作定期检查维修。红花水电站闸门于２００４年ｌ１＋ 底枢上盖与底主梁问的连接螺栓，门叶稍顶起后垫板上压力 月安装完毕并投入运行，运行初期出现轻微振动，后经调整 ＋ 消除，垫板即可抽出，底枢蘑菇头连同轴瓦、上盖一起下落量 门叶背拉杆和液压启闭机密封圈，振动消除，目前运行情况 ．卜 可达１００ ｒｎｎａ。④底枢下盘开口方向和开口尺寸也是底枢能 良好。 ．卜 否顺利出槽的关键。下盘开口方向主要是考虑到底止水埋 ．｝ ．｝ 件不能影响底枢出槽，并保证蘑菇头与下盘充分接触，经计 参考文献： ＋ 算分析，其开口方向与闸墙夹角取４０￣，开口按５。扩口。⑤门 ［１］水利水电工程钢闸门设计规范（Ｓ＋ Ｌ７４—９５）［Ｓ］．北京：中国水利水 叶上的底止水座板下缘比底枢上盖低，高位顶门时每次拉出 电出版社，１９９５．１０． 底枢时都要将碍事的底止水座板割除。由于该段止水压板 ［２］水电站机电设计手册（金属结构）［Ｍ］北京：水利电力出版社，＋ 为弧面，还原及定位有一定难度，且经多次割焊后焊口质量 １９８８．５． 难以保证，座板不能反复利用。本次设计将影响底枢出槽部 ［３］李家熹．船闸管理与维修实践［Ｍ］．北京：中国三峡出版社，１９９６． ７． ＋ 分的底止水座板改为活动式，与底主梁腹板间用螺栓联接， ＋ 并设有抗剪板。底枢、底止水和门叶连接所用螺栓均为不锈 ＋ （责任编辑：李洁莉） ＋ ＋ ＋ 十 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 图２南宁站河网概化示意图 图１时间流量曲线图 匝 甄 Ｅ 趟 三 五团 ｚｌ ｚ Ｉｊ Ｉ 。５ 。 Ｏ， ｌ ｌ５ 图３支流水位过程线 图４南宁站流量比较 （责任编辑：王艺） ３２