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运筹帷幄黄河水

[日期:2007-04-04] 来源:中国水资讯网:清华新闻网  作者: [字体: ]
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——记清华国家科技进步奖获奖项目“流域水量调控模型及在黄河水量调度中的应用”

●新闻中心记者 周襄楠 

  由清华大学水利水电工程系负责开发的“黄河流域水量调控模型和管理系统”自2002年10月在黄河流域实施以来,为黄河水量调度提供了强有力的技术支撑,确保了黄河不断流。在黄河水利委员会和相关部门的共同努力下,自20世纪70年代以来频繁发生的黄河断流已经成为历史。

 这套系统掌控黄河干流5大骨干水库、60多个调度控制节点于一盘,实现了先进的水量调度技术与现代自动控制技术的完美结合,是国内首次开发出的大江大河全流域统一调度模型和管理系统。它开创了我国大江大河水量统一调度的先河,也探索出了一套在我国北方缺水河流实施流域水量统一调度的新模式。

 该项目成果于2007年2月获得2006年度国家科技进步二等奖。

王光谦教授率领的研究团队在讨论项目关键技术

  母亲河断流,山川告急

 黄河是中华民族的母亲河。现在,她哺育着1.4亿中华儿女,滋润着2.4亿亩耕地,还承载着50多座大中城市、晋陕蒙能源基地以及中原、胜利油田的供水大任。

 战国时期,黄河流经的关中平原曾有着“山林川谷美,天材之力多”的壮丽景观。然而,随着用水量的持续增长和生态环境的急剧恶化,这条曾经水源丰沛的河流水量不断衰减,自20世纪70年代以来出现了断流的情况。如从1972年到1999年的28年中,黄河下游利津站有22年发生断流,断流年份年均断流50天,平均断流长度竟达321公里。进入20世纪90年代,黄河断流更呈现出次数增多、首次断流时间提前、断流距离延长、断流历时增加等特点。由于主干河道断流,黄河的很多支流也开始出现衰竭现象。

 断流造成的后果是严重的:黄河多泥沙,水量减少直接导致泥沙淤积、河道不通,这使得夏季到来的洪水极易泛滥成灾;一方面水量减少,另一方面,生产、生活污水大量增加,致使黄河难以稀释入河污水,从而造成生态系统恶化;再有,黄河缺水直接导致沿岸的生态环境维持和耕地用水都难以得到保障。

 母亲河告急!为了保证黄河沿岸用水,1987年,国务院批准了《黄河可供水量分配方案》,在我国大江大河中首次对全河水资源进行宏观分配,一定程度上促进了计划用水和节约用水,为流域水量调控提供了基本依据。

 但是,这样的宏观水量调控缺乏科学理论的指导和可供操作的平台,断流和用水不合理的问题仍然有待解决。

安装在黄河水利委员会水量总调度中心的系统

  水利科学+过程控制技术=不断流的黄河

 2001年,黄河水利委员会提出建立“数字黄河工程”,整体规划委托清华大学完成。清华大学水利水电系王光谦教授牵头组织校内8个院系(所)的30多位教授参与了该工程的规划,并提出要建立科学的水量调度系统。2002年,水利水电工程系承接了研发“黄河流域水量调度管理系统”的重任。

 项目主要完成人、水利系副教授魏加华认为:将先进的水量调度模型系统与现代的自动控制技术完美结合,是实现黄河不断流和保证黄河流域各地区用水的关键。

 在“下游不断流,防凌减灾,丰增枯减”的原则下,整个系统提供了三套调度方法。

 第一套是经验调度,就是把黄河水利委员会水资源管理与调度局原有的调度经验程序化,并将其作为从经验调度到科学调度的过渡。

 第二套就是自适应的调度,这个层次的调度全程应用了过程控制的思想,是系统的主体。这套系统从对黄河前期来水进行年预报开始进行应用,综合年预报情况、水库蓄水情况、下游生态蓄水量以及各地区的用水申请,在时间和空间上对一年内的总体水量进行科学分配并做出分析,再根据分析结果进行适当调整。

  根据年预报的情况,每月、每旬还要对调度进行修正,整个调度细化到对黄河各个引水口水量的计算、对河道做水量的演算,以及测算重要河段的断面的水量是否能够满足最小生态预警流量的需求。

 该系统有一个预警措施,当某个河段的断面的流量小于一个预定量时,预警措施就会启动,自动减少或是关闭上游引水闸的出水量,以加大下泄流量,达到不断流的目的。

 在前两套调度方法的基础上,还开发了优化调度方法,即在不断流的前提下,从用水效益出发建立优化调度模型,其分析结果主要供水量调度决策者参考,以便积累经验,逐步提高调度精度。

 这样完善的调控和管理系统,在国内外还是第一次应用于实际。

 这套系统统筹了从黄河上游龙羊峡一直到黄河入海口3000多公里干流以及支流的水量调度,整个系统从2002年10月开始试用,2003年5月正式投入使用,2004年底进行了项目验收。从投入使用到现在,这套系统一直在科研人员的完善之中。

小浪底水利枢纽三维仿真

  人性化的调度平台使科研从桌上走向黄河边

 在电脑上打开这套系统,我们看到的是一个非常人性化的界面:随机点击任何一处水利设施,都会显现出它的三维仿真图像;输入任何一个数字的调令,这个调令给上下游水情带来的变化就会以数字的方式在三维场景上展现出来,使调度人员对调度效果心中有数。

 将传统的水利研究方法与最新的信息技术结合是它的另一大突破。

 建立模型并输入数据进行计算,有了结果就可以说是完成一项研究了,但是桌面上的研究成果要在大江大河中得以应用,这样是远远不够的。

 科研人员应用最新的三维仿真技术,在系统内开发了一套人性化、易操作的调度平台。有了流程化的后台体系和人性化操作平台的支持,从水量预报开始,就能够把调度结果计算出来,调度情况一目了然。将三维仿真系统和实时监控系统以及实时水文信息库提供的信息结合在一起,调度人员在调度大厅里就能身临其境般看到河道每个断面的流量、每个水库的蓄水量、下泄的流量以及各个引水口的流量。

 这一突破为其他后续项目提供了成功的经验。清华水利水电工程系从2003年开始研发的塔里木河水量调度系统就借鉴了这样的人性化调度平台,并成功予以应用。

 深入实地,协同作战

 一套水量调控管理系统何以能在实际中发挥如此大的威力?除了采用先进的科学技术外,研发团体从实验室走向黄河边,深入实地考察和调研,也是该项目取得成功的一个重要因素。  

  该项研究成果以国家“973”计划课题和国家创新研究群体基金为依托,从上个世纪90年代起就开始了相关的基础研究,前期研发投入巨大。自2002年将系统投入应用之后,研发人员一直在应用第一线跟踪系统的使用情况,用户一旦发生问题,都能得到及时的沟通和解决,前后共有20多名师生参与了整个调度系统的研发工作。

 曾经有一段时间,参与研发的师生长期驻扎在一线,一边做调查一边进行研究。据项目结题时的粗略统计,研发期间我校科研人员驻扎在现场的时间有650多天(人次),最多的时候有15人同时驻扎在一线。

 为了避免水文信息资料相对实际情况出现偏差,研发人员对整个下游的河道和水库也进行了摸底,这无疑保证了调度参考信息的准确性和效果;为了摸清实际的调度环节,一些参与研发的师生整日跟随调度人员,了解他们具体做什么、怎么做;在黄河水利委员会水资源管理与调度局所在地郑州,水利系师生干脆租下房子,供长期研究使用。

 “黄河流域水量调控模型和管理系统”自实施以来,不仅实现了“不断流”,而且使受断流影响遭到破坏的黄河下游200多平方公里河道湿地及生态系统得到初步修复,淡水湿地面积明显增大,植被生长旺盛,一些绝迹数十年或是从未在当地出现过的鸟类,也陆续在入海口地区出现,甚至“安家落户”。

 据黄河水利委员会初步测算,2000年~2004年,黄河水量统一调度产生的总经济效益达171.92亿元,年均34.38亿元。

 这套系统所蕴含的水量调控管理方法和思路,其价值不可估量。 (编辑 程曦)

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