（水利工程专业论文）浦东新区网河防洪、水环境智能调度管理规划研究.pdf

摘要 摘要 上海市浦东新区处于长江三角洲前缘的冲积平原，其内陆属于典型的平原感 潮网河水系，区内经济发达、人1 3 众多，河道纵横密布，易受台风、高潮位、暴 雨侵袭而发生洪涝灾害。 针对浦东新区网河控制中水闸综合调度效率不高的问题，综合考虑水闸的防 洪排涝、水资源调度、水环境改善等功能，实现水资源的科学调度和合理利用。 本文在普遍分析国内外主要河流现代化管理经验的基础上，对浦东新区网河防洪、 水环境智能调度管理规划进行了研究，构建了一种以智能决策模型为核心的浦东 新区网河水闸智能调度系统，系统结构包括两方面的内容：其一，平台建设，利 用目前先进的自控技术、计算机软硬件技术、通讯技术等，为智能决策、信息化 管理、网络化办事提供先进平台；其二，浦东新区河网水闸智能调度决策系统， 它的基本框架由河网非恒定流数学模型和水闸神经网络调度模型组成，在调水试 验资料的基础上，对数学模型进行了成功率定，然后借助数学模型，对水闸智能调 度模型进行了训练和测试。 通过网河防洪、水环境智能调度管理的规划研究，使浦东新区网河管理工作 得到规范和整合，形成高度集成、统一管理的网河防洪、水环境智能调度决策支 持系统。把浦东新区的水安全、水资源、水环境等问题进行综合考量，以期达到 水质改善和防洪控制相结合、提高河道水利工程利用效率、促进水资源可持续利 用的目的。 关键词：网河智能调度数学模型浦东新区 a b s t r a c t w i t hp r o s p e r o u su r b a ne c o n o m ya n dal a r g ep o p u l a t i o n , p u d o n gn e wa r e ao f s h a n g h a il o c a t e s i nt h ey a n g t z er i v e rd e l t a i t sw a t e rs y s t e mi sp l a i nt i d a lr i v e rn e t w o r k sa n df i v e rd e n s e l yc o v e r s v e r t i c a l l ya n dh o r i z o n t a l l y f l o o d i n ga t t a c ki sc a u s e de a s i l yb e c a u s eo fv u l n e r a b i l i t yo ft h et y p h o o n ， t i d el e v e l ，a n dh e a v yr a i n i nv i e wo f p u d o n gn e wa r e af i v e rn e t w o r k s s l u i c e si n t e g r a t e do p e r a t i o ne f f i c i e n c yi sn o th i g h ， s l u i c e s f u n c t i o n so ff l o o dc o n t r o la n dd r a i n a g e ，c o n s i d e r e d ，t h ed i s t r i b u t i o no fw a t e rr e s o u r c e s a l l o c a t i o na n dw a t e re n v i r o n m e n ti m p r o v e m e n tw e r ec o n s i d e r e di n t e g r a t e d l yf o rr a t i o n a lu t i l i z a t i o n o fw a t e rr e s o u r c e si nas c i e n t i f i cw a y t h ep r e s e n tt h e s i si n v e s t i g a t e dp r o g r a m m i n go ni n t e l l i g e n t c o n t r o la n dm a n a g e m e n to f f i v e rn e t w o r k s f l o o da n dw a t e re n v i r o n m e n ti np u d o n gn e wa r e ao nt h e b a s i so fg e n e r a l l ya n a l y s i so fi n t e r n a t i o n a le x p e r i e n c e si nf i v e rm o d e r n i z e dm a n a g e m e n t ，a n d c o n s t r u c t e dap u d o n gn e wa r e af i v e rn e t w o r k ss l u i c e si n t e l l i g e n to p e r a t i o ns y s t e ma tt h ec o r eo f i n t e l l i g e n td e c i s i o n - m a k i n gm o d e l t h es y s t e ms t r u c t u r ec o n s i s t e do ft w op a r t s ：f i r s t ，t h e p l a t f o r m ，t a k ea d v a n t a g eo ft h ec u r r e n ta d v a n c e dc o n t r o l l e dt e c h n o l o g i e s ，c o m p u t e rh a r d w a r e a n ds o f t w a r et e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yf o ri n t e l l i g e n td e c i s i o n - m a k i n g , i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ta n dn e t w o r k - b a s e dw o r kt op r o v i d ea d v a n c e dp l a t f o r m ；s e c o n d i n t e l l i g e n t o p e r a t i o nd e c l s i o n - m a k i n gs y s t e mo fs l u i c e si np u l 3 i a n gn e wa r e ar i v e r n e t w o r k s ，i t sf r a m e w o r kc o n s i s t so f m a t h e m a t i c a lm o d e lo f u n s t e a d yf l o wi nf i v e rn e t w o r k sa n d s l u i c e so p e r a t i o nm o d e lb a s e dn e u r a ln e t w o r k m a t h e m a t i c a lm o d e lw a sc a l i b r a t e ds u c c e s s f u l l yo n t h eb a s i so ff i e l do b s e r v e dd a t a , a n dt h e ns l u i c e si n t e l l i g e n to p e r a t i o nm o d e lw a st r a i n e da n dt e s t e d t h r o u g ht h em a t h e m a t i c a lm o d e l t h r o u g hp r o g m n m i n gs t u d yo ni n t e l l i g e n tc o n t r o la n dm a n a g e m e n to ff i v e rn e t w o r k s f l o o d a n dw a t e re n v i r o n m e n ti n p u d o n gn e wa r e a , f i v e rn e t w o r k sm a n a g e m e n tw o r kh a sb e e n s t a n d a r d i z e d ，a n da l li n t e l l i g e n td e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mo ff i v e rn e t w o r k s f l o o da n dw a t e r e n v i r o n m e n tc o n t r o lw i t hh i 曲l yi n t e g r a t e da n du n i f i e dm a n a g e m e n th a sd e v e l o p e d ，p u d o n gn e w a r e aw a t e rs e c u r i t y , w a t e rr e s o u r c e s ，w a t e re n v i r o n m e n ta n do t h e ri s s u e sw e r es y n t h e t i c a l l y c o n s i d e r e dt oa c h i e v ef l o o dc o n t r o la n dw a t e rq u a l i t yi m p r o v e m e n tc o m b i n e ，i m p r o v i n gs l u i c eu s e e f f i c i e n c y , a n dp r o m o t i n gs u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o no f w a t e rr e s o u r c e s a r e a k e yw o r d s ：f i v e rn e t w o r k si n t e l l i g e n tc o n t r o l m a t h e m a t i c a lm o d e l p u d o n gn e w 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者c 签孙毯埤一硎锌7 月留日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： i 1 3量军加。，年彳月艿日 f 第一章绪论 1 1 问题提出及意义 第一章绪论 上海市浦东新区处于长江i 角洲前缘的冲积平原，属平原感潮河网水系，地 【) ( 经济发达、人口众多，河道纵横密布，且地势较低，腹地较小，受到台风、暴 雨、高潮和洪水灾害影响，易于发生洪涝灾害1 。随着经济社会的发展，灾害损失 加大。同时，环境治理在一定程度上滞后于经济发展，在区内某些地区有大量【= 业废水和生活污水直排入河，导致水环境质量恶化“，成为困扰城市环境和经济可 持续发展的一个 要问题。 通过多年的水利建设，新区水系形成了一个相对独立的由水闸口门控制的内河 水系( 图卜1 ) “。新区河闸管理署负责管理新区范围内的1 3 座级水闸，通过发 挥水闸“挡潮、引水、排涝、通航”的功能，控制内河水位在一个合理的范围内， 图卜l 浦东新区骨干网河和水闸分布示意图 河海大学工程硕士学位论文 保障人民生活安全和新区经济发展。同时，在各水闸的整体控制下，通过“引清、 排污”来实现内河水体置换，改善内河水质“1 。 但是，随着国民经济的快速发展，河闸署在发挥上述水闸运用效益方面面临 着越来越大的压力。水闸作为防汛调度、涝水调度、水质调度及通航调度的重要 水利过程设旋，如何通过系统化的综合运用管理，及时有效地将内河水位控制在 正常范围内，减轻突发性自然灾害造成的损失，保持内河水环境的相对优质，保 障新区经济社会的进一步发展，就对浦东新区的水环境、水资源综合调度管理提 出了高标准的要求。 目前，浦东新区对河网管理的规定和要求一方面使水闸的调度有了一定的规 范和依据，但另一方面也凸显出调度缺乏科学依据，不利于充分发挥水闸的运用 潜力，也不利于决策部门、管理部门以及操作单元的交互沟通。鉴于此，对浦东 新区网河防洪、水环境智能调度管理进行规划、研究就显得尤为重要和必要。在 已有的经验知识的基础上，借助智能的不确定性和灵活性等特征，充分发挥水流 智麓模型的容错性、实时性等优势，建立水闸智雒调度辅助决策模型“o 。根据实 时监测数据和已有的经验知识，通过水闸智能调度辅助决策系统，形成个科学 合理的调度方案，从而达到对河闸署所辖群闸的有效控制，为水资源的合理配置 提供保证“。 ( 1 ) 与大都市建设相适应 目前浦东新区水利基础设施建设的相对滞后与浦东新区的社会经济地位是极 不相称的“。根据浦东新区水资源普查成果和目前水资源、水环境的实际情况以及 新区经济发展的要求，为实现“安全、资源、环境”治水战略和“天蓝、水清、 岸绿”、“防汛、排涝、治污”三结合的工作目标，利用先进的计算机技术和信息 技术改造新区水闸设施己刻不容缓。水闸智能管理系统正是解决这一问题的有效 技术手段。 制定浦东新区水闸智能管理信息系统规划，建设水闸智能管理信息平台，有 目的、有步骤地指导新区水闸信息化、自动化建设进程是十分必要的。由于整个 系统投资规模庞大，投资周期也相对较长，因此为避免投资决策的盲目性和不合 理性，在实施该项计划之前必须对整个系统有一个客观、合理的规划，以提高管 理决策水平和工作效率，更好地服务于社会。 第一章绪论 ( 2 ) 浦东新区信息化的要求 浦东新区水闸智能管理系统整合了水利基础设施信息化建设的相关内容，是 浦东新区信息化发展的重要内容之一1 。对新区水闸智能管理信息系统进行规划， 综合考虑防汛抗洪、水资源合理利用、水环境整治及改善，为科学合理地进行水 资源调度_ 和利用，减少河道整治、水流控制的盲目性提供指导，从丙推动浦东新 区水利信息化进程，具有非常重要的实际意义。 ( 3 ) 通过综合运用管理充分发挥水闸效益 浦东薪区水闸智能管理系统能够带来可观的管理效益。如前所述，浦东新区 独特的地理位置和气候特点，以及区域内社会经济的快速发展，使社会对水安全、 水资源、水环境的要求越来越高。具体到水闸管理部门来说，如何在其它职能部 门密切配合的基础上，充分发挥各水闸的综合运用效能，就成为一个亟待解决的 问题。因此，为了能够充分发挥水闸综合运用管理的效益，急需建立一个基于信 息化技术的水闸智能管理系统，迅速有效地掌握第一手水文及运行管理信息，以 此为基础建立一套全区范围内水闸智能群控系统。 1 2 研究综述 水利是一门古老的学科，人类对河流的利用、开发、研究和管理也有着悠久 的历史，但综观国际现代化河流( 流域) 管理，其历史并不久远，远可追溯到从 2 0 世纪8 0 年代初期计算机技术的应用开始，近则到9 0 年代中期。在这个不长的 历史阶段，现代科学技术在传统水利上的应用发生突飞猛进的变化，河流( 流域) 管理的观念发生根本性的改变，尽管世界各国河流的自然条件千差万别，但实现 河流( 流域) 的现代化管理，是世界各国发展和追求的共同目标“”。 所谓河流( 流域) 的现代化管理，从某种意义上讲其实质是“数字化管理”， 即应用遥感( r s ) 、数据收集系统( d c s ) 、全球定位系统( g p s ) 、地理信息系统 ( g i s ) 、计算机网络和多媒体技术、现代通信等高科技手段，构建对河流( 流域) 资源、环境、社会、经济等各个复杂系统的数字化整合、仿真等信息集成的应用 系统，并在可视化的条件下提供决策支持和服务“。 1 、国外现代河流( 流域) 管理发展趋势分析 河流( 流域) 管理与社会进步相适应，河流的管理从利用现代科学技术管理 方面，可分为四个阶段，如表1 一l 所示。 河海大学工程硕士学位论文 这是对国际河流管理发展阶段的简单归纳，各国在河流管理发展水平上不平 衡，所处的阶段也不尽相同。如美国、日本、法国及澳大利亚等国家，已从第三 阶段的流域管理跨越到第四阶段，并达到相当高的水平，已从单一的河流( 流域) 管理上升到更大范围的管理。澳大利亚除墨累一达令河流域属于联邦政府管理外， 州内河流( 流域) 的管理在州内进行，所实现的是州内的资源管理一体化。美国 和日本则达到国家级的资源管理，并实现了数据平台和软件的统一共享。目前浦 东新区的河网调度管理，正处在第三阶段，并向第四阶段过渡。 表1 一l ：国际河流( 流域) 管理阶段划分表 阶段划分河流( 流域) 管理 主要特点 利用传统的技术手段，结合人工方法对流域实 施管理，其信息管理的形式是机械的、具体的和分 第一阶段传统管理阶段 散的。 其表现特点；机械+ 人工操作 利用传统的测量和监控设备，结合电子技术和 计算机技术，对传统收集信息的手段进行改造、开 第二阶段设备开发及新技术应用 发以适应河流检测的需要。 其表现特点：机械+ 人工操作+ 电子技术。 随着计算机技术的发展，在河流( 流域) 管理所涉及的有关方面进行计算机编程和管 第三阶段计算机管理模拟阶段理，开发应用软件并进行模拟、仿真尝试。 其表现特点：机械+ 人工干预+ 电子技术+ 计算 机技术+ 分散的独立的应用。 随着计算机技术及网络技术的发展，在 河流( 流域) 管理所涉及的有关方面进行计 算机数据整合、编程计算、模拟仿真，应用 第四阶段网络技术及仿真技术阶段 软件开发和模拟、虚拟仿真。其表现特点： 机械+ 人工干预+ 电子技术+ 计算机技术+ 通讯 技术+ 仿真+ 网络整合+ 系统应用。 2 、美国现代流域管理的概况( 模式) 及仿真应用模拟系统 ( 1 ) 美国现代流域管理的模式及密西西比流域现代化管理 美国在流域管理方面可以说代表了当今国际发展的方向，其河流( 流域) 管 理已达到国家级的水平，流域水资源及相关方面的管理是联邦政府资源的一个组 成部分。美国地质调查局( u s g s ) 是美国资源管理和信息整合的国家机构，同时 第一章绪论 收集整理全球相关资源的信息，全美几乎所有的江河湖泊水文水质信息等资料均 可以从国际互联网上得到。 对美国每一个河流( 流域) 而言，流域内资源的管理是相对独立的系统。从 美国流域管理分析可知，防洪是美国河流管理的首要任务，为了减小洪灾损失， 美国采取了两个方面的措施，其一：防洪工程体系建设，即修建水库、堤坝、分 洪区等；其二：防洪非工程体系建设，现已建立了完善的水情自动测报网络系统、 防洪自动预警系统及实时监测系统。 河流( 流域) 水文数据采集及传输所采用的主要手段为遥测遥感技术，采集 数据信息主要包括：雨量、水位、水质、水温等；信息传输主要采用微波、超短 波、光缆、卫星等技术手段。在河流( 流域) 洪水预报、调度方面广泛采用计算 机模拟技术进行多目标优化，提升了整个水资源系统的综合利用水平，大大提高 了工作效率和经济效益。在决策支持方面，根据河流( 流域) 的特点建立了各自 的决策支持和模拟仿真系统。 新技术的应用大大提高了数据采集的速度和预报预警时效，例如；田纳西河 流域管理委员会建立的t e r r a 决策支持系统，当预报洪水到达相应水位时，可在5 分钟内发布流域洪水预警。 通常情况下实对资料的监测每隔5 分钟观测、储存，每隔4 小时传输到 信息中心。在紧急状态下，观测传输的频率加大，所有信息资料经自动处理后， 由人工、电话或卫星传输到储存处理中心，在大多数情况下，这些实时资料3 分 钟之内就可在网站查阅。 在流域内，对地下水情况的观测和管理采用遥测井点观测，这些资料以离散 或连续的格式被采集储存。一些连续观测站的资料经电话或卫星传输到流域信息 处理中心。地质调查局的地下水网站储存有8 5 0 ，0 0 0 多个在并、泉、试验洞，隧 道、排水沟、坑穴内观测到的地下水水位和水质资料。水质观测内容包括：水的 物理化学特性，包括p h 值、传导度、温度、溶解氧，以及饱和溶解氧的百分比、 气温、气压等。在对水质的观测中，美国环保局( e p a ) 也提供有关水质数据，包 括用水信息和酸雨监测等。 ( 2 ) 现代河流( 流域) 管理应用软件系统 美国国家气象局是气象、洪水信息的归口管理部门，其组织开发的“河流水 河海大学工程硕士学位论文 情预报系统”，可把水文气象数据实时地传送到预报中心进行储存、处理，分析形 成完善的数据信息系统。它不仅提供1 - 5 天的短期洪水预报，而且提供中长期( 旬、 月、季节) 的水情概率预报，不仅能够用于防洪减灾，而且能够服务于水资源的 管理。 下面简要介绍美国两类主要的数学模型： 降雨径流模型：美国国家气象局的1 3 个河流水情预报中心使用6 个不同的 降雨一径流模型，应用最广泛的是萨克门托模型( s a c r a m e n t o ) 和前期降雨指数 模型( a p i ) 。如：密西西比下游水情预报中心使用萨克门托模型，其上游的密苏 里水情预报中心使用前期降雨指数模型( a p i ) 。 河流水流演算模型；密西西比下游水情预报中心使用一维不稳定水流水动力 模型( 1 ) w o p e r ) 进行河流水位、流量演算。 通过对美国地质调查局、气象局及各个流域内使用的主要应用软件分析，美 国现代流域管理软件包括以下应用系统：6 个流域模型、4 个洪水频率模拟模型、 3 个水文干旱洪水频率计算模型、1 5 个水利计算模型、6 个物质输移及相关模型、 4 个间接测量模型、4 个泥沙计算模型及相关的冲刷、生物模型，可谓是种类繁多， 内容广泛，涉及到各个方面。 所采用的主要技术手段：数据采集系统为s c a a d a 系统；数据传输采用专用光 缆、卫星微波和公共网及电话；影像信息采集主要依靠法国s p o t 卫星、加拿大 r a d a r s a t 卫星、美国l a n d s a t 、n o v a 卫星等，还有相关的高新技术设备，如：测 雨雷达及实地监控设备等。 以上是在美国流域现代管理所使用的主要软件和模拟仿真模型、高新技术手 段，这些在美国得到了广泛的应用。 在普遍分析研究国内外主要河流现代化管理经验的基础上，选择了美国密西 西比河流域( m i s s i s s i p p ir i v e rb a s i n ) 的现代化管理进行了分析，重点分析了流 域现代化管理的手段、先进的应用技术和管理模式，总结了一些有价值的应用经 验，为浦东新区网河防洪、水环境智能调度管理建设提供可资借鉴的高科技技术 和管理经验。 面对上海浦东新区网河防洪、水环境智能调度管理进行规划，己取得了很多 的研究成果，制定如下规划思路： 6 第一章绪论 ( 1 ) 平台建设：利用目前先进的自控技术、计算机软硬件技术、通讯技术等， 实现自动实时远程监控和调度，监控平台、数据平台、网络平台、应用平台和决 策平台能够高度衔接、可靠集成，实现系统化管理、自动化监测、实时化调度， 建设成面向决策的智能管理调度平台。 ( 2 ) 水闸智能调度决策系统：借鉴已有的数学模型和人工智能研究成果，研 发浦东河网水闸智能调度辅助决策模型，克服常规优化带来的计算效率低、模型 适应面窄等弊病，这是一个通用而灵活的优化方法，随着系统的长期运行，模型 智能学习机制能够产生越来越改进的方案。实现高效的科学化、智能化决策，网 络化办事，规范化服务，使浦东新区水闸智能管理系统总体水平达到同行业同级 别国际先进水平。 水闸智能调度辅助决策模型由基于神经网络的水闸智能调度模型和河网非恒 定流数学模型组成，其中调度模型是通过智能优选、拟合决策提供调度方案，河 网非恒定流数学模型一方面用于对调度方案进行预检验，另一方面用于为调度模 型提供调度预案等经验知识。当调度模型给出的调度方案在数学模型上检验未通 过时，这时就需要人工干预，人工干预后的调度方案仍需在河网数学模型上进行 检验。 1 3 本文研究的内容 在对大量资料进行调研和分析的基础上，立足于上海浦东国际化大都市核心 区的定位，借鉴已有的数学模型和人工智能研究成果，研发以智能化为核心的浦 东新区水闸智能管理系统，全面提升水闸管理部门为国民经济、环境保护、社会 发展作贡献的能力。 论文主要由七大部分内容组成，主要研究内容及章节安排如下： 第一章绪论。简要说明本文问题的提出，对河流管理的研究进展进行综述， 提出本文的研究意义、研究思路与研究内容。 第二章浦东新区的基本情况。主要介绍了浦东新区水利工程概况，所属水 闸监控调度的现状分析及存在问题。 第三章水闸智能管理系统信息平台设计及构成。介绍水闸智能管理系统的 主要组成部分，包括监控子系统、网络通讯子系统、中心数据库平台子系统、视 频会议子系统和应用软件与信息子系统。 河海大学工程硕士学位论文 第四章智能调度决策关键技术。本章介绍了水闸智能管理系统的核心部分 水闸智能调度辅助决策模型，主要由河网非恒定流数学模型和水闸智能调度 模型组成。包括：基本方程、边界条件、数值求解及有关问题的处理，计算步骤 和计算流程，以及对于同一个调度目标的预案优选原则。 第五章数学模型的率定。根据计算与实测的河网内水位站水位变化过程确 定河网各河段的糙率；同时在计算引水量、排水量与实测分析引水量、排水量接 近的基础上，对闸门流量公式中的参数进行确定。 第六章智能调度模型的验证。测试思路为：由校正过的浦东河网非恒定流 数学模型建立水闸智能调度预案库，假设这些预案是较为理想的水闸调度方案， 通过对这些预案的学习得到水闸调度神经网络模型，然后输出假设工况和内河期 望水位的调度方案( 输出方案) ，将该方案在数学模型上进行模拟( 模拟方案) ， 将模拟结果与事先知道的调度方案( 未参加学习的已知预案) 模拟结果进行对比。 第七章结语与展望，对本文的研究工作和成果进行总结，并就进一步的工 作提出意见和建议。 8 第二章工程概况 第二章工程概况 2 1 工程概况 2 1 1 自然条件 ( 1 ) 浦东新区地形地貌 浦东新区位于上海市东侧，黄浦江下游和长江入海口南侧，是长江三角洲东缘 的一块三角地，由吴淞口向南呈扇形展开，属江海冲积平原。由长江流沙不断淤 积，经江海潮流长期相互作用逐渐连片而孕育成陆的。面积5 2 2 7 5 平方公里。南 与南汇、闵行接壤，西、北与徐汇、黄浦、杨浦、虹口、宝山隔江相望，东为长 江入海口。地理坐标在北纬3 1 度0 8 分至3 1 度2 3 分，东经1 2 1 度2 3 分至1 2 1 度 4 8 分。 全境地势平坦，东南稍高、西北低，地面高程在3 5 m 4 5 米，平均高程 为3 8 7 米。 由于成陆时间的不同和开垦利用先后，境内土壤分布大致呈南北向延伸，东 西向排列。西部地区以黄泥土为主，中部地区以轻黄泥土为主，川南奉公路以东 夹塘地区以夹沙土为主。 ( 2 ) 水文气象 浦东新区地处中纬度沿海，属北亚热带南缘，是南北冷暖气团交汇地带，受冷 暖空气交替影响和海洋性气候调节，四季分明，气候温和，雨量充沛。多年平均 气温1 5 6 ，年内气温以7 月份为最高，多年平均2 7 4 c ；以1 月份为最低，多 年平均3 6 。年均日照时间2 0 8 7 5 小时，年均降水量1 1 0 8 毫米，年均雨日1 3 0 天。每年的汛期6 月9 月为夏秋多雨季节，平均降水5 6 2 4 毫米，占全年降水 量的5 1 。7 月9 月热带气旋活动影响频繁，平均每年2 次3 次。由于浦 东地处长江入海口，常常因台风伴随着暴雨和高潮的侵袭，形成风暴潮灾和涝灾， 给工农业生产和人民生命财产造成损失。 2 1 2 社会经济条件 随着浦东新区的开发开放和快速发展，新区已逐步成为上海市发展的龙头和中 国改革开放的窗口。为适应新一轮发展的要求，至2 0 0 5 年底，浦东新区先后成立 了陆家嘴、金桥、张江、外高桥、三林世博、川沙等六个功能区域，统筹协调区 9 河海大学工程硕士学位论文 域内的社会经济发展。2 0 0 5 年，浦东新区成为全国首个综合配套改革试点区。到 2 0 0 5 年底，新区共有1 1 个街道、1 2 个镇，有户籍人口1 8 4 8 1 万，占全市的l o 3 9 6 ； 国民生产总值2 1 0 0 亿元，财政收入4 9 4 9 4 亿元。 2 1 3 范围 浦东新区东、北、西三面濒水，属平原感潮河网区，境内河港密布、沟渠纵横， 但分布不均。全区共有大小河道4 6 2 3 条段( 黄浦江不计) ，总长度2 2 7 6 3 6 公里， 河网密度4 3 5 公里平方公里。共有河道面积3 7 2 平方公里，占全区总面积的 7 1 2 。 按等级分，新区有市级河道1 条，长度2 8 7 公里，面积1 7 7 平方公里，占 全区河道总面积的4 8 ；区级河道1 6 条，长度1 8 4 6 公里，面积6 0 6 平方公里， 占全区河道总面积的1 6 3 ；镇级河道2 4 i 条，长度5 3 1 3 1 公里，面积9 3 3 平方 公里，占全区河道总面积的2 5 1 ；村级河道5 5 6 条，长度8 1 5 2 6 公里，面积4 3 4 平方公里，占全区河道总面积的1 1 7 ；自然村级河道4 0 4 8 条段，长度2 0 4 1 3 6 公里，面积1 2 6 2 平方公里，占全区河道总面积的3 4 。另有浦东国际机场独立水 系、世纪公园水系面积3 0 5 平方公里( 已扣除张家浜河道面积重复部分) 。 水闸是控制水位、调节水量的重要工程设施。为减轻新区内陆地区河道排涝 压力，满足挡潮、调水、航运和排涝等多方面需要，自六十年代以来相继在黄浦 江支流上建造了高桥、东沟、西沟、洋泾、张家浜、白莲泾、杨思、北港、三林 等水闸：沿长江口建造了外高桥、五好沟、张家浜东、三甲港等水( 泵) 闸，形 成大包围的形势，使区内各河道水文要素受水闸控制。 新区现有水闸2 8 座( 不包括浦东国际机场独立水系建造的控制闸) ，总设计 最大引水流量1 1 3 0 5 立方米秒，总设计最大排水流量1 6 9 1 5 立方米秒，受益 面积为整个浦东新区及南汇部分地区。 按照水闸管理级别可分为区管和镇管两种。区管水闸1 3 座，总设计最大引水 量9 3 4 立方米秒，总设计最大排水流量1 3 2 7 立方米秒，全部分布在沿黄浦江及 长江口岸线。 镇管水闸1 5 座，总设计最大引水流量1 9 6 5 立方米秒，总设计最大排水流 量3 6 4 5 立方米秒，主要分布在黄浦江沿岸及杨思、六里、东沟等市郊结合部地 势低洼地区。 l o 第二章工程概况 2 2 浦东新区水闸监控调度的现状分析及存在问题 2 2 1 水闸的现状分析 2 2 1 1 现有水闸的地理分布和调度运行方式 一、水闸的地理分布 河闸署共管辖新区范围内1 3 座区管水闸，其中水利枢纽2 座，即杨思水利枢 纽、东沟水利枢纽：套闸4 座，即高桥套闸、白莲泾套闸、三林套闸及北港套闸： 节制闸6 座，即张家浜水闸、洋泾水闸、西沟水闸、五好沟水闸、张家浜东闸和 三甲港水闸：泵闸1 座，即外高桥泵闸。沿黄浦江分布有三林、北港、杨思、白 莲泾、张家浜西、洋泾、西沟、东沟、高桥水闸，沿长江口分布有三甲港、张家 浜东、五好沟、外高桥水( 泵) 闸。 二、现有水闸的运行调度方案 河闸署根据有关文件的要求和规定，结合浦东新区实际情况，制定了所辖1 3 座水闸的日常调度运行方案，可分成五类调度：防汛调度；排涝调度：预降水位 调度：日常引水调度；日常排水调度。 2 2 1 2 水闸设备现状 现有区管水闸1 3 座，设旌设备现状见表2 - 1 注：挡一挡潮，引一引水，排一 排涝，航一通航 。 表2 1 水闸设备现状表 序 闸名 用途竣工 水工启闭机 控制 通信 配套机房 号 年份建筑系统 条件设施 环境 物 l 三林挡引排航 1 9 8 3良好良好 计算机具备完善良好 2北港挡引排1 9 8 3良好良好继电电话完善良好 3 杨思挡引排航 1 9 8 0 良好良好计算机具备完善良好 4 白莲泾挡引排航1 9 7 8一般良好继电电话不完善较好 5 张家浜西挡引排 1 9 6 3一般 较差继电电话不完善差 6洋泾挡引排2 0 0 0良好良好继电具备完善良好 7西沟 挡引排 1 9 7 0较差较差 继电 电话 不完善 差 8东沟挡引排航 1 9 9 5 良好良好继电电话完善较好 9 高桥挡引排 2 0 0 1 良好良好继电具备完善良好 1 0外高桥 挡引排 1 9 9 5一般一般 计算机 具备完善一般 1 l 五好沟挡引排 1 9 6 4 良好良好计算机电话不完善较好 1 2 张家浜东挡引排 2 0 0 2良好良好 计算机具备完善良好 1 3三甲港挡引排1 9 7 8良好良好计算机具备完善良好 河海大学工程硕士学位论文 区管水闸大致分成三类： ( 1 ) 已经实施计算机监控的站点 这些站点是近年来新建和经过自动化改造的站点。这类站点有6 座：杨思水 闸、三林水闸、张家浜东闸、三甲港水闸、五好沟水闸、外高桥泵闸。这些站点 已经配备了先进的计算机集中控制系统，在站内，可以通过控制室计算机监控屏 幕实现全过程的自动控制、数据采集和视频监视。 这类站点目前尚不完全具备与水闸管理署控制中心联网进行数据传输的能 力，需要进行网络通讯系统的扩展改造。 ( 2 ) 需要自动化改造的水闸站点 这部分站点的机电设备及基础设施状况尚好，设备维护良好，运转基本正常。 但控制手段落后，基本上都是继电控制系统。这些站点有4 座，包括高桥水闸、 洋泾水闸、北港水闸、东沟水闸。目前，这部分站点还不具备集中控制和管理的 技术条件，需要全面改造控制系统。 ( 3 ) 病险水闸站点 这些站点的水工建筑物及机电设备由于超期服役，经过几十年的运行后，设 施设备老化严重，电气控制极为简陋，缺少必要的检测和保护装置，存在很大的 安全隐患。对于这类站点，需要结合病险水闸的改造，通过拆除重建，按现代化 标准进行高标准建设。这样的站点有3 座：张家浜水闸、西沟水闸、白莲泾水闸。 2 2 1 3 浦东新区水闸控制中心建设现状 通过上海市水闸( 泵站) 计算机监测系统一期工程的建设，已在浦东新区建 立了一个临时分中心。 上海市水闸( 泵站) 计算机监测系统建成了一个总控制中心，实现了全市部 分水闸的水位、闸位、视频监测信息的现场采集和通讯传输，并直接传送至上海 市水闸总控制中心，这部分水闸数据并不需要通过浦东新区分中心节点上传。现 在临时性浦东新区分中心仅仅通过与总中心的通讯，间接获得查询本区所属水闸 的水情工情数据和视频监测信息。 目前河闸署还缺乏借助信息技术对本署所辖水闸进行直接管理的科学管理手 段，没有清东新区内部的水闸调度管理平台、办公自动化管理平台、与多个业务 主管部门联系的业务平台，此外，对水情数据观测还缺乏关键的流量观测等重要 第二章工程概况 内容，作为一级管理决策部门还需要一个调度决策支持平台。实现这些平台建设 需要一个空间较大、设施先进的机房环境和操作环境。 2 2 1 4 浦东新区水闸管理联网通讯系统建设现状 在上海市水闸( 泵站) 计算机监测系统第一阶段的建设中，浦东临时分中心 站点通过租用上海电信2 m 数字电路光缆端口或1 2 8 ki s d n 方式实现了与总控制中 心的数据通道，可查询到各水闸水位、闸位、视频监控等信息。 但是河闸署与所辖的1 3 座水闸之间，通过一条2 m 数字电路间接联网不能满 足新区水闸智能管理系统的通讯流量需求。作为一个局部的、相对独立的浦东新 区水闸智能管理系统，还需要建设本区专用的内部通讯网络，从而实现内部更多 水情数据、工情数据、视频监测信息、调度信息的传输，还需要建立一套宽带数 据通道。尤其对于1 3 座水闸流畅的现场视频监视来说，更大的网络带宽和独立的 网络结构是必不可少的。 2 2 2 存在的问题 与浦东新区( 以下简称新区) 经济发展和城市建设步伐相比，新区的水利基 础设施、尤其是信息化建设相对滞后，存在下列较为突出的问题： ( 1 ) 防汛安全方面 a 确保防汛防洪安全的保障功能尚不能完全满足新区社会、经济发展以及环 境保护的要求； b 随着新区城市化进程的加快，原有河网系统的引水排水功能和防汛排涝功 能的发挥受到影响。 ( 2 ) 水资源合理配置方面 针对当前新区对水资源需求的结构，引潮量远未达到开发利用的要求。 ( 3 ) 水环境保护方面 随着浦东新区各类社会及经济活动的日益频繁，污水纳管及处理工作相对滞 后，新区河道水体污染严重，水环境受到破坏，直接和间接制约新区社会、经济 的可持续发展； ( 4 ) 水闸基础设施方面 作为控制新区内河水位、调节河道流量的重要工程设施之一的水闸，为满足 排涝、挡潮、引水、灌溉和航运等需要，目前已形成大包围控制趋势，使得区内 河海大学工程硕士学位论文 各河道水文要素均受水闸控制；但新区1 3 座区管水闸中，建于1 9 8 0 年前的水闸 有6 座，有些水闸设施老化严重、功能下降，存在较多安全隐患，且科技含量低， 缺少自动监控设施，已不能满足对水闸进行自动化调度和信息化管理的要求。 ( 5 ) 智能化的调度决策模型方面 以往水闸调度，主要凭借历史积累的调度经验，多少带有一定的人为性和任 意性，缺少一个能用于水闸智能调度的辅助决策系统，而基于人工智能和水流数 值模拟理论的水闸智能调度辅助决策模型是使调度更加科学化的关键。借助水闸 智能调度模型和河网非恒定流数学模型等先进模型方法，通过智能优选、数值仿 真为水闸控制的决策提供科学、合理的调度方案，将是水闸智能化管理的核心内 容。 1 4 第三章调度管理平台 第三章调度管理平台 3 1 概述 浦东新区河网管理模式以浦东新区水闸智能管理系统为核心，主要实现对全 区1 3 座区管水闸运行状况进行视频监视、闸内外水位、雨量、流量、闸位等信息 实时采集、传输、储存、上传、分析等，同时利用实时监测信息、业务主管部门 下达的信息、兄弟单位共享的信息，采用先进的人工智能决策技术和河网数值模 拟技术，优化调度方案，实现水闸自动控制。 同时还要考虑对办公自动化和诸多涉及到的业务进行信息化管理改造1 ，如单 位日常管理、财务管理、人事管理、设备管理、档案管理、属区的地理、环境、 社会、经济资料管理、信息共享、技术资源共享等方面进行全方位的信息化建设。 该系统是涉及到电子信息、通信网络、人工智能、水力学等诸多领域的复杂 计算机控制、监测、管理、决策系统3 。 本系统在地理空间上可分为二个层次：智能管理中心层( 河闸管理署) 和闸 站层。 3 1 1 智能管理中心层 智能管理中心层按业务类型划分成两大块，一是水闸智能管理中心；二是办 公自动化中心。 水闸智能管理中心o ”是整个管理系统网络的核心。按照功能分类，水闸智能管 理中心包括水闸智能管理数据中心、水闸智能管理决策支持系统、水闸视频音频 中心、水闸智能管理控制室及电子会议室、网络中心、办公自动化系统等等。 数据中心实时采集的数据和图像，或接收来自网络的各种数据和图像信息， 以及分析处理产生大量的派生数据，都可以在控制室或会议室的大屏幕上直观地 显示。例如水闸的智能管理功能在基于g i s 的界面上实现，能够动态显示水闸的 引排水状态和现场的视频图像，能够直接控制闸门启闭，从而实现闸门开度、水 位、流量等的控制。 决策支持系统能够通过河网非恒定流数值模拟模型预测调度方案的结果，并 能够用人工智能方法自动进行调度方案的优化。 网络中心由两部分组成：一是高性能、高可靠性、实时性传输的局域网平台， 河海大学工程硕士学位论文 以满足智能管理数据传输和图像传输要求；二是方便和上级部门、合作单位联系 的广域网连接平台。 视频音频中心通过现场图像的实时传输和控制，实现视频电子会议、内部语 音通话等。 办公自动化系统是各类面向管理的应用平台。 3 1 2 闸站层 闸站层的区管1 3 座水闸1 ，是水闸智能管理系统的最终执行机构。 闸站层与智能管理中心层对应，分成闸站监控系统和闸站办公系统。 闸站监控系统需对本闸站进行水文及闸位信息的实时数据采集、显示、上传， 要求采集的数据包括：内外河水位、雨量、闸位、流量、综合电量参数等数据。 闸站监控系统还应对水闸进行多角度的视频监测、录像、上传，可对关键部 位的摄像头角度、焦距进行控制。 闸站监控系统应对闸门实现计算机控制，能够进行闸门开、停、开度、定时 操作等，且对水位、流量目标能进行自动控制。 闸站办公系统则包括财务管理( 如船舶过闸收费系统) 、办公文档上传下达等， 还能利用宽带局域网实现与智能管理中心之间的视频会议。 3 2 水闸智能管理系统总体结构 浦东新区水闸智能管理系统是一个建立于宽带数据通道之上，集数据采集、 传输、监控、分析决策、执行控制以及办公自动化为一体的智能系统。 水闸智能管理系统实施分为三个部分，即网络建设、智能管理中心建设和闸 站自动化建设。并采用循序渐进、分步实施的策略来完成整个系统的建设。 从空间关系上来看，水闸智能管理系统的业务、功能将覆盖到浦东新区水闸 智能管理中心、各水闸、水务局业务部门及其他合作单位。浦东新区水闸智能管 理中心则进一步划分为网络中心机房、中心控制室、视频会议室、各办公室。如 图3 1 。 1 6 第三章调度管理平台 图3 - 1 系统总体结构图 系统的技术框架包含数据监测、集中控制、视频监视及视频会议几个部分。 总体框架见图3 2 。 图3 2 系统总体技术框架图 河海大学工程硕士学位论文 3 3 水闸智能管理系统构成 浦东新区水闸智能管理系统可分为6 个子系统，即监控子系统、网络通讯子 系统、中心数据库平