4 灌区综合数据库规划Word文档下载推荐.docx
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水源分类、河流参数、地下水参数、水井分布、水质、含沙量、水源管理等,如下图:
4.7气象数据库
气象数据库主要用来存放灌区的气象资料,主要包括的表有:
降水量表、蒸发量表、历年无霜期统计表、气温表、日照、气压等,如下图:
图4-6
4.8工程管理数据库
工程管理数据库主要用来存放灌区的工程资料,主要包括的表有:
渠道表,水库表,建筑物表,合同表,图纸表,维修事件表,规划表,设备表,位移表,如下图。
图4-7
4.9空间数据库
空间数据库主要存储灌区的各种地理信息,通常由地图数据库、地形地貌数字高程模型、遥感影像数据库和测量资料数据库组成。
4.10种植数据库
种植数据库主要用来存放灌区作物种植情况和土壤相关信息,主要包括的表有:
作物布局、作物面积、土壤墒情表、地下水表、土壤类型等,如下图:
图4-8
4.11作物数据库
该数据库主要对灌区的作物种植情况进行管理,为灌区用水提供基础依据。
作物数据库由作物表组成。
4.12用户数据库
该数据库主要管理不同用水户的有关信息,按照用户不同用水级别,人们通常把用户实体分为县级用户实体、乡级用户实体、村级用户实体和初级用户实体。
县级用户表、乡级用户表、村级用户表、初级用户表等,如下图:
4.13人事资源数据库
人事资源数据库主要用于存放管理局人员、劳务、工资等方面的数据,包括人事档案资料数据库、人事劳资历年数据库、党员党务资料数据库和养老保险、医疗保险数据库。
4.14财务数据库
该数据库主要用来管理自动化办公过程中用到的部分基础数据,按照交口灌区的实际情况,常见的实体有财务管理、工资管理、固定资产管理。
财务管理表、工资管理表、固定资产管理表。
4.15文件档案数据库
文件档案数据库主要存放管理局文档、期刊资料等数据,主要包括文档资料数据库、文献资料数据库、政策法规数据库三部分。
4.16外部接口数据整合模块
在灌区中,还有部分外部数据需要进入数据库,其中包括气象、水质、雨情、地下水、墒情等信息,其中部分是采用灌区管理局以外的数据,如气象、水质,部分地下水数据,还有部分数据是管理局已经建立的系统,如已经建立的断面流量与水位数据等。
该模块用于这部分数据与综合数据库的数据转换,该模块主要完成的功能为:
1)针对外部和已建系统的数据,按照一定的规则完成数据的接收或读取。
完成数据的系统录入功能;
2)对于对获的数据,应用数据转换模型,进行类型转换;
3)按照数据的时间合空间特性,存入相应的数据库。
4.17数据综合管理模块
该模块完成数据综合数据库的维护工作。
主要包括数据库的数据的增加、删除、修改以及数据备份,数据安全等功能。
5水资源调度系统
5.1概述
目前,交口灌区的配水管理工作基本靠人工完成,灌溉制度主要凭经验确定,灌溉用水调度工作主要是通过电话和无线电台收集观测数据,手工计算来完成。
由于工作中的大量繁琐计算,不仅效率低,差错率高,也使管理部门无暇顾及管理工作的改进和水资源利用的优化调度。
因此,针对当前灌区的管理现状,开发智能化、易操作用的水资源调度与决策支持系统是十分必要的。
该系统是运用电子计算机技术、最优化技术、信息技术和自动控制等现代技术,实现水资源的合理配置和灌溉系统的优化调度,使有限的水资源获得最大效益。
利用这些现代技术,通过对灌区气象、水文、土壤、农作物状况等数据进行及时的采集、存储、处理,并采用预测预报方法及优化技术,及时做出来水预报及灌溉预报,进而编制出适合作物需水状况的灌溉用水实施计划。
一旦来水、用水信息发生变化,可以迅速调整配水计划,并通过安装在灌溉系统上的测控设备及时调整用水流量,实现动态计划配水。
系统集农田优化配水和灌区自动化控制于一体,实现管控一体化。
系统以实时监测数据为基础,并且综合考虑历史数据与预报数据,体现精确资源管理和精确灌溉的思想。
5.2系统建设目标
该部分的功能为:
1)采用虚拟现实方式,动态显示全灌区抽水站水泵运行状态(开机动态显示)、闸门的开关状态、渠道放水状态(那些渠道有水、那些渠道无水以及水位流量等)、水位报警状态、测控系统状况(联网否、控制否、自调否)、各抽水站灌溉天数、用水总量等;
2)按照选择的抽水站与闸点,显示相应地点的控制画面;
3)按照需求执行优化调度方案;
4)运行数据采集:
通过即时采集、间隔采集等多种采集方式获取各抽水站与闸点的流量信号、设备运行状态等信息;
5)动态图象显示各个抽水站与闸点设备与水利参数;
6)数据库管理;
7)事故处理,报警和记录;
8)按照需求对各个参量显示和打印;
9)数据综合查询及数据追忆查询;
10)形成抽水站与闸点监测与运行数据仓库;
11)具有可靠的软件与硬件互锁功能;
12)软件故障自动恢复;
13)参数在线修改。
5.3系统功能分析与设计
系统组成如图5-1。
图5-1
5.4数据管理与数据分析
该模块主要是实现综合数据库的数据与灌区设施运行状态的综合查询、统计分析,以及本系统相关实时与历史数据的转换维护。
5.5水资源调度计划
本模块的主要功能是及时为灌区管理单位制订科学的配水计划,为灌区的计划用水提供基本依据,并实现整体水资源的优化配置,主要包括以下内容:
图5-2
5.5.1灌区年度配水计划
本模块的主要功能是及时为灌区管理单位制订科学的配水计划。
依据模拟分析的结果,应用水量的时间分配模型(水库调度模型)制订合理的水库蓄水、供水方案,结合灌区发电需要,更大的发挥灌溉和发电效益;
应用水量的空间分配模型(渠系配水模型)制订灌区年配水计划、季度配水计划、应变配水计划、实时调度计划以及管理局、总站、管理站用计划等各级各类水资源分配计划,为灌区的计划用水提供基本依据,并实现整体水资源的优化配置。
(1)设计年全灌区各灌季管理站水量任务指标的确定
首先在分析渭河水源变化规律的基础上,分别建立渭河年度、季度、月、以及枯水期流量、含沙量和水质预报数学模型;
根据作物和用户的需水要求,结合土壤、农业技术措施以及水源、水库、抽水站、闸门和渠道等灌溉设施,针对不同的问题以及影响因素,结合灌区现有的水文资料,可分别采用人工神经网络、回归分析和时间序列方法进行预测,估算出来年(或称设计年)河源来水的平均来水流量;
根据来水的频率确定水文年份,并据此选择典型年(50%,75%,95%),进而参照典型年实际完成的管理站水量指标,初步确定出设计年预计完成的水量任务。
同时,依据近三至五年,冬、春、夏灌实际完成的水量任务,计算出各季的分水比例及管理站水量。
以下是几种在制订配水计划中需要的模型:
1)灌区作物需水量预报模型
作物需水量预报是灌溉预报的首要条件,也是进行灌溉计划用水的基础。
计算作物需水量,大多以计算潜在蒸散量为基础。
即计算作物全部而均匀覆盖农田且土壤水分供应充分条件下的农田蒸散量、潜在蒸散量可通过试验求得。
本灌区缺乏实测资料,只能根据现有气象资料计算。
作物需水量(ET)的计算通常是计算潜在蒸发量(ET0)后乘以作物系数(Kc)而取得。
潜在蒸发量(ET0)采用改进的彭曼法计算。
由潜在蒸发量(ET0)、作物系数和阶段时间等要素,可计算不同作物的阶段需水量预报值。
2)常规中长期灌溉配水计划编制数学模型
制定中长期常规用水计划数学模型的常规作法是仅根据中长期的水文与气象预报,采用长系列分析法,初步确定来年的水文年份,再参照以往的实际用水情况,确定出全灌区及各基层管理站的灌溉任务指标。
年度配水计划不作具体的流量分配。
编制配水计划时,先分析水源的水量、水位情况和灌区可能的需水情况,并进行该时期可供水量与需水量的平衡分析计算。
通过调整、修改、最后确定取水计划,即计划年内的灌溉面积、取水时间、各时期内的取水水量、取水天数和取水流量等;
在灌区(干渠)取水计划的基础上,再具体计算各级渠道的配水计划。
常规的计划编制以历史资料为依据,考虑当时的情况较少,但由于任何季节、实际的气象因素、土壤因素以及作物因素都不可能与历史上某一时期完全相同,也不可能与长期预测情况完全吻合,这就使得预先编制的配水计划往往与实际灌溉要求不符,因而影响了灌溉计划的可靠性、预见性和灌溉水的利用率。
并且常规计划中只考虑了灌溉需要,未将灌区的经济效益考虑进去。
3)按照效益指标制定中长期常规配水计划数学模型
将整个灌区的经济效益考虑进去,来制定配水计划,使灌区的总用水量能最大限度的产生经济效益,包括作物种植经济效益最大,灌区管理部门水费收入最大,灌区水库、抽水站运行费用最小等。
在这一过程中,先从各用水单位,即满足农田灌溉需要的用水量出发,继而预测灌区灌季及年度配水计划。
对每一个灌季要求分级编制配水计划,即配水斗编制用水单位的用水计划,管理站编制渠段用水计划,灌溉管理局编制渠系用水计划,自下而上将灌溉计划层层上报,最后形成整个灌区可能的用水量计划,该需水量计划还须与水源的水量进行供水需水的水量平衡分析,通过调整,修改整个灌季的灌溉任务、轮期安排、灌溉日期、灌溉天数、引水流量、以及各干、支渠分水口的配水流量与配水比例等,确定用水取水、配水计划。
该计划的制定分为三步:
第一步是根据生产实际,具体作物的种类、种植面积、灌溉定额、作物的水分生产函数、具体的气象状况、土壤状况、水文地质等来预测灌区内满足不同作物生育期内能使其生长状况最佳,增产最大的灌溉需水量序列;
第二步是将此需水量序列自下而上反推至整个灌区,得出灌区的计划引水量及过程;
第三步是将计划需水量与供水量进行水量平衡,根据供水量修正用水计划,将此计划反馈给灌区,在引水不足的情况下调整不同作物不同时期的用水计划组合,使灌区总经济效益最大,并以此制定出最终的配水计划。
该计划的重点是第三步的优化用水组合计划,这一过程可与优化配水相协调来完成。
上述模型在计算机中仿真使用,其各种参数可以即时修改,不断调整,直到基本满意。
(2)各管理站水量任务的确定
1)按近几年来各站实际完成的水量之比确定;
2)按各站主要作物的种植面积之比确定;
3)按管辖区域用水量和种植面积双方兼顾,各占一定比例来确定。
以上三种目标确定的管理站水量任务均通过屏幕列表显示,供用户灵活修改。
(3)各站灌溉面积任务的确定
各站的用水量确定后,根据各站的灌溉定额、灌溉定额,即可确定出各站的灌溉面积。
5.5.2季配水计划
可以在每个灌季配水前,根据主要作物的灌溉制度及实际需水情况确定用水量,再根据渭河来水预报和各级渠道的水利用系数,确定计划配送到各级渠道的净水量(计划配水-渗漏、蒸发损失),通过二者供需平衡分析,由下而上逐级推算出各灌溉轮期的渠系引水计划和渠系配水计划。
本部分要求完成以下内容:
(1)灌区作物种植面积分站、分县区统计表;
(2)全灌区各级渠系、渠道水利用系数统计表;
(3)某灌季各月气象,径流量统计表;
(4)某灌季供需水平衡与引水计划表;
(5)某轮期渠系配水计划表;
(6)某灌季灌溉任务分站分渠系统计表。
5.5.3干支渠实时配水计划
干支渠实时配水计划由灌区灌溉供需水量、供配水方式、配水目标函数、配水顺序等决定。
目前,交口灌区配水,根据灌溉阶段和情况的不同,采用以下四种方式进行,分别为动员用水、申报用水、按比例用水和集中用水。
(1)动员用水:
各灌季用水初期,管理局根据河源来水情况及各站实际,鼓励各站抓紧灌溉各级渠道下游正常灌溉时无法顾及的面积和机井、污水等水源控制面积。
此时为动员用水阶段。
(2)申报用水:
当河源来水基本满足用水时,实行申报用水。
各站必须在当日18时前,申报次日用水流量及流量变化情况。
(3)按比例用水:
当需水量大于河源来水时,实行按比例用水。
(4)集中供水:
当河源来水小于5m3/s时,实行集中供水。
干支渠实时配水计划模块的主要功能是根据交口灌区的实际用水情况对灌区有限的水量在全渠系进行调配,做出切合生产实际而又合理科学的决策。
本模块分为两部分:
(1)按原计划配水:
首先要求用户输入本次用水天数,程序将根据有关模型计算来水及用水量。
当供水量大于等于需水量时,全渠系实行按需配水方案,程序将自动打印出按需配水的渠系配水表,并生成渠首枢纽与各个水库的优化调度方案。
当供水量小于需水量时,可由用户作进一步选择:
一种是常规的按比例或集中配水方法,程序将自动打开相应轮期的渠系用水计划,读入各级渠系配水比例,计算出相应各级渠系的配水流量,并打印出渠系配水表;
如选择另一种优化配水方式,流程转入第2部分。
(2)优化配水:
程序将显示两种不同的目标函数供用户选择:
一是全灌区净增产值最大;
二是全灌区水费收入最高。
根据选择结果,调用相关模型求解,最后打印出相应目标函数的渠系优化配水表。
在优化渠系流量分配计划时,将省和本地区水文局近期水文预报及各项实时数据和作物水分生产函数研究成果作为优化配水的基础,以有限水量增产效益最大为目标函数(或以全灌区管理部门经济效益最大为目标函数),用系统分析的方法,以面积(最大、最小)、水量、流量等为约束条件,建立数学模型及程序模块,优化计算出各次灌溉、各条渠道应分配的流量及时间。
数学模型中所需要的节水灌溉制度、非充分灌溉制度、水分生产函数、各级渠道水利用系数、田间水利用系数等基本参数需采用专门的实验研究成果。
5.5.4管理站配水计划
管理站配水计划的编制原理与编制渠系用水计划相同,本模块完成以下三项内容:
1)某管理站作物种植面积按段分斗统计表;
2)某管理站灌溉任务按段分斗统计表;
3)某管理站某轮期配水表。
5.5.5应变的配水计划
包括以下内容:
轮灌应变、引洪应变、高含沙应变、暴雨应变、干旱应变。
(1)轮灌应变
当轮灌次序发生变化时,重新给出配水参数,改变配水方案。
(2)引洪应变
由水文参数估计洪水的水量,首先确定需要分洪的水量及流量,再次确定分洪后的配水方案。
(3)高含沙应变
首先确定由于洪水或暴雨带来的水源实际的含沙率,综合考虑抽水站的运营经济效益和用户对水的需求程度,采取适当的滞后配水方案。
(4)暴雨应变
当轮期内出现暴雨时,首先推算各渠系内田间的含水率,进而推断出渠首的应取水量,从而确定新的配水方案,但同时要注意渠道的排水。
(5)干旱应变
首先确定各种作物的耐旱程度,从而制定不同的非充分灌溉措施和引水流量,由此向上反推出渠首的引水量和抽水站的取水量,在对此进行新的配水,达到节水灌溉同时满足用户的需求。
5.5.6抽水站抽水优化调度
本模块根据灌区用水的实际,进行抽水站抽水的优化调度。
本灌区很大一部分是电力抽灌。
在整个灌区内,很多灌溉的来水要靠各级抽水站抽排,这些抽水站都属于长期运行,再为灌区服务的同时,抽水站机组的运转也消耗着大量的能源,降低机组的能源消耗是提高效益的主要途径。
在这种多级抽水系统中,既存在各级抽水站的联合运行,又有站内多台机组的调度,上下级抽水站之间、本站机组之间都有一定的联系。
而整个抽水站的运行又取决于整个灌区的来水和取水情况,以及各干、支、斗渠的水量分配等。
因此,抽水站的优化调度不仅是每个站本身的优化,而且是建立在灌区用水计划,渠道水量分配基础上的,兼顾各级站间的合理调配,以及站内的机组优化的整个系统的优化运行。
(1)长期用水计划下的多级抽水站优化调度
灌区中长期取水计划(年,季,月)分为三层,第一层是根据生产实际,具体作物的种类,种植面积,灌溉定额,作物的水分生产函数,具体的气象状况,土壤状况,水文地质等来预测灌区内满足不同作物生育期内能使其生长状况最佳,产量最大的灌溉需水量序列,第二层是将此需水量序列自下而上反推至整个灌区,得出灌区的计划引水量及过程。
第三层是将计划需水量与供水量进行水量平衡,根据供水量修正用水计划,将此计划反馈给灌区,调整不同作物的用水计划组合,使灌区作物总效益最大,并以此制定出最终的取水计划。
这时抽水站的优化调度即为在计划给定的渠道平均流量条件下,合理分配各时段流量,使各个抽水站运行总功率最低,若考虑电费,即为使抽水站的年运行费用最低。
在系统的进出水位,提水流量一定的情况下,考虑各级抽水站之间的水量平衡,各站最大开机台数、水泵工况、各级抽水站之间的扬程组合等约束条件,对系统的运行进行优化。
此时,灌区的总效益就包括灌区作物经济效益最大,灌区水费收入最大以及抽水站年运行费用最小。
若只考虑抽水站,则本模型包括两个层次:
第一层为在灌区作物经济效益最大的优化用水计划下,各个渠道的取水流量已定,即每一级抽水站抽排流量一定条件下,单级抽水站在不同开机台数、机组扬程、机组装置效率组合下的能耗最小;
第二层为各级抽水站组合下,考虑各级抽水站之间的水量平衡、流量平衡、输水渠水深约束、最大开机台数约束下的多级抽水站系统总能耗最低。
两层之间通过各级抽水站的扬程组合联系起来。
此时,模型的目标函数为抽水站电费支出或能耗最小。
数学模型:
第一层:
将总站系统分配的提水流量传递给第J级抽水站,建立抽水站能耗与计算时段内扬程、开机台数、装置工况的关系,由动态规划求解出每级抽水站能耗最低的最优开机组合;
第二层:
在系统的进出水位、各站开机数一定、提水流量已定的情况下,系统的总能耗与各级站之间的扬程组合有关,将满足输水渠水深要求的扬程离散后组合成系统的运行方案,能耗最小的即为最优方案。
此模型也用动态规划求解。
(2)实时用水计划下的抽水实时优化
实时用水计划的预报即是对最新的实际信息(如田间水分状况,实际气象资料等)进行分析处理,在此基础上,再根据各种最新的预测信息(如天气预报,作物生长预报等)进行模拟分析,预测各种作物下次灌溉的日期和所需水量,然后进行水量分配和调度,使灌区配水达到最能满足作物生长需要。
抽水站实时优化即为在实时水量分配的基础上,建立模型,同时考虑流量、输水渠道水深、各级抽水站最大开机台数、水泵扬程、水泵运性工况等,根据水位变化对各级抽水站间及抽水站内部的运行进行实时优化调度,确保抽水站在每一次灌溉时都处于最优运行,能耗最低、效率最高,从而达到抽水站整体运行的最优。
实时预报所得的灌溉量相比中长期而言,更符合实际情况,因而更准确,此时的抽水站运行则更具有灵活性。
本模型包括两个层次:
根据实时用水计划的配水,将系统分配的提水流量传递给第J级抽水站,建立抽水站能耗与计算时段内扬程、开机台数、装置工况的关系,由动态规划求解出每级抽水站能耗最低的最优开机组合;
在系统的进出水位,提水流量已定的情况下,系统的总能耗与各级站之间的扬程组合有关,将满足输水渠水深要求的扬程离散后组合成系统的运行方案,能耗最小的即为最优方案。
5.5.7实际用水总结
本模块根据灌区用水的实际,设置了四种不同时段及要求的用水总结。
(1)某天用水总结
本模块只需读入各管理站或干支斗渠的名称及指定日期,即可迅速分析、打印出相应实配的斗口水量,应灌的面积及应结的水费。
也可只指定日期,显示、打印出全灌区各管理站及各干支渠段用水信息清单。
对以下情况将自动打印出报表:
1)申报用水阶段,输水渠段当日实际总引水流量变幅超过应分配的当日总引水流量±
20%;
2)按比例配水阶段,输水渠段当日实际总引水流量变幅超过应分配的当日总引水流量±
10%。
(2)轮期用水总结
本模块主要是对整个轮期的用水信息进行系统总结。
总结的项目包括各站及各干支渠段的实配斗口水量、实结斗口水量、水量的对口率;
田间实结水量、各主要作物的灌溉面积、斗渠水利用率、净灌溉定额、毛灌溉定额、斗渠灌溉效率、应结的水费、实结的水费、水费对口率以及亩均受水单价、斗口每方水单价等。
(3)灌季用水总结
各轮期用水总结是灌季用水总结的基础,灌季用水总结的实质是将灌季内各轮期的用水总结信息累加后加以显示打印,因而其输出格式与轮期用水总结的项目相同。
(4)年度用水总结
将各灌季的用水总结资料自动累加后即为年度用水总结,其输出格式与轮期总结的项目相同。
通过全灌区全年的用水信息汇总统计,对全灌区以及各基层管理部门全年的用水情况,计划用水的管理质量、管理水平,以及最后的水费征收情况可以达到一目了然的效果。
5.6水资源调度仿真
基于灌区的综合数据和水情、雨情、气象、工情、设备运行等实时数据,结合灌区水库水量、发电用水,利用来水量预报模型和需水分析模型模拟灌区整体用水关系以及灌溉调度方案,为各级各类输资源调度、灌溉方案提供决策支持和实时模拟技术。
该功能主要通过三维可视化方法进行模拟仿真。
主要包括以下功能:
(1)来水状况仿真
根据流域降雨、渭河来水等水文特点进行来水预报。
北方河流非汛期降雨较少,河川径流主要由前期降雨退水形成,预报中应多采用考虑气温因子、前期径流等的多因子预测。
(2)需水状况仿真
依据灌区历年用水资料,分析具有用水需求的用户特征群体的微观决策行为形成的用水规律的宏观效果的关系,形成灌区用户用水规律模型,将土壤、作物、气象等信息作为环境影响因素,综合模拟区域用户需求特性。
(3)发电用水仿真
在灌溉期间,一切用水任务服从于灌溉。
非灌溉期间会产生水库蓄水与发电之间的一些矛盾。
应用水量的时间分配模型,综合的研究和模拟水库蓄水和发电之间的关系对灌区,在满足灌区水量调蓄、防洪和灌区生态环境要求的前提下,创造更大的供水、灌溉和发电效益。
(4)灌溉过程仿真
灌溉过程仿真主要包括两个方面:
一是建立包括各类渠系设施的完整水力学描述;
二是必须建立对灌溉系统管理调度功能,管理调度规则的数学模型,其中后者是渠系运行管理的重点,其数学模型主要是依据渠系的动态用水配水计划,确定进水闸,节制闸的实时开闸时间、日期、闸门开度等,以调节上下游水位和过闸流量等。
其水源包括为何来水、水库蓄水,在一定季节模拟仿真时需要兼顾发电需求。
灌溉过程仿真模型即是根据管理调度的数学模型用计算机对水流进行模拟。
此模型可以仿真灌区灌溉过程、改变参数多次仿真与实际情况拟合、从而精确地模拟计算出渠系引水、提水、输水和配水的全过程。
从数学模型上看,灌溉渠系水流的水力关系主要是指明渠的水力学描述。
明渠水流通常简化为一
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