水文在水利工程管理中應(yīng)用
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摘要：水資源是人類賴以生存的重要資源，若要實現(xiàn)水資源的充分利用，必須通過水利工程來實現(xiàn)，在水利工程建設(shè)中，水文與水質(zhì)管理是其重要依據(jù)。隨著數(shù)字信息時代的發(fā)展，水文與水質(zhì)管理工作也面臨著變革，采用水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)，對于水利工程的建設(shè)與發(fā)展具有重要意義。因此，本文以廣東省東莞市江庫聯(lián)網(wǎng)工程為例，首先從東莞市水資源以及水利工程開發(fā)的現(xiàn)狀著手，然后分析水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)在東莞市江庫聯(lián)網(wǎng)工程中發(fā)揮的作用，最后對水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)在東莞市水利工程中的實際應(yīng)用進(jìn)行探究。
關(guān)鍵詞：水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)；水利工程；水資源
水文與水質(zhì)管理已成為當(dāng)前水利工程建設(shè)的一項重要工作。水文水質(zhì)管理系統(tǒng)主要可在現(xiàn)場勘查、數(shù)據(jù)資料收集、蓄水位以及死水位的確立等方面進(jìn)行管理應(yīng)用，通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠為水利工程的建設(shè)與管維提供必要的依據(jù)[1]。廣東省東莞市的水資源豐富，是東深供水工程的水源地，若能應(yīng)用現(xiàn)代化的管理系統(tǒng)加強(qiáng)該水文與水質(zhì)管理，不僅關(guān)系到當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活用水安全，而且還深刻地影響到整個東深供水工程，對深港兩地的飲用水安全至關(guān)重要，所以水文與水質(zhì)管理是一項極為重要的工作。本文以廣東省東莞市江庫聯(lián)網(wǎng)工程為例，對該地區(qū)水利工程中應(yīng)用的水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)發(fā)揮的成效進(jìn)行研究。
一、東莞市水資源以及水利工程開發(fā)的現(xiàn)狀分析
1．東莞市水資源概況
東江是東莞市的主要供水水源地。東江作為過境河流，多年平均天然徑流量為244.6億m3，將近85%集中在汛期，由于東江承擔(dān)著港深、惠州、河源以及東莞、廣州等發(fā)達(dá)地區(qū)的供水任務(wù)，供水矛盾突出，因此東江入境可為東莞市所利用的水資源量要在全省水資源優(yōu)化配置的基礎(chǔ)上由省進(jìn)行統(tǒng)一分配。但境內(nèi)多年平均水資源總量為20.76億m3，（地表水20.55；地下水5.63；重復(fù)5.42）折合年徑流深842.2mm。其中：東江下游多年平均水資源總量為8.10億m3，折合年徑流深948.6mm，占全市水資源總量的39.0%；東江三角洲12.66億m3，折合年徑流深785.8mm，占全市水資源總量的61.0%。人均占有境內(nèi)水資源量為245m3/人。根據(jù)廣東省水資源及其開發(fā)利用評價，全省人均水資源量為2,627m3/人，東莞市人均占有境內(nèi)水資源量僅為全省平均數(shù)的8.9%?？梢?，東莞市當(dāng)?shù)厮Y源極為貧乏。由于境內(nèi)水體污染嚴(yán)重，部分地下水受到污染，根據(jù)監(jiān)測資料，有超過半數(shù)的地下水受到污染，水質(zhì)類別達(dá)到Ⅴ類。超標(biāo)的項目有亞硝酸鹽、硝酸鹽、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、硫酸鹽、PH值和總大腸菌群。境內(nèi)主要河流石馬河、寒溪河、東引運(yùn)河水體污染嚴(yán)重，水質(zhì)全年基本都劣Ⅴ類由此可見，東莞市的水資源豐富，但水資源污染情況嚴(yán)重，用水安全存在極大隱患，針對該市水資源開展水文與水質(zhì)管理工作極為必要。
2．水利工程開發(fā)現(xiàn)狀
東莞市2021年底共有蓄水工程165座，總庫容39,045萬m3，興利庫容24,202萬m3，現(xiàn)狀年供水能力39,070萬m3，設(shè)計年供水能力36,376萬m3。其中中型水庫7座，總庫容20,938萬m3，，興利庫容12,033萬m3，現(xiàn)狀年供水能力19,428萬m3，設(shè)計年供水能力14,449萬m3；?。?）型水庫39座，總庫容14,311萬m3，興利庫容9,433萬m3，現(xiàn)狀年供水能力15,303萬m3，設(shè)計年供水能力15,566萬m3；?。?）型水庫88座，總庫容3,635萬m3，興利庫容2,613萬m3，現(xiàn)狀年供水能力4,154萬m3，設(shè)計年供水能力6,125萬m3；塘壩31座，總庫容162萬m3，興利庫容123萬m3，現(xiàn)狀年供水能力185萬m3，設(shè)計年供水能力236萬m3。按水資源分區(qū)統(tǒng)計，東江區(qū)蓄水工程60座，總庫容11,198萬m3，興利庫容7,190萬m3，現(xiàn)狀年供水能力11,082萬m3，設(shè)計年供水能力11,848萬m3，其中中型水庫3座，小（1）型水庫16座，?。?）型水庫34座，塘壩7座。東江三角洲區(qū)蓄水工程105座，總庫容27,847萬m3，興利庫容17,011萬m3，現(xiàn)狀年供水能力27,989萬m3，設(shè)計年供水能力24,528萬m3，其中中型水庫4座，?。?）型水庫23座，小（2）型水庫54座，塘壩24座根據(jù)上述分析，該市對水利工程的開發(fā)比較重視，但過于復(fù)雜的水利工程體系，造成管理難度加大，必須通過有效的管理技術(shù)方法開展水利工程管理，實現(xiàn)水利工程開發(fā)與管理工作齊頭并進(jìn)，提升水利工程的整體效益。
二、水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)的應(yīng)用
1．水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)的應(yīng)用模型設(shè)計
東莞水利工程中，對水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)開展設(shè)計時，是基于系統(tǒng)觀點(diǎn)來開展整體思想設(shè)計的。該管理系統(tǒng)的每一個模塊均需同數(shù)據(jù)庫之間構(gòu)建完整的結(jié)構(gòu)，并且還需要經(jīng)每一個接口使數(shù)據(jù)交換這一常用功能予以實現(xiàn)。管理系統(tǒng)能夠利用數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)統(tǒng)一化管理，從而使該系統(tǒng)同時具備數(shù)據(jù)收集處理、數(shù)據(jù)輸入輸出、動態(tài)數(shù)據(jù)交換以及數(shù)據(jù)預(yù)覽等多功能。管理系統(tǒng)可對收集的原始數(shù)據(jù)、運(yùn)算標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)算結(jié)果和動態(tài)數(shù)據(jù)交換設(shè)施統(tǒng)一存儲，以便開展統(tǒng)一的處理與調(diào)控，從而達(dá)到數(shù)據(jù)輸出以及數(shù)據(jù)交換的目的。江庫聯(lián)網(wǎng)工程水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)采用了VB（VisualBasic）開展可視化編程，不僅具備語言運(yùn)行功能，而且還具備Mapinfo功能，同時系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用WA（WindowsAccess），對Access數(shù)據(jù)予以保留，使之與數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換程序共同形成統(tǒng)一的管理平臺。該平臺的主要功能包括數(shù)據(jù)預(yù)覽、數(shù)據(jù)報表生成、數(shù)據(jù)處理輸出等。其包含的數(shù)據(jù)表有地下水流量監(jiān)測表、水質(zhì)監(jiān)測表、溫度監(jiān)測表等，同時還包括一些基礎(chǔ)性資料，對于數(shù)據(jù)管理還具有刪除、查詢、修改以及輸入等功能，江庫聯(lián)網(wǎng)工程水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)的功能應(yīng)用模型見圖2所示。
2．水文水資源險情的預(yù)警功能模塊設(shè)計
在這一模型之中，可保證在精度任意條件下對任意函數(shù)實現(xiàn)，但是其并未對網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造提供一個可行有效的方法。通過對節(jié)點(diǎn)數(shù)以及隱藏數(shù)進(jìn)行選取，在該模型之中，節(jié)點(diǎn)機(jī)理所對應(yīng)的函數(shù)可以表達(dá)為：fx=1/（1+e-x-θ）式中，x表示節(jié)點(diǎn)的信息；表示節(jié)點(diǎn)的閾值。通過該機(jī)理函數(shù)在此方面開展模型訓(xùn)練，同時采用知識形式將其予以表現(xiàn)。在該模型下，如果水文水資源出現(xiàn)險情預(yù)警，且險情預(yù)警對象Y包含的樣本有n個，則其表達(dá)式可表示為：Y={y1,y2,……yn}通過成因分析以及實況分析得知，個樣本所對應(yīng)的m險情預(yù)警因子的特征，則針對樣本數(shù)量n，其特征矩陣如下：因m個險情預(yù)警因子的物理量之間存在差異，同時在量綱方面也存在差異，并且由于險情預(yù)警因子同樣本數(shù)量之間存在正相關(guān)或是負(fù)相關(guān)的關(guān)系，則對應(yīng)的險情預(yù)警因子對象特征可表達(dá)為：ai=yi/ymn。其險情預(yù)警因子對象Y所對應(yīng)的樣本值格式化向量可以表達(dá)為：A=（a1,a2,……,am）。在數(shù)據(jù)輸入模塊之中，借助節(jié)點(diǎn)i使獲取的信息輸入到隱藏節(jié)點(diǎn)之中，當(dāng)輸入的節(jié)點(diǎn)與輸出的節(jié)點(diǎn)之間等同的情況下，即可表達(dá)為：uij=rij。式中，可理解為將節(jié)點(diǎn)i之中的信息向隱藏節(jié)點(diǎn)輸入，為了更加便于描述該隱藏節(jié)點(diǎn)，可將其標(biāo)準(zhǔn)向量表達(dá)為：S=（s1,s2,……,se）。在隱藏節(jié)點(diǎn)之中的機(jī)理函數(shù)所對應(yīng)的識別模型可表達(dá)為：式中，表示i輸出相對于h輸入的權(quán)重；j代表樣本號。將p作為輸出節(jié)點(diǎn)的機(jī)理函數(shù)，并對其展開結(jié)果優(yōu)選，則其表達(dá)式為：式中，表示p同h之間連接權(quán)重。以險情預(yù)警因子結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，對其計算之后，從而可對江庫聯(lián)網(wǎng)工程之中出現(xiàn)的險情因素實施進(jìn)一步分析。
3．水文水資源的多層次決策優(yōu)選功能模塊設(shè)計
以整體模型的特征作為依據(jù)，對整體模型劃分成H層，處于最高層的便是H層，在整體模型層次之中，各層均設(shè)置了若干個并列狀態(tài)下的單元子系統(tǒng)。在該優(yōu)選流程中，最底層的單元子系統(tǒng)都出現(xiàn)目標(biāo)特征輸入其中。據(jù)此能夠?qū)Φ诙記Q策單元的輸出進(jìn)行計算，以這種方法依次逐層計算，從而得出H層計算結(jié)果。以實際經(jīng)驗為依據(jù)，對系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間的連接權(quán)重進(jìn)行模擬。依照該向量方案之中的權(quán)重大小，可以確定各種方案的優(yōu)劣，并對優(yōu)劣程度進(jìn)行排序，從而實現(xiàn)管理決策的最優(yōu)化。
4．分析水利工程的效益功能模塊設(shè)計
經(jīng)分析系統(tǒng)目標(biāo)效益，需要在模型中出現(xiàn)的各種隨機(jī)因素條件下，依照各因素之間存在的約束關(guān)系，對江庫聯(lián)網(wǎng)工程的效益結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效構(gòu)建，具體見圖2所示。從圖2中可以觀察到，江庫聯(lián)網(wǎng)水庫在運(yùn)行中是按照東莞水利工程水文水資源調(diào)度規(guī)則來進(jìn)行資源調(diào)度的，實現(xiàn)了資源調(diào)度的規(guī)范化，同時，各水庫間也存在一些節(jié)點(diǎn)，可以將水利工程區(qū)間資源投入到節(jié)點(diǎn)之中，從而使聯(lián)網(wǎng)水庫運(yùn)行中能夠?qū)?nèi)外部資源進(jìn)行充分有效地利用，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置，從而對于聯(lián)網(wǎng)水利工程效益的提升發(fā)揮著重要作用，江庫聯(lián)網(wǎng)工程水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)在應(yīng)用時，可對內(nèi)外部資源數(shù)據(jù)進(jìn)行掌控，而資源調(diào)度則是通過該系統(tǒng)操作的，該系統(tǒng)通過觀察各類資源的情況，按照資源調(diào)度規(guī)則適當(dāng)?shù)貙①Y源進(jìn)行調(diào)度，完成調(diào)度后，該系統(tǒng)能夠得出各水利工程所耗用的資源量，根據(jù)資源量及水利工程產(chǎn)出量綜合分析經(jīng)濟(jì)效益。
三、水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)在江庫聯(lián)網(wǎng)水庫中發(fā)揮的重要作用
為了提升江庫聯(lián)網(wǎng)開發(fā)與管理的整體效益，該地區(qū)在開展水利工程管理工作中應(yīng)用了水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)，從目前的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，該系統(tǒng)在發(fā)揮的重要作用突出表現(xiàn)在以下幾個方面：
1．實現(xiàn)信息資源的準(zhǔn)確收集
江庫聯(lián)網(wǎng)工程在開展日常管理工作中，信息資源的收集屬于重點(diǎn)工作，此項工作的主要內(nèi)容包括水利工程安全信息的記錄、工程設(shè)計材料記錄、工程維修維護(hù)記錄以及工程加固信息記錄等[2]。在信息資源收集時，需要根據(jù)東莞市自然環(huán)境條件，對水利工程現(xiàn)場的地質(zhì)地形特征、集水面積以及河流河道的主要特性等方面信息資料開展勘察及比對，根據(jù)勘察獲取的數(shù)據(jù)信息，利用該管理系統(tǒng)的計算模塊，開展完整、統(tǒng)一的計算。
2．實現(xiàn)水利工程的現(xiàn)場勘測
水利工程在實際運(yùn)行時，需要對運(yùn)行狀況進(jìn)行全面勘測，在江庫聯(lián)網(wǎng)工程未采取水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)時期，由于現(xiàn)場勘測的難度比較大，并且需要耗費(fèi)較多的人力及物力資源，所以水利工程前期管理并未采用水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)，在水利工程管理方面不夠全面，尤其是對水利工程現(xiàn)場勘測工作缺乏重視，導(dǎo)致管理方案與工程實際需求不符，對水利工程的運(yùn)管維護(hù)造成不良影響[3]，近年來，江庫聯(lián)網(wǎng)工程在開展運(yùn)維管理工作中逐漸意識到現(xiàn)場勘測工作的重要性，關(guān)注地下水的流量、溫度、水位以及水質(zhì)等方面的勘測[4]，并重視數(shù)據(jù)化管理，所以采用先進(jìn)的水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了水利工程現(xiàn)場勘測效果的提升，為水文水資源管理提供必需的數(shù)據(jù)支持。
3．實現(xiàn)水文水資源險情的預(yù)報
水文水資源險情主要包括洪澇、旱情等，一旦險情突發(fā)，則會對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們生活產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，甚至?xí)θ藗兊纳敭a(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。因此，開展水文水資源監(jiān)測管控的意義重大[5]。江庫聯(lián)網(wǎng)工程采用的水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)能夠?qū)π钏砍霈F(xiàn)的變化、河流上下游水位差值等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和計算，當(dāng)計算值超出預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)值后，管理系統(tǒng)會發(fā)出安全警報，相關(guān)監(jiān)測人員便能夠通過警報了解水文水資源出現(xiàn)的險情，從而采取有效措施對險情的發(fā)生予以預(yù)防處理，避免因險情發(fā)生造成重大事故及損失。
4．實現(xiàn)蓄水位的合理調(diào)整
在江庫聯(lián)網(wǎng)工程中，死水位以及蓄水位在常規(guī)情況下是不會進(jìn)行調(diào)整的，但在實際運(yùn)維管理中，需要依照實際情況適當(dāng)予以調(diào)整。蓄水位之所以要進(jìn)行調(diào)整，主要是因水庫的總體容量達(dá)不到實際需求，在此情況下，既往通常會向上級部門進(jìn)行匯報，通過上級部門審批后方可進(jìn)行調(diào)整，這種常規(guī)流程過于復(fù)雜，并且上級部門審批還需要結(jié)合實際蓄水位來進(jìn)行確定，導(dǎo)致審批時間較長，容易出現(xiàn)不可預(yù)估的風(fēng)險，而采用水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)之后，通過該系統(tǒng)能夠?qū)λ坏淖兓M(jìn)行監(jiān)測，并通過系統(tǒng)平臺將監(jiān)測結(jié)果反饋給上級部門，上級部門結(jié)合系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果直接審批，從而能夠及時快捷地開展蓄水位調(diào)整，并且系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要高于監(jiān)測人員通過監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)，在蓄水位調(diào)整的準(zhǔn)確性方面更占優(yōu)勢，可實現(xiàn)蓄水位的合理調(diào)整。
5．實現(xiàn)計算結(jié)果的分析與決策
通過水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算后，便需要對計算結(jié)果展開分析工作，分析內(nèi)容主要是將計算結(jié)果與其數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，了解兩者之間存在的差異，找出兩者差異出現(xiàn)的原因，原因分析后便可結(jié)合分析結(jié)果作出相應(yīng)的決策，從而保證決策的科學(xué)性與合理性。在這一過程中，若要保證決策的科學(xué)合理性，必須保證該管理系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確無誤，并及時匯入到數(shù)據(jù)庫之中，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，為計算結(jié)果分析以及決策制定提供有力依據(jù)。
四、結(jié)語
綜上，東莞的經(jīng)濟(jì)發(fā)展離不開水資源的合理利用，本文通過對江庫聯(lián)網(wǎng)工程建設(shè)中采用水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)，可對該地區(qū)水利工程的險情預(yù)警、決策管理、信息采集整理以及經(jīng)濟(jì)效益分析等多個方面進(jìn)行有效應(yīng)用，通過研究表明，水文與水質(zhì)管理系統(tǒng)可實現(xiàn)水資源的優(yōu)化管理，利于水利工程建設(shè)的有效開展，通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，可實現(xiàn)現(xiàn)代化、信息化、科學(xué)化水利工程管理，能夠推動水利工程的建設(shè)和發(fā)展。
作者:段守榮 單位:東莞市水務(wù)集團(tuán)
