新形勢下南水北調中線工程智慧調度的研究框架思考

吳永妍，陳曉楠，陳根發，段文剛，黃會勇，馮志勇

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，430010，武漢；2.中國南水北調集團中線有限公司，100038，北京；3.中國水利水電科學研究院，100038，北京；4.長江水利委員會長江科學院，430010，武漢)

一、研究背景

南水北調中線工程是國家水網的重要組成部分，事關戰略全局、事關長遠發展、事關人民福祉。根據《南水北調工程總體規劃（2002年）》，到2050年南水北調工程多年平均年調水規模448億m3，其中中線工程調水規模130億m3，分兩期實施，先期實施的中線一期工程多年平均年調水量95億m3，供水范圍涉及京津冀豫。中線工程以明渠為主，跨越江淮黃海四大流域，全長1432 km，沿線布置各類建筑物2385座，渠首設計流量350 m3s，加大流量420 m3s。工程2014 年12 月12日建成通水以來，調水量不斷增加，截至2023年11月13 日，累計調水超600 億m3，其中向北方河流生態補水約95億m3，京津冀豫四省份直接受益人口超過1.08億，發揮了巨大的經濟社會效益和生態效益。

進入新階段，水利部提出加快構建具有“四預”功能的智慧水利體系。2023 年5 月25 日，中共中央、國務院印發的《國家水網建設規劃綱要》明確提出了“提升水網調度管理智能化水平”的要求。南水北調工程作為國家水網的重要組成部分，已被列入水利部重點推進的11項數字孿生水利工程之一。實施南水北調中線工程智慧調度，對國家水網重大工程智慧調度管理實踐具有重要指導意義。南水北調中線工程智慧調度應結合中線通水以來的運行條件變化和新任務，針對新形勢下中線工程調度的特點及難點，考慮中線后續高質量發展需求和任務，開展針對性部署研究。

1.中線工程通水運行條件變化和新任務

中線工程通水運行9年多以來，受水區、水源區經濟社會發展，水資源條件也發生變化，運行的外部條件面臨著較大變化，工程調度面臨著新任務，主要包括以下四點。

（1）供水范圍和供水對象進一步拓展

隨著京津冀協同發展戰略實施和城鄉供水一體化工作推進，南水北調中線一期工程實際供水范圍在原規劃設計的基礎上有所擴大，目前已通水的擴大范圍涉及河南省13個縣級行政區、河北省12個縣級行政區。

（2）供水安全保障要求進一步提升

在規劃設計階段，中線一期工程的定位是受水區的補充水源。近年來，受水區各省份在實際調度運用過程中將水質優良的北調水主要用于城市生活供水，中線北調水在受水區城市供水中的比例逐年增加，甚至部分城市供水全部使用中線北調水。例如，中線一期工程承擔了受水區鄭州、北京、天津、石家莊等城市主城區70%以上的供水量。

（3）多次實施渠首超設計流量運行工作

新形勢下，中線工程除盡可能充分滿足用水戶需求外，還肩負著擇機進行生態補水的重任。2020年至今，中線總干渠多次實施陶岔渠首超設計流量運行工作。例如，2022年5月1日至6月28日，結合丹江口水庫上游來水情況和地方需求，中線工程開展了渠首超設計流量的大流量輸水工作，這期間陶岔最大入渠流量為400 m3s，累計供水18.89 億m3，其中，口門供水11.92億m3，生態補水6.97億m3?？偢汕罅髁枯斔畷r，沿線渠道運行水位高，調蓄空間和容錯能力降低，部分退水閘參與正常調度。

（4）后續工程建成后輸水條件將大幅度改變

中線后續水源工程——引江補漢工程建成通水后，中線工程多年平均年北調水量將達到115.1億m3，屆時中線總干渠大流量輸水時段將大幅度延長，各段超設計流量運行時段占總時段的比例將由原規劃的10%左右增加至60%以上，輸水工程長年以高水位運行，沿線節制閘幾乎喪失調控能力，總干渠的運行調度靈活性大幅度下降，現有的總干渠調度控制方式將不再適用。

2.新形勢下中線工程調度的特點及難點

新形勢下，南水北調中線工程是一個多用水對象、多調控目標、多輸水場景的復雜調水系統，調度具有以下特點及難點。

（1）多用水對象

中線工程向沿線京津冀豫14座大中型城市的217個區縣供應生活、生產用水。隨著生態文明建設推進，中線工程的生態補水量逐年增加。生活、生產、生態“三生”對象用水需求表現出顯著的時空博弈特征。與此同時，中線水源供水不穩定，丹江口水庫來水不均，年際變化較大，當漢江遭遇特枯年份或連續枯水年，丹江口水庫可調水量偏少，調配能力較弱，中線可供水量的穩定性存在一定風險。中線一期工程水源供水保障能力與受水區人民群眾對優質水源穩定供給需求存在矛盾，多用水對象均衡調配難度大。

（2）多調控目標

中線輸水系統水力調控是一個復雜的多目標決策問題，要統籌考慮對用水戶需求的響應時間、沿線水位波動幅度、閘門操作頻次等要素，對大流量輸水過程還要特別考慮達到穩定狀態的過渡時間、流量變化控制范圍等因素。大規模串聯系統調控動作與水力響應間存在強滯后性，加上中線工程沿線無在線調蓄水庫、渠段本身蓄量有限，輸水系統調控響應速度與水流穩定性、局部快速響應與系統整體穩定性、控制精度與閘門調整頻次等多調控目標協同難度大。

（3）多輸水場景

中線工程運行工況復雜，全年度輸水過程中，要經歷冬季冰期輸水、不斷水檢修、超設計流量輸水等特殊調度過程，還可能面臨各種突發事件下的應急調度場景。從調度目標上講，不僅存在各類分水流量發生變化的工況，還經常出現按照用戶需要調整渠道水位的工況需求，即要完成供水流量調整、目標水位調整、流量和水位同時調整等場景。不同輸水場景下的控制約束條件、控制手段等均存在顯著差異，場景轉化時，輸水平穩調控難度大。例如，已開展的中線工程大流量輸水實踐表明，目前總干渠超設計流量輸水等情況下存在水流不穩的現象。

3.數字孿生中線工程提出的智慧調度要求

數字孿生賦能調度管理是水利高質量發展的重要手段，對智慧化治理具有重要意義。按照水利部推進數字孿生流域和數字孿生工程建設的總體部署，中線工程積極推進數字孿生建設工作。數字孿生南水北調中線工程建設以確保工程安全、供水安全、水質安全為原則，以提升工程數字化、網絡化、智能化水平，強化預報、預警、預演、預案功能為核心目標，實現為工程安全運行和精準調度提供智慧化決策支持。

中線工程智慧調度的重點任務是充分運用人工智能、大數據等新一代信息技術，根據調度業務需求，深度融合水利專業知識，升級監測感知、模擬推演、智能預警、實時調控功能，完善智慧調度平臺，實現快速精準的智能調度。

4.已有研究尚存在不足

目前，國內外對跨流域調水工程水資源調配、輸水控制基礎理論與應用方面開展了大量研究，已取得了不少成果。在新形勢下，已有研究成果應用于中線工程調度仍存在不足，主要包括以下四方面。

（1）水量調配方面

目前研究已從單區域尺度調配發展到跨區域調配，再到跨流域大系統調配，引入復雜性適應性理論、多目標風險分析、人工智能算法等不同分析方法，考慮多水源、多用戶、多階段、多目標、多決策主體，但理論研究轉化為生產實踐應用仍有不足。目前，在中線實時水量調度過程中，水源區與受水區水量調配相對獨立，尚未統籌水源水庫和受水區各調蓄水庫來水情況進行水量均衡調配，對用水戶需求僅考慮到分水口門，與水量精細化分配要求存在差距。

（2）輸水控制方面

研究發展經歷了經典控制、現代控制、智能控制3個主要階段，分別以比例微分積分控制算法、線性二次最優算法及模型預測控制算法為代表。中線工程輸水距離長，取水口門多，受外部不確定干擾多；沿線明渠糙率、輸水損失等水力參數存在不確定性，加上測流誤差、經驗公式計算偏差等因素影響，現有水力調控方法應用到實踐中存在控制參數難以整定、控制精準度不足、調節頻次高、容錯率低等弊端。目前中線工程采取以人工分析水情為主結合閘門遠程操控的模式，智能化調度程度仍有不足。引入多水源條件下，中線工程調度將成為多輸入、多輸出、多目標、多工況的復雜大系統，現有調度模型的性能和求解速度難以滿足實時調度要求。

（3）應急調度方面

目前可實現不同類型突發事件的快速安全處置，但缺乏實用的事故安全風險自主識別技術，不能對事故主動精準預警；應急調度多采用預案匹配方式，尚不能在模擬分析事故影響基礎上，考慮多水源條件、不同對象供水保障要求差異性等，針對性生成應急調度響應策略。

（4）現有調度系統方面

中線工程現有調度系統側重于調度管理、信息展示、輔助分析，功能性、通用性、拓展性無法適應后續工程條件變化和數字孿生建設要求，需升級完善形成與“四預”功能業務深度融合的智能決策支持平臺，直接支撐中線工程智慧調度實踐。

5.未來研究趨勢

總體來講，國內外圍繞調水工程水量調度及輸水控制的研究已經有了比較長的歷史，基于最新研究進展及工程調度實踐需求，主要呈現以下3 個方面的未來發展趨勢。

（1）水量調配方面

采用系統思維，深入研究多水源與“三生”多用水對象的復雜互饋機理，揭示水資源均衡的內涵；增強水資源配置方案和實時水量調度方案的耦合與嵌套，實現多水源實時優化調度。

（2）水力調控方面

在傳統數理機理基礎上，融合人工智能、機器學習、大數據等信息技術，考慮輸水系統與水源耦合機制，以及實際運行過程中可能出現的復雜調度場景，提出精細化的智慧調控技術體系。

（3）調度管理方面

提高調度決策支持平臺的響應速度和底層模型耦合精度，構建實用的智慧調度決策支持平臺，實現從信息化管理向智慧化管理的質的飛躍。

二、智慧調度關鍵科學技術問題

1.復雜調水系統多水源多用戶聯動互饋機制

針對復雜調水系統水資源均衡調配的通用定量描述方法缺乏問題，以及多水源難協同、多用水對象用水競爭難協調的問題，闡明水資源均衡態的內涵認知和度量方法，揭示復雜調水系統多水源-多對象用水效益轉化機制，識別復雜水系統均衡態的主要影響因子、關鍵表征指標及耦合互饋關系，解析多水源多用戶水資源均衡機制，提出“三生”多用水對象的用水競爭協調方法，為提升復雜調水系統利用效率提供科學基礎。

2.多水源時空均衡與多用戶雙層博弈的水量實時調配技術

中線水量調度以丹江口水庫蓄水、來水和各口門上報的靜態數據為依據，實時調配能力不足。針對這一問題，融合復雜因子驅動下的供需雙側水量精細化預測預報，研發多水源時空均衡與多用戶雙層博弈水量實時調配技術，開發多水源多用戶水量實時調配模型，并對模型高效求解，為輸水調控提供依據。

3.中線工程多場景輸水智慧調控技術

中線工程目前輸水調度主要依據人工先驗經驗確定閘門調整的范圍、數量、幅度和頻次，復雜場景下難以兼顧不同水力調控目標，亟須突破創新智慧調控技術。中線工程輸水系統中閘群各控制動作耦合性強，各種輸水場景的控制手段、約束條件、調控策略等差異顯著，已有的機理控制模型通常適用于中線工程部分場景，超出既定場景范疇時，調控精準度和穩定性不足。目前，自適應控制算法逐步應用于輸水系統控制研究，但采取的近似手段有一定局限性，難以在南水北調中線工程這樣的大型調水工程中應用。智能技術和自適應控制的結合可作為解決方案之一，以提高自適應控制的決策能力，但機理控制和智能技術融合的方式復雜多樣，目前在智慧調控中研究應用有待突破，亟須構建機理-數據融合的智慧調控技術和模型，實現多場景精準調控。

4.中線工程事故預警溯源與應急控制技術

中線工程總干渠輸水線路長，沿線穿越眾多河流和公路橋梁，地形地質條件復雜，風險源眾多，極端暴雨洪水、渠道滑坡、污染物入渠、設備故障、泵站停機等可能突發事故類型多，誘發因子差異大，部分事故突發性強且致災機制尚不明確，現有模型和算法難以及時準確地對事故進行預測預警?？偢汕鼐€布置各類閘站215座，一旦發生事故，在控制事故蔓延過程中可能帶來退水量偏多、部分重要用水戶供水需求無法充分保障、水位降速過快導致襯砌板破壞等不利影響，閘群精細應急調控技術有待突破。亟須研發中線事故智能預警-精準溯源-精細控制的成套技術體系，提高事故預警準確率和防控經濟性，實現全方位安全保障。

5.多模型高效集成與復用技術

中線調度決策體系集水量預報、事故預警、過程預演、調度預案生成功能于一體，需要集成各相關專業模型，模型數量多，結構復雜，關聯性強，依賴程度高，且不同場景需要多個不同類型的模型協作完成計算任務。中線工程對調度響應及時性要求高，需要開展多源異構模型的高效集成與復用技術研究，形成標準化、通用化模型服務，建立事件驅動的模型調用鏈，實現模型自主適配、靈活組裝和高效復用，滿足中線調度智能響應需求。

三、智慧調度總體思路與重點研究內容

1.總體思路

融合水文學及水資源學、水力學、運籌學、控制理論、計算機科學等多學科，采用現場調研、原型觀測、理論分析、數值仿真、工程示范等多種手段，在創新復雜調水系統多水源均衡調配方法基礎上，突破中線工程智慧調控的各項關鍵技術。以已部署的中線水量調度系統為基礎，構建智慧調度決策支持平臺，并在應用中逐步迭代更新。

2.重點研究內容

（1）復雜調水系統多水源多用水對象水資源均衡調配

在理論方法層面，在傳統的“水量-水質-水生態”一體化水資源調配理論基礎上，從水系統收支均衡、經濟社會發展均衡、生態環境負荷均衡等方面構建“多維一體”的水資源均衡態的數學表達范式，闡明水資源均衡態的內涵認知和度量方法，形成復雜調水系統水資源均衡調配方法。以構建多水源多用戶供需關系雙向拓撲網絡架構，以二元水循環模擬方法解析不同水源來水和用戶用水的時空互饋關系，揭示“三生”用水對象間用水效益協調轉化關系，探究“三生”用水對象博弈均衡的水量分配方法。

在關鍵技術層面，分析水網格局變化下水源區來水變化規律、經濟社會發展下受水區用水變化規律，研究復雜因子驅動下的供需雙側水量精細化實時預報預測方法；針對中線水量調度以丹江口水庫蓄水、來水和各口門上報的靜態數據為主的問題，研發多水源時空均衡與多用戶雙層博弈的水量實時調配技術，開發多水源多用戶水量實時調配模型，并提出優化求解方法。

（2）中線工程多場景輸水智慧調控技術

在智慧化模擬方面，研發中線工程復雜調度過程的智能高效預演技術，快速生成閘群調控后水流變化過程，支撐調度方案優選。構建南水北調中線工程全線范圍的數值仿真模型，推演大量輸水場景下的水動力響應過程，并作為先驗知識；綜合采用仿真數據和實時調度數據，通過機理分析、數據挖掘等途徑，定量刻畫閘群調控后的水流運動變化規律，形成數值模擬和AI技術結合的輸水調度過程高效預演技術，為調控策略實施效果分析提供基礎。

在智慧化決策方面，首先，針對中線工程目前在超設計流量輸水工況下的水流不平穩問題，攻克大流量輸水閘群協同平穩控制技術。研究測流誤差、監測設備故障、斷電跳變等不確定擾動下的中線總干渠各渠段的目標水位區間，提出中線工程超設計流量輸水場景下的運行控制方式，提出參控建筑物的安全調整閾值，提出超設計流量輸水場景下、多口門需求調整等任務下的閘群協同控制策略和控制規則，實現大流量輸水過程整體調控效果最優。然后，分輸水時段、空間位置、調度任務多場景，創新多輸水場景精細化智慧調控技術?；谥芯€總干渠水動力響應關系，提出輸水場景主動識別方法；系統分析中線一期工程通水以來的輸水調度指令及工程運行實測數據，學習各輸水場景下的歷史調度方案，建立閘群調控經驗策略與水工雨情監測數據的映射關系，構建中線總干渠輸水調度知識圖譜；研究適用于中線工程輸水調度機理模型和數據驅動算法的高效可靠融合方式，構建機理和經驗融合的輸水控制規則庫。最后，研究提出具有時變特征的水力參數在線校正技術（水力參數包括渠道綜合糙率、閘門流量系數、輸水損失系數等），提出輸水系統控制器參數的自適應優化方法，建立運行數據-輸水場景-控制策略-控制參數的匹配關系。研究不同輸水場景下運行控制方式的協調性，優化中線工程不同輸水場景間調度方案的切換邊界，研發融合機理模型和數據驅動算法的中線工程多場景輸水智慧調控模型，實現實時精準調度。

（3）多因子驅動的中線輸水系統事故智能預警與精細控制技術

首先，基于目前已開展的各項南水北調中線工程風險評估成果，梳理中線工程運行調度風險源，識別風險因子，建立典型風險事故案例庫；耦合多源信息數據，采用敏感性分析、信號模態分解、案例推理、機器學習算法等方法，分析事故關鍵參數之間的內在聯系機制，揭示中線輸水系統事故誘發因子耦合聯系機制；識別風險事故關鍵風險因子，并判定安全閾值，研發多因子驅動的中線輸水系統風險事故快速預測預警技術和模型。

其次，分析中線輸水系統多水源與總干渠之間的拓撲關系和應急供水能力，考慮各水源的供水能力、調節特性、總干渠輸水條件等因素，根據突發事故類型和發生部位，確定多水源聯合應急水量調度方案。在應急水量輸出指導下，研究考慮實時水動力條件、總干渠分區、事故分類分級的應急精細控制技術，研發中線輸水系統突發事故下的多目標優化應急調度模型。

最后，綜合形成多因子驅動的中線輸水系統事故智能預警與精細控制成套技術，構建應急調度預案知識庫，實現全天候、全方位的供水安全保障。

（4）中線工程智慧調度決策支持平臺

針對中線調度監測站網覆蓋不充分、監測智能化程度不高，對采集數據的清洗和融合不足，無法支撐精細精準化調度業務需求的問題，開展水情監測感知站網優化和多源數據融合質控研究。開展中線現有流量計安裝位置合理性評估，研究提出水情監測設施布置優化方案，提升水情監測時空精細化程度；研究北斗、遙感影像、無人機等新型監測手段，人工智能等新技術，以及接觸式與非接觸式監測技術相結合的多維感知方式在中線工程的應用，提出空天地一體化智能監測感知體系建設方案。提出調度數據圖譜構建方法，建立不同監測方式獲得的數據之間的復雜關系，高效整合來自不同數據源的信息；提出多源監測數據的自動校正方法和集成管理方法。

制定統一的接口標準，采用組件化、微服務技術對模型進行標準化封裝，形成通用模型服務供第三方調用。解析模型間關聯關系，建立基于事件驅動的模型調用鏈；研發模型的插拔式高效復用技術，實現多模型靈活組裝和自主適配。研發高維信息可視化、沉浸式虛擬現實交互技術，開發調度業務化模塊與調度模型高效管理方式，研發深度融合各項業務功能的中線工程智慧調度決策支持平臺。在平臺應用過程中，對各項功能不斷迭代升級，支撐高效決策實踐。

四、結論與展望

南水北調中線工程是緩解我國北方地區水資源短缺的重大戰略性基礎設施，是國家水網的重要組成部分。進入新發展階段，智慧水利建設是新時期治水的必然選擇。南水北調中線工程智慧調度是支撐中線工程高質量發展的重要途徑。本文結合南水北調中線工程調度實際和后續高質量發展需求，以提升中線工程供水保障程度與智慧調控水平為總目標，從水量調度、水力調控、調度系統等方面對中線調度關鍵科學技術問題進行分析，提出要在研究復雜調水系統多水源多用戶水資源均衡調配方法基礎上，研發復雜調水系統水資源實時調配技術、中線輸水系統事故快速預測-精準溯源-精細控制技術體系、中線工程多場景輸水智慧調控技術和專業模型，構建深度融合“四預”功能的決策支持平臺，形成中線工程調度的科學決策管理模式，為國家水網重大工程智慧調度管理提供科學應用范式。