新形势下南水北调中线工程智慧调度的研究框架思考

吴永妍，陈晓楠，陈根发，段文刚，黄会勇，冯志勇

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，430010，武汉；2.中国南水北调集团中线有限公司，100038，北京；3.中国水利水电科学研究院，100038，北京；4.长江水利委员会长江科学院，430010，武汉)

一、研究背景

南水北调中线工程是国家水网的重要组成部分，事关战略全局、事关长远发展、事关人民福祉。根据《南水北调工程总体规划（2002年）》，到2050年南水北调工程多年平均年调水规模448亿m3，其中中线工程调水规模130亿m3，分两期实施，先期实施的中线一期工程多年平均年调水量95亿m3，供水范围涉及京津冀豫。中线工程以明渠为主，跨越江淮黄海四大流域，全长1432 km，沿线布置各类建筑物2385座，渠首设计流量350 m3s，加大流量420 m3s。工程2014 年12 月12日建成通水以来，调水量不断增加，截至2023年11月13 日，累计调水超600 亿m3，其中向北方河流生态补水约95亿m3，京津冀豫四省份直接受益人口超过1.08亿，发挥了巨大的经济社会效益和生态效益。

进入新阶段，水利部提出加快构建具有“四预”功能的智慧水利体系。2023 年5 月25 日，中共中央、国务院印发的《国家水网建设规划纲要》明确提出了“提升水网调度管理智能化水平”的要求。南水北调工程作为国家水网的重要组成部分，已被列入水利部重点推进的11项数字孪生水利工程之一。实施南水北调中线工程智慧调度，对国家水网重大工程智慧调度管理实践具有重要指导意义。南水北调中线工程智慧调度应结合中线通水以来的运行条件变化和新任务，针对新形势下中线工程调度的特点及难点，考虑中线后续高质量发展需求和任务，开展针对性部署研究。

1.中线工程通水运行条件变化和新任务

中线工程通水运行9年多以来，受水区、水源区经济社会发展，水资源条件也发生变化，运行的外部条件面临着较大变化，工程调度面临着新任务，主要包括以下四点。

（1）供水范围和供水对象进一步拓展

随着京津冀协同发展战略实施和城乡供水一体化工作推进，南水北调中线一期工程实际供水范围在原规划设计的基础上有所扩大，目前已通水的扩大范围涉及河南省13个县级行政区、河北省12个县级行政区。

（2）供水安全保障要求进一步提升

在规划设计阶段，中线一期工程的定位是受水区的补充水源。近年来，受水区各省份在实际调度运用过程中将水质优良的北调水主要用于城市生活供水，中线北调水在受水区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线北调水。例如，中线一期工程承担了受水区郑州、北京、天津、石家庄等城市主城区70%以上的供水量。

（3）多次实施渠首超设计流量运行工作

新形势下，中线工程除尽可能充分满足用水户需求外，还肩负着择机进行生态补水的重任。2020年至今，中线总干渠多次实施陶岔渠首超设计流量运行工作。例如，2022年5月1日至6月28日，结合丹江口水库上游来水情况和地方需求，中线工程开展了渠首超设计流量的大流量输水工作，这期间陶岔最大入渠流量为400 m3s，累计供水18.89 亿m3，其中，口门供水11.92亿m3，生态补水6.97亿m3。总干渠大流量输水时，沿线渠道运行水位高，调蓄空间和容错能力降低，部分退水闸参与正常调度。

（4）后续工程建成后输水条件将大幅度改变

中线后续水源工程——引江补汉工程建成通水后，中线工程多年平均年北调水量将达到115.1亿m3，届时中线总干渠大流量输水时段将大幅度延长，各段超设计流量运行时段占总时段的比例将由原规划的10%左右增加至60%以上，输水工程长年以高水位运行，沿线节制闸几乎丧失调控能力，总干渠的运行调度灵活性大幅度下降，现有的总干渠调度控制方式将不再适用。

2.新形势下中线工程调度的特点及难点

新形势下，南水北调中线工程是一个多用水对象、多调控目标、多输水场景的复杂调水系统，调度具有以下特点及难点。

（1）多用水对象

中线工程向沿线京津冀豫14座大中型城市的217个区县供应生活、生产用水。随着生态文明建设推进，中线工程的生态补水量逐年增加。生活、生产、生态“三生”对象用水需求表现出显著的时空博弈特征。与此同时，中线水源供水不稳定，丹江口水库来水不均，年际变化较大，当汉江遭遇特枯年份或连续枯水年，丹江口水库可调水量偏少，调配能力较弱，中线可供水量的稳定性存在一定风险。中线一期工程水源供水保障能力与受水区人民群众对优质水源稳定供给需求存在矛盾，多用水对象均衡调配难度大。

（2）多调控目标

中线输水系统水力调控是一个复杂的多目标决策问题，要统筹考虑对用水户需求的响应时间、沿线水位波动幅度、闸门操作频次等要素，对大流量输水过程还要特别考虑达到稳定状态的过渡时间、流量变化控制范围等因素。大规模串联系统调控动作与水力响应间存在强滞后性，加上中线工程沿线无在线调蓄水库、渠段本身蓄量有限，输水系统调控响应速度与水流稳定性、局部快速响应与系统整体稳定性、控制精度与闸门调整频次等多调控目标协同难度大。

（3）多输水场景

中线工程运行工况复杂，全年度输水过程中，要经历冬季冰期输水、不断水检修、超设计流量输水等特殊调度过程，还可能面临各种突发事件下的应急调度场景。从调度目标上讲，不仅存在各类分水流量发生变化的工况，还经常出现按照用户需要调整渠道水位的工况需求，即要完成供水流量调整、目标水位调整、流量和水位同时调整等场景。不同输水场景下的控制约束条件、控制手段等均存在显著差异，场景转化时，输水平稳调控难度大。例如，已开展的中线工程大流量输水实践表明，目前总干渠超设计流量输水等情况下存在水流不稳的现象。

3.数字孪生中线工程提出的智慧调度要求

数字孪生赋能调度管理是水利高质量发展的重要手段，对智慧化治理具有重要意义。按照水利部推进数字孪生流域和数字孪生工程建设的总体部署，中线工程积极推进数字孪生建设工作。数字孪生南水北调中线工程建设以确保工程安全、供水安全、水质安全为原则，以提升工程数字化、网络化、智能化水平，强化预报、预警、预演、预案功能为核心目标，实现为工程安全运行和精准调度提供智慧化决策支持。

中线工程智慧调度的重点任务是充分运用人工智能、大数据等新一代信息技术，根据调度业务需求，深度融合水利专业知识，升级监测感知、模拟推演、智能预警、实时调控功能，完善智慧调度平台，实现快速精准的智能调度。

4.已有研究尚存在不足

目前，国内外对跨流域调水工程水资源调配、输水控制基础理论与应用方面开展了大量研究，已取得了不少成果。在新形势下，已有研究成果应用于中线工程调度仍存在不足，主要包括以下四方面。

（1）水量调配方面

目前研究已从单区域尺度调配发展到跨区域调配，再到跨流域大系统调配，引入复杂性适应性理论、多目标风险分析、人工智能算法等不同分析方法，考虑多水源、多用户、多阶段、多目标、多决策主体，但理论研究转化为生产实践应用仍有不足。目前，在中线实时水量调度过程中，水源区与受水区水量调配相对独立，尚未统筹水源水库和受水区各调蓄水库来水情况进行水量均衡调配，对用水户需求仅考虑到分水口门，与水量精细化分配要求存在差距。

（2）输水控制方面

研究发展经历了经典控制、现代控制、智能控制3个主要阶段，分别以比例微分积分控制算法、线性二次最优算法及模型预测控制算法为代表。中线工程输水距离长，取水口门多，受外部不确定干扰多；沿线明渠糙率、输水损失等水力参数存在不确定性，加上测流误差、经验公式计算偏差等因素影响，现有水力调控方法应用到实践中存在控制参数难以整定、控制精准度不足、调节频次高、容错率低等弊端。目前中线工程采取以人工分析水情为主结合闸门远程操控的模式，智能化调度程度仍有不足。引入多水源条件下，中线工程调度将成为多输入、多输出、多目标、多工况的复杂大系统，现有调度模型的性能和求解速度难以满足实时调度要求。

（3）应急调度方面

目前可实现不同类型突发事件的快速安全处置，但缺乏实用的事故安全风险自主识别技术，不能对事故主动精准预警；应急调度多采用预案匹配方式，尚不能在模拟分析事故影响基础上，考虑多水源条件、不同对象供水保障要求差异性等，针对性生成应急调度响应策略。

（4）现有调度系统方面

中线工程现有调度系统侧重于调度管理、信息展示、辅助分析，功能性、通用性、拓展性无法适应后续工程条件变化和数字孪生建设要求，需升级完善形成与“四预”功能业务深度融合的智能决策支持平台，直接支撑中线工程智慧调度实践。

5.未来研究趋势

总体来讲，国内外围绕调水工程水量调度及输水控制的研究已经有了比较长的历史，基于最新研究进展及工程调度实践需求，主要呈现以下3 个方面的未来发展趋势。

（1）水量调配方面

采用系统思维，深入研究多水源与“三生”多用水对象的复杂互馈机理，揭示水资源均衡的内涵；增强水资源配置方案和实时水量调度方案的耦合与嵌套，实现多水源实时优化调度。

（2）水力调控方面

在传统数理机理基础上，融合人工智能、机器学习、大数据等信息技术，考虑输水系统与水源耦合机制，以及实际运行过程中可能出现的复杂调度场景，提出精细化的智慧调控技术体系。

（3）调度管理方面

提高调度决策支持平台的响应速度和底层模型耦合精度，构建实用的智慧调度决策支持平台，实现从信息化管理向智慧化管理的质的飞跃。

二、智慧调度关键科学技术问题

1.复杂调水系统多水源多用户联动互馈机制

针对复杂调水系统水资源均衡调配的通用定量描述方法缺乏问题，以及多水源难协同、多用水对象用水竞争难协调的问题，阐明水资源均衡态的内涵认知和度量方法，揭示复杂调水系统多水源-多对象用水效益转化机制，识别复杂水系统均衡态的主要影响因子、关键表征指标及耦合互馈关系，解析多水源多用户水资源均衡机制，提出“三生”多用水对象的用水竞争协调方法，为提升复杂调水系统利用效率提供科学基础。

2.多水源时空均衡与多用户双层博弈的水量实时调配技术

中线水量调度以丹江口水库蓄水、来水和各口门上报的静态数据为依据，实时调配能力不足。针对这一问题，融合复杂因子驱动下的供需双侧水量精细化预测预报，研发多水源时空均衡与多用户双层博弈水量实时调配技术，开发多水源多用户水量实时调配模型，并对模型高效求解，为输水调控提供依据。

3.中线工程多场景输水智慧调控技术

中线工程目前输水调度主要依据人工先验经验确定闸门调整的范围、数量、幅度和频次，复杂场景下难以兼顾不同水力调控目标，亟须突破创新智慧调控技术。中线工程输水系统中闸群各控制动作耦合性强，各种输水场景的控制手段、约束条件、调控策略等差异显著，已有的机理控制模型通常适用于中线工程部分场景，超出既定场景范畴时，调控精准度和稳定性不足。目前，自适应控制算法逐步应用于输水系统控制研究，但采取的近似手段有一定局限性，难以在南水北调中线工程这样的大型调水工程中应用。智能技术和自适应控制的结合可作为解决方案之一，以提高自适应控制的决策能力，但机理控制和智能技术融合的方式复杂多样，目前在智慧调控中研究应用有待突破，亟须构建机理-数据融合的智慧调控技术和模型，实现多场景精准调控。

4.中线工程事故预警溯源与应急控制技术

中线工程总干渠输水线路长，沿线穿越众多河流和公路桥梁，地形地质条件复杂，风险源众多，极端暴雨洪水、渠道滑坡、污染物入渠、设备故障、泵站停机等可能突发事故类型多，诱发因子差异大，部分事故突发性强且致灾机制尚不明确，现有模型和算法难以及时准确地对事故进行预测预警。总干渠沿线布置各类闸站215座，一旦发生事故，在控制事故蔓延过程中可能带来退水量偏多、部分重要用水户供水需求无法充分保障、水位降速过快导致衬砌板破坏等不利影响，闸群精细应急调控技术有待突破。亟须研发中线事故智能预警-精准溯源-精细控制的成套技术体系，提高事故预警准确率和防控经济性，实现全方位安全保障。

5.多模型高效集成与复用技术

中线调度决策体系集水量预报、事故预警、过程预演、调度预案生成功能于一体，需要集成各相关专业模型，模型数量多，结构复杂，关联性强，依赖程度高，且不同场景需要多个不同类型的模型协作完成计算任务。中线工程对调度响应及时性要求高，需要开展多源异构模型的高效集成与复用技术研究，形成标准化、通用化模型服务，建立事件驱动的模型调用链，实现模型自主适配、灵活组装和高效复用，满足中线调度智能响应需求。

三、智慧调度总体思路与重点研究内容

1.总体思路

融合水文学及水资源学、水力学、运筹学、控制理论、计算机科学等多学科，采用现场调研、原型观测、理论分析、数值仿真、工程示范等多种手段，在创新复杂调水系统多水源均衡调配方法基础上，突破中线工程智慧调控的各项关键技术。以已部署的中线水量调度系统为基础，构建智慧调度决策支持平台，并在应用中逐步迭代更新。

2.重点研究内容

（1）复杂调水系统多水源多用水对象水资源均衡调配

在理论方法层面，在传统的“水量-水质-水生态”一体化水资源调配理论基础上，从水系统收支均衡、经济社会发展均衡、生态环境负荷均衡等方面构建“多维一体”的水资源均衡态的数学表达范式，阐明水资源均衡态的内涵认知和度量方法，形成复杂调水系统水资源均衡调配方法。以构建多水源多用户供需关系双向拓扑网络架构，以二元水循环模拟方法解析不同水源来水和用户用水的时空互馈关系，揭示“三生”用水对象间用水效益协调转化关系，探究“三生”用水对象博弈均衡的水量分配方法。

在关键技术层面，分析水网格局变化下水源区来水变化规律、经济社会发展下受水区用水变化规律，研究复杂因子驱动下的供需双侧水量精细化实时预报预测方法；针对中线水量调度以丹江口水库蓄水、来水和各口门上报的静态数据为主的问题，研发多水源时空均衡与多用户双层博弈的水量实时调配技术，开发多水源多用户水量实时调配模型，并提出优化求解方法。

（2）中线工程多场景输水智慧调控技术

在智慧化模拟方面，研发中线工程复杂调度过程的智能高效预演技术，快速生成闸群调控后水流变化过程，支撑调度方案优选。构建南水北调中线工程全线范围的数值仿真模型，推演大量输水场景下的水动力响应过程，并作为先验知识；综合采用仿真数据和实时调度数据，通过机理分析、数据挖掘等途径，定量刻画闸群调控后的水流运动变化规律，形成数值模拟和AI技术结合的输水调度过程高效预演技术，为调控策略实施效果分析提供基础。

在智慧化决策方面，首先，针对中线工程目前在超设计流量输水工况下的水流不平稳问题，攻克大流量输水闸群协同平稳控制技术。研究测流误差、监测设备故障、断电跳变等不确定扰动下的中线总干渠各渠段的目标水位区间，提出中线工程超设计流量输水场景下的运行控制方式，提出参控建筑物的安全调整阈值，提出超设计流量输水场景下、多口门需求调整等任务下的闸群协同控制策略和控制规则，实现大流量输水过程整体调控效果最优。然后，分输水时段、空间位置、调度任务多场景，创新多输水场景精细化智慧调控技术。基于中线总干渠水动力响应关系，提出输水场景主动识别方法；系统分析中线一期工程通水以来的输水调度指令及工程运行实测数据，学习各输水场景下的历史调度方案，建立闸群调控经验策略与水工雨情监测数据的映射关系，构建中线总干渠输水调度知识图谱；研究适用于中线工程输水调度机理模型和数据驱动算法的高效可靠融合方式，构建机理和经验融合的输水控制规则库。最后，研究提出具有时变特征的水力参数在线校正技术（水力参数包括渠道综合糙率、闸门流量系数、输水损失系数等），提出输水系统控制器参数的自适应优化方法，建立运行数据-输水场景-控制策略-控制参数的匹配关系。研究不同输水场景下运行控制方式的协调性，优化中线工程不同输水场景间调度方案的切换边界，研发融合机理模型和数据驱动算法的中线工程多场景输水智慧调控模型，实现实时精准调度。

（3）多因子驱动的中线输水系统事故智能预警与精细控制技术

首先，基于目前已开展的各项南水北调中线工程风险评估成果，梳理中线工程运行调度风险源，识别风险因子，建立典型风险事故案例库；耦合多源信息数据，采用敏感性分析、信号模态分解、案例推理、机器学习算法等方法，分析事故关键参数之间的内在联系机制，揭示中线输水系统事故诱发因子耦合联系机制；识别风险事故关键风险因子，并判定安全阈值，研发多因子驱动的中线输水系统风险事故快速预测预警技术和模型。

其次，分析中线输水系统多水源与总干渠之间的拓扑关系和应急供水能力，考虑各水源的供水能力、调节特性、总干渠输水条件等因素，根据突发事故类型和发生部位，确定多水源联合应急水量调度方案。在应急水量输出指导下，研究考虑实时水动力条件、总干渠分区、事故分类分级的应急精细控制技术，研发中线输水系统突发事故下的多目标优化应急调度模型。

最后，综合形成多因子驱动的中线输水系统事故智能预警与精细控制成套技术，构建应急调度预案知识库，实现全天候、全方位的供水安全保障。

（4）中线工程智慧调度决策支持平台

针对中线调度监测站网覆盖不充分、监测智能化程度不高，对采集数据的清洗和融合不足，无法支撑精细精准化调度业务需求的问题，开展水情监测感知站网优化和多源数据融合质控研究。开展中线现有流量计安装位置合理性评估，研究提出水情监测设施布置优化方案，提升水情监测时空精细化程度；研究北斗、遥感影像、无人机等新型监测手段，人工智能等新技术，以及接触式与非接触式监测技术相结合的多维感知方式在中线工程的应用，提出空天地一体化智能监测感知体系建设方案。提出调度数据图谱构建方法，建立不同监测方式获得的数据之间的复杂关系，高效整合来自不同数据源的信息；提出多源监测数据的自动校正方法和集成管理方法。

制定统一的接口标准，采用组件化、微服务技术对模型进行标准化封装，形成通用模型服务供第三方调用。解析模型间关联关系，建立基于事件驱动的模型调用链；研发模型的插拔式高效复用技术，实现多模型灵活组装和自主适配。研发高维信息可视化、沉浸式虚拟现实交互技术，开发调度业务化模块与调度模型高效管理方式，研发深度融合各项业务功能的中线工程智慧调度决策支持平台。在平台应用过程中，对各项功能不断迭代升级，支撑高效决策实践。

四、结论与展望

南水北调中线工程是缓解我国北方地区水资源短缺的重大战略性基础设施，是国家水网的重要组成部分。进入新发展阶段，智慧水利建设是新时期治水的必然选择。南水北调中线工程智慧调度是支撑中线工程高质量发展的重要途径。本文结合南水北调中线工程调度实际和后续高质量发展需求，以提升中线工程供水保障程度与智慧调控水平为总目标，从水量调度、水力调控、调度系统等方面对中线调度关键科学技术问题进行分析，提出要在研究复杂调水系统多水源多用户水资源均衡调配方法基础上，研发复杂调水系统水资源实时调配技术、中线输水系统事故快速预测-精准溯源-精细控制技术体系、中线工程多场景输水智慧调控技术和专业模型，构建深度融合“四预”功能的决策支持平台，形成中线工程调度的科学决策管理模式，为国家水网重大工程智慧调度管理提供科学应用范式。