问题描述

大型调水工程是解决缺水地区水资源短缺问题，实现水资源优化配置的重大战略性基础设施。据不完全统计，目前世界上至少有40个国家和地区修建了350多项调水工程。其中，我国已建或在建调水工程超过130项，包括南水北调、引汉济渭、引江济淮等大型跨流域调水工程。历史实践表明：调水工程能够极大改善受水区的用水紧张局面，对国家社会、经济、生态环境的可持续发展都有显著的推动作用。

输水调度是调水工程在运行期的核心业务，其直接决定了工程的运行安全与输水效率，进而影响工程各方面效益的充分发挥。现阶段，工程运行过程面临着诸多现实挑战，主要可概括为感知不清、预报不准、决策不明、管控低效等关键工程问题。上述问题反映了工程现阶段调度手段与“无人值班、少人值守”终极调度目标之间的矛盾，其本质是对调水工程智慧调控的迫切需求。因此，亟需解决大型调水工程的智慧调控这一关键工程技术难题。

按照输水载体的不同，调水工程可以分为明渠调水系统和管道调水系统两种类型。输水距离长、建筑物类型多样且数量众多是明渠调水工程的典型特点。上述特点使得工程主要面临如下问题：在感知层面，设备故障、天气条件、人为干预等多种因素使得海量监测数据必然存在各种质量问题，降低了数据的完整性和准确性。多个监测站点间系统误差的存在又进一步降低了数据的一致性。在预报层面，传统的经验预测无法应对突发或异常因素干扰，而机理模型在多建筑物动态扰动下难以保证预报精度。透彻感知和精准预测是调水工程生成未来调度方案或实时控制指令的基础。在决策层面，工程现阶段采用的人工调度模式为非最优调控方案，容易引起“二次调控”现象，经典调控算法又存在调节频次高、实用性差等问题。若调控不当，极易引起渠道漫溢、泵站前池抽空等现象，危及工程安全。在管控层面，应用系统安全防护能力弱、调度人员劳动强度大、调控过程自动化水平低等突出问题使得调水工程在人员、业务、设备等方面的管理难度极大。

封闭式管道（或隧洞）调水系统通常包括泵站、闸门、调节池、空气阀、泄压阀、调压室等多种水力特性不同的设备设施。闸泵阀群的正常调度操作以及水泵事故停机、泵后阀拒动等事故工况，都会导致复杂的水力瞬变，引起调水系统流量、管道压力、隧洞水位、机组转速等水情状态的剧烈变化。例如，在有压管道输水时，由于水流状态变化可产生波速高达1000m/s的压力波，最大瞬时压力可能达到运行压力的数倍甚至数十倍，远远超过管道的承受能力，从而引发管道破裂、阀门损坏等灾难性事故；最小压力又可能降至环境温度下水体的汽化压力，使管道出现局部真空状态，进而可能引发管道压瘪、坍塌，或引发水柱分离和弥合现象，造成严重的破坏。随着工程规模的加大，水力机械装置和输水系统的结构复杂度随之增加，进行全系统瞬变流仿真时的数据量和计算量也随之大幅上涨。在进行水锤防护措施优化以及对长距离调水系统的实时控制或优化调度时，不同设定条件下瞬变流过程的大量重复模拟使得计算时间进一步增长。上述工程问题是管道调水系统智慧调控需求的具体体现，对工程的安全与高效运行提出了挑战。

由此可见，无论是明渠调水系统还是管道调水系统，均需解决智慧调控这一工程技术难题，为调水工程的安全调控与高效运行提供决策支撑。

问题背景

调水工程的智慧调控是水利行业现阶段生产水平与实际需求相互博弈的产物。在调水工程的运行调度方面，已有学术研究主要针对历史过程或设定情景展开，无法满足实时精准决策需求。在明渠调水系统中，受感知水平、预测精度等因素限制，决策方案往往仅能应对确定性边界，无法适应边界条件动态变化的情景。在管道调水系统中，现阶段的模型运行效率决定了仅能对一些特定工况开展离线的计算、分析、研究，且在建模分析时大量假设与工程竣工的实际参数有所偏差。加之工程验收时，一般只能做到管道静压试验，模型校核和极端工况实验缺乏，瞬态调度过程难以实现智能优化调度，无法满足实际调控需求。另外，管道有压调水系统水锤问题突出，安全性要求高、调控难度大，其复杂性体现在工程运行过程具有水力脆弱性和鲁棒性，在调度执行瞬态过程的瞬变流具有多变量、多参数耦合的特点。

近年来，随着计算机技术和工业制造技术的快速发展，调水工程的工业化、自动化水平得到了明显提升。水情、工情监测设备已具备实时采集、处理、分析、传输等基本功能，闸泵设施已实现现地自动控制或初步具备远程控制能力。上述设备设施明显改善了调水工程的运行调度水平，但调度决策的多个关键环节仍然需要人工干预。水利行业对调水工程智慧调控的迫切需求由此应运而生。

最新进展（截止问题发布年度）

近年来，国内外学者针对大型调水工程的运行调度开展了大量的研究，初步形成了以传统水文、水资源、水力学等机理模型为主的研究成果体系。而一线调度管理人员通过长期的工程实践，形成了以人工经验主导的应用成果体系。

在明渠调水工程运行调度方面，建筑物动态调控、分退水边界扰动、水量自然蒸发渗漏、数值模型概化过度等因素打破了已有研究体系的确定性假设，导致研究成果无法精细指导工程调度。人工经验形成的应用体系往往又缺少理论支撑，仅能适应简单常规工况调控需求，难以满足复杂、突发扰动下的安全调控需求。“十三五”国家重点研发计划“水资源高效开发利用”重点专项中研究了长距离调水工程闸泵阀系统安全运行方面的关键问题，如水力多过程耦合模拟与仿真、系统健康诊断与安全控制，多针对局部工程或单一问题展开，仅能适应局部调水单元的安全运行与调控，已无法适应大型调水工程多目标、多尺度、多要素的发展趋势，难以满足复杂调水系统的安全需求和智慧化调控。

在管道调水工程运行调度方面，瞬变流的基础理论及计算方法研究已取得了显著的成果，同时积累了宝贵的工程经验。但限于计算能力，对于瞬变流计算速度的研究以及基于瞬变流的实时优化调控的研究较为薄弱，大部分工作都以设计情景为条件，距离实时应用还有很大距离，亟需探索高性能计算与瞬变流计算等方面的深度融合，实现真正意义上的实时优化决策。

重要意义

调水工程的智慧调控解决了调水工程的跨学科、多领域的多系统集成难题，满足了对调水工程优化水资源配置的功能要求和新一代信息技术在监测、预警、控制等方面的应用“短板”。

调水工程是优化水资源配置战略格局和提高水利保障能力的重要途径，也是未来一段时间我国水利工程建设和发展的重要方向。解决大型调水工程的智慧调控这一关键工程技术难题，能够提高调水工程的自动化水平，降低调度人员劳动强度，进而实现“无人值班、少人值守”的智慧调水目标。实现调水工程智慧调控对保障工程的安全与高效运行，以及充分发挥工程社会、经济、生态、环境各方面效益具有重要现实意义。

21世纪以来，我国的东深供水、引江济太、南水北调等大型调水工程相继建成通水。2014年5月，国务院常务会议又明确提出，要在2020年前分步建设172项全局性、战略性节水供水重大水利工程，其中包括24项跨流域调水工程。实现大型调水工程的智慧调控，对国内同类工程的安全运行具有很好的借鉴意义和推广价值。与各类水利工程相似，调水工程也是由水流和建筑物共同组成的输水系统。调水工程的智慧调控理论、方法在平原河网、城市水系、梯级水库等各类水利工程的运行调度同样具有重要的推广应用价值。