浙江省椒江流域洪水預警預報系統的總體設計

曾鋼鋒，楊德全

（臺州市水利水電勘測設計院有限公司，浙江 臺州 318000）

1 引言

椒江流域位于浙江中部沿海，東接臺州灣，南西北分別同甌江、浦陽江、曹娥江等流域相毗鄰。流域范圍主要包括臺州和臨海市，總面積6 603 km2。椒江流域地形西高東低，地勢自西向東傾斜，流入東海。流經仙居縣全部，臨海市、天臺縣、臺州市區黃巖區和椒江區的大部，縉云縣、磐安縣、新昌縣的一部分，共8個縣(市、區)，23個街道、36個鎮、25個鄉。

隨著全球氣候變化的影響加劇，臺風、暴雨等水災害越來越頻繁，臺州地區近海，臺風影響較大，汛期時常發生暴雨、洪水等災害，對流域人民群眾生命財產安全及社會經濟發展帶來嚴重威脅。

本文著重對椒江流域的洪水預警預報進行總體設計，包括各個水庫樞紐工程系統設計、干流洪水預警預報設計等。

2 總體框架設計

椒江流域洪水預報方案的總體框架是以水雨情的實時監測數據為基礎，以地理信息系統為框架，以成熟穩定的計算手段為支撐，建立覆蓋椒江流域的水文水動力數學模型，考慮河口風暴潮以及水庫、閘站工程群調度[1]，并通過通用數據接口接入實時交互數據，對椒江流域洪水進行預報。本次設計要符合浙江省數字化改革的要求，符合浙江省水利數據資源目錄的設計標準[2]。

圖1 邏輯結構圖

作為臺州水管理平臺市級自建模塊之一，需要按數據資源體系、預報調度模型支撐體系、業務應用體系3大體系開展研發工作。

3 系統詳細設計

3.1 數據資源層

數據資源層即數據存儲和數據處理平臺，基于關系數據庫存儲結構化觀測和預報資料，通過數據采集、文件采集、網絡采集和共享各類水文、氣象、工情、調度方案等信息，在此之上構建基于時間索引、空間索引和要素索引的大數據服務。本設計涉及的數據資源主要包括3種類型[3]。

（1）基礎數據庫信息

根據臺州市水管理平臺實施方案，水管理平臺統一負責與省、縣兩級水利部門縱向協同共享交換，實現與生態環境部門、交通運輸部門、自然資源部門、氣象部門等跨行業數據共享。實時雨水情數據庫、實時工情監測業務動態庫、實時監測業務動態庫、水文整編數據庫、多媒體數據庫、地理空間數據庫等基礎數據庫表由臺州水管理平臺統一建設。作為水管平臺的自建模塊，直接通過水管平臺接口調用所需的數據信息[4]。

（2）測量數據

河道水下地形、大斷面、蓄滯洪區地形等基本資料，無需在系統平臺發布。物聯網實時監測數據通過平臺接口直接寫入實時工情監測業務動態庫。

（3）預報調度方案輸出數據

洪水預報計算條件復雜，預報調度計算方案組合繁多，輸出數據高達TB量級，高密度、大容量數據不適合放入數據庫，擬將輸出數據直接保存在計算服務器端，按照調度規則和方案計算時間管理不同方案的輸出數據。

3.2 預報模型層

根據椒江流域自然地理和暴雨洪水特性的分析，并考慮水利工程運行的影響，在編制流域控制斷面水文預報方案時，模型應遵循實用、先進原則，在滿足《水文情報預報規范》（GB/T22482-2008）規定的發布要求的同時，充分利用現有水文資料以及氣象預報信息，以提高精度和延長預見期[5]。

模型系統是洪水預報調度平臺的支撐體系，根據椒靈江流域河網特性，構建河網洪水預報調度一體化模型，通過WebServices接口為業務應用層提供模型服務。模型內容包括：

（1）多源數據融合的河道、河口和海洋二維水動力耦合模型[6]。

（2）氣象水文工情數據驅動的流域洪水演進虛擬仿真模型[7]。

（3）平原河網水文水動力耦合模型[8]。

（4）水利工程聯合調度及優化模型等[9]。

針對椒靈江流域的特性，構建全流域耦合模型。上游山區降雨產水作為上游來水邊界，下游椒江口潮位作為潮位邊界。在椒江流域基礎資料搜集完備基礎上，椒江干支流等山區采用新安江模型進行產流計算，通過馬斯京根法計算匯流至各個水庫，通過水庫模型的構建，水流調度至椒江干支流一維河網進行洪水演算。大田平原、義城港平原以及東部平原等平原地區采用4種下墊面計算產流，通過單位線的方式匯流至平原一維河網，同時構建閘壩模型對水利工程的影響進行模擬計算，并構建區域二維模型，對流域易澇區的淹沒情況進行模擬。模型系統架構如圖2所示。

圖2 模型系統架構圖

模型主要任務是為洪水預報調度模型的構建以及實時運行服務：

（1）洪水預報調度模型

1）構建降雨徑流模塊。需要更新收集最新下墊面空間分布信息及DEM數據，重新選取率定平原區產流及匯流單位線參數，準確模擬水流交互運動情況；利用最新資料成果對模型關鍵參數進行率定驗證，提高河道水量產匯流計算精度。

2）構建河網水動力模型：細化河網，結合區域水庫及閘站實際調度運行規則，開發適用于椒江流域的水量預警預報實時校正技術，開展實例分析，確保預報模擬計算的穩定性，實現河網水位水量的實時預警預報模擬，提高預報精度，支撐閘泵調度規則的自定義配置，實現不同調度運行方案下，水系排澇調度效果。

（2）預報調度模型運行服務平臺

平臺服務層主要為實現模型有效整合和預報調度模型對上層Web應用的服務支撐功能，模型運行服務平臺實現降雨產流模型、水動力模型的整合計算和服務封裝；建立基于WebService的服務調用、模型驅動、數據傳輸功能；開發模型基礎資料的管理、GIS應用平臺，模型管理運行控制和模型成果展示等模型構建和管理維護工具，實現模型資料前處理，模型概化、構建、參數配置、運行控制、后處理等可視化處理功能，為模型體系的維護、更新、擴充提供后臺工具。主要包括4塊內容，分別為預報模型服務、GIS應用平臺、模型資料管理和模型管理與運行控制。

1）預報模型服務：主要包括預報模型服務進行封裝和模型計算用的方案、成果管理數據庫開發。

2）GIS應用平臺：主要包括模型要素圖層查看、地理底圖查看、地理信息屬性查詢、坐標轉換、圖層配置功能。

3）模型資料管理：包括水文站點管理、模型數據前處理和計算方案管理功能。

4）模型管理與運行控制：主要包括水文、水動力模型選擇、構建、參數設置、方案配置管理、計算成果展示、成果統計報表和模擬運行控制等功能。

（3）模型與系統平臺關系及預報服務流程

模型為大系統提供模型的調用、參數配置、預報條件定義、成果定制輸出等服務。上層應用通過WebService方式調用模型服務，具體流程如圖3所示。

圖3 WebService預報服務調用方式

1）模型服務申請：上層應用端提交模型計算任務申請，模型返回當前模型狀態，提示是否申請成功。

2）模型預處理：模型服務成果登記后，模型將從整編數據庫中下載實時校正計算需要的站點水位歷史數據、水量歷史數據、實時水位數據和實時降雨量等數據。下載靜態及動態配置信息。如：專題靜態信息、專題動態信息、模型要求集、輸出要素集、預報信息點集、預報模型要素等信息。

3）模型預報時間輸入：輸入預報時間段，模型將對預警預報方案進行檢查，確認預報時段的時間有效性。輸入預報時間段內的預報降雨條件。

4）預報降雨及調度方案輸入：水動力模擬服務方案參數包括氣象站點的預報降雨蒸發、控制工程當前工況、防洪調度預案等條件。

5）模型啟動運行及成果輸出：模型在完成模型計算后，返回計算結束狀態。模型輸出區域徑流、總降雨量、蒸發量；沿?？陂T、排水水系邊界、水利分區等水量統計項；重要斷面和代表站點的水位、潮位、水量預報過程；工程防洪排澇調度過程統計數據等。其他斷面水位流量成果數據以科學二進制數據格式存儲在服務器上，不主動推送至Web應用端，可通過服務器提取解析進行統計分析。

3.3 業務應用層

（1）應用支撐層

支撐層主要提供技術框架支持和關鍵技術支持，技術框架主要包括負載均衡與分布式計算技術框架、基于MQ的分布式處理框架、展示交互技術框架、微服務架構、地理信息技術框架、數據存儲技術框架；支撐關鍵技術主要包括計算方案管理和模型服務、響應式 WebUI 技術、基于 GPU 的高性能計算和并行計算、歸一化數據模型等。

（2）業務應用層

基于應用支撐層提供的框架支持、關鍵技術以及數據資源體系層提供的多種資料，結合具體業務場景，構建統一注冊支持熱插拔的業務接口服務集群，讓前端交互層只關注接口聯調本身而不必在意接口的具體邏輯以及它被部署在哪臺服務器上。預報作業主要包括沿海和感潮江道綜合潮（水）位預報、椒靈江流域降雨和洪水預報、大中型水庫洪水預報、區縣洪水預報、三大平原河網內澇預報；調度作業主要包括單庫洪水調度、區縣洪水調度、流域洪水調度、平原區水庫水閘聯合調度；通過水文氣象、水動力演進和水庫水閘等水利工程調度，結合三維 GIS 服務引擎和物聯網自動監控設備，實現全流域洪潮澇多因子耦合作用下的洪水風險預報預警。

（3）綜合展示層

基于 H5 開發的組件化前端為系統頁面的定制化提供了框架層面的支持，借助 WebGIS、SVG 矢量化圖形、HTML5、WebGL 前端硬件加速、chart 等圖形展示、基于 Cesium 等 3D 展示等技術，提供友好的人機交互界面以及對水文氣象工情、風險等信息生動的圖形圖像渲染。

4 樞紐工程預警預報的設計

本次流域的水庫洪水預報范圍主要包括下岸水庫、里石門水庫、牛頭山水庫、朱溪水庫等4座大型水庫，里林水庫、盂溪水庫、龍溪水庫、桐柏抽水蓄能上庫、溪口水庫、童燎水庫、方溪水庫7座中型水庫，以及北岙水庫、雙溪水庫2座小型水庫，總計13座水庫壩址處上游流域。主要的技術路線圖4所示。

圖4 技術路線圖

5 結束語

本次設計為椒江流域洪水預警預報系統的開發奠定了基礎，主要有這幾方面的創新亮點：

（1）引入流域氣象短臨降雨預報

本次系統引入了流域氣象短臨降雨預報，該短臨預報為網格預報，系統界面如圖5所示。

圖5 系統界面圖

短臨降雨網格預報的引入，大大提高了預報的精度，拓展了原來僅靠人工模擬輸入降雨和普通氣象降雨預報的技術范圍，是本次設計的一大亮點。

（2）大中型水庫洪水預警預報的流域性

大中型水庫洪水預警預報的流域性設計是本次設計的亮點。原來水庫洪水預警預報系統是獨立系統，這次把所有13座水庫按照流域進行串聯設計，兼顧上下游，具有流域調度的性質。

（3）與地區級區域水平臺共享數據

本次設計充分考慮到與臺州市水平臺的數據共享問題，將水平臺中的水雨情數據、工程的基礎數據、流量等實時數據與流域預警預報系統進行數據共享，使得系統成為水平臺的一部分而融合貫通。