趙 釗 徐永兵 牛會澤

（山東省水利勘測設(shè)計院，山東濟(jì)南 250013）

小清河源于濟(jì)南市南部山區(qū)，干流自玉符河右堤的睦里莊閘起，自西向東流經(jīng)濟(jì)南市、淄博市、濱州市、東營市、濰坊市的12個縣、市、區(qū)，匯集20個縣、市、區(qū)的來水，于壽光市羊口鎮(zhèn)東注入萊州灣。小清河干流全長229 km，控制流域面積10 433 km2。具有海河聯(lián)運(yùn)、農(nóng)田灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖等功能，是魯中地區(qū)重要的排水河道。流域內(nèi)地形復(fù)雜，既有山地丘陵，又有平原盆地。流域面積呈典型的單羽毛狀水系分布。沿河湖泊洼地較多，歷史上為干流和南部支流洪水的天然滯洪區(qū)。

小清河歷史上多次發(fā)生洪澇災(zāi)害，2019年10月，根據(jù)山東省政府有關(guān)工作安排，開始組織實(shí)施小清河干流、分洪道治理及信息化工程。信息化系統(tǒng)以小清河流域洪水統(tǒng)一調(diào)度指揮為目標(biāo)，結(jié)合流域防洪除澇綜合治理需求，全面整合各類資源，以防洪調(diào)度業(yè)務(wù)為核心，以控制性工程、蓄滯湖泊的自動化控制為手段，以各類監(jiān)測信息和預(yù)報數(shù)據(jù)為支撐，構(gòu)建準(zhǔn)確高效、實(shí)時快速、要素齊全、智能聯(lián)動的自動化防洪調(diào)度指揮系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)上下游、左右岸、干支流、各區(qū)間的洪水調(diào)度的統(tǒng)籌指揮管理。全面提升小清河流域洪水自動化調(diào)度指揮能力，構(gòu)建流域一體化防洪工程體系。

1 主要建設(shè)內(nèi)容

1.1 水系及預(yù)報斷面外業(yè)調(diào)查與資料收集處理

調(diào)查流域水利工程及非工程措施建設(shè)基本情況、河道行洪能力和河道防洪標(biāo)準(zhǔn)、流域地形，采集遙感影像資料、水文及洪水資料、工程設(shè)計及調(diào)度等資料，并進(jìn)行斷面以上流域下墊面情況的調(diào)查，開展預(yù)報斷面的補(bǔ)充測量，對收集資料進(jìn)行處理整編。

1.2 洪水預(yù)報方案庫建設(shè)

根據(jù)小清河流域地形地貌、歷史降水、匯流特點(diǎn)、防洪標(biāo)準(zhǔn)、防汛應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制、中下游地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)信息等，針對預(yù)報斷面、區(qū)域建立洪水預(yù)報方案庫。

1.3 洪水預(yù)報模型研發(fā)與參數(shù)率定

研發(fā)洪水預(yù)報模型庫，根據(jù)相關(guān)圖預(yù)報模型、洪水預(yù)報水文模型（馬斯京根河道洪水演進(jìn)模型、三水源蓄滿產(chǎn)流模型、流域匯流單位線等）[1]、風(fēng)暴潮預(yù)報模型等模型在小清河流域的適用情況，選擇若干種模型構(gòu)建洪水預(yù)報模型庫，并根據(jù)多場次歷史降雨及徑流資料，率定并驗(yàn)證所構(gòu)建的洪水預(yù)報模型。

1.4 設(shè)計洪水與調(diào)度方案編制

根據(jù)小清河流域洪水調(diào)度“上蓄、中滯、下排”的總體布局，結(jié)合分洪道、水庫、蓄滯洪區(qū)等水利工程調(diào)度規(guī)則，建設(shè)多目標(biāo)決策下的水利工程調(diào)度規(guī)則庫。在工程調(diào)度規(guī)則庫建設(shè)基礎(chǔ)上，研究小清河流域洪水預(yù)報調(diào)度流程，包括洪水的“守候式”及“觸發(fā)式”自動預(yù)報流程等。根據(jù)小清河流域洪水預(yù)報調(diào)度一體化系統(tǒng)建設(shè)需要，開展流域設(shè)計洪水及洪水遭遇分析、流域防洪庫容預(yù)留總量分析、流域蓄滯洪工程洪水資源化專題研究、流域水工程聯(lián)合調(diào)度方案編制等專題分析。

1.5 小清河流域洪水預(yù)報調(diào)度一體化系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)小清河流域洪水預(yù)報調(diào)度實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，開發(fā)定制小清河流域洪水預(yù)報調(diào)度一體化業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件，主要包括水雨情服務(wù)系統(tǒng)、洪水預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)、防洪調(diào)度系統(tǒng)、風(fēng)暴潮預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)維護(hù)、系統(tǒng)管理等子系統(tǒng)或功能模塊，協(xié)同實(shí)現(xiàn)流域洪水預(yù)報調(diào)度一體化系統(tǒng)化管理。

1.6 數(shù)字場景建設(shè)

建設(shè)包括流域數(shù)字場景、河道精細(xì)數(shù)字場景、重點(diǎn)水利工程實(shí)景模型以及BIM模型的小清河流域數(shù)字場景，開發(fā)GIS+BIM基礎(chǔ)支持平臺?；诹饔蛱摂M仿真數(shù)字場景的基本功能和應(yīng)用接口，實(shí)現(xiàn)流域數(shù)字場景基本操作與業(yè)務(wù)系統(tǒng)信息展示。

2 設(shè)計要點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)架構(gòu)采用業(yè)界成熟通行的實(shí)現(xiàn)方案和技術(shù)體系，在設(shè)計中以信息安全和行業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)為開展工作的基礎(chǔ)保障。充分采用SOA的設(shè)計思想，將系統(tǒng)進(jìn)行縱向切分，包括用戶接入、業(yè)務(wù)應(yīng)用、應(yīng)用支撐、數(shù)據(jù)管理、硬件資源、信息采集等層面。

分類和分層的原則是用戶可見程度由淺入深，在切分的過程中，具體的應(yīng)用系統(tǒng)與具體的數(shù)據(jù)存儲通過中間的業(yè)務(wù)服務(wù)體系進(jìn)行解耦。系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)應(yīng)用與數(shù)據(jù)保持相對獨(dú)立，減少應(yīng)用系統(tǒng)各功能模塊間的依賴關(guān)系，通過定義良好的訪問接口與通信協(xié)議形成松散耦合型系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)間信息交換的同時，盡可能保持各系統(tǒng)間的相對獨(dú)立的運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)平臺提供完備的微服務(wù)支撐框架，并基于基礎(chǔ)支撐組件和應(yīng)用管理的統(tǒng)一管理要求封裝形成的基礎(chǔ)服務(wù)接口，主要包括消息服務(wù)接口、工作流服務(wù)接口、GIS服務(wù)接口、報表服務(wù)接口、統(tǒng)一認(rèn)證接口、統(tǒng)一日志服務(wù)接口、統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口、統(tǒng)一安全服務(wù)接口等。為了便于對應(yīng)用支撐平臺的管理與配置，平臺提供一系列系統(tǒng)管理與配置功能。支撐各類業(yè)務(wù)應(yīng)用調(diào)用，針對同一接口服務(wù)平臺提供不同協(xié)議調(diào)用，如Hessian協(xié)議、HTTP協(xié)議、RMI協(xié)議、WebService協(xié)議、Thrift協(xié)議、Memcached協(xié)議、Redis協(xié)議等。為了確保各業(yè)務(wù)應(yīng)用的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)對用戶的統(tǒng)一展現(xiàn)，平臺將業(yè)務(wù)協(xié)同門戶納入統(tǒng)一管理，以便在業(yè)務(wù)應(yīng)用按照給定的標(biāo)準(zhǔn)框架下開發(fā)完成后，可以被自動集成到業(yè)務(wù)協(xié)同門戶[2]。技術(shù)架構(gòu)以zookeeper、分布式、微服務(wù)框架為核心，服務(wù)注冊、協(xié)調(diào)由zookeeper負(fù)責(zé)。以微服務(wù)框架為基石進(jìn)行業(yè)務(wù)服務(wù)和組件服務(wù)的封裝和調(diào)用，以基礎(chǔ)與公共支撐服務(wù)為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支撐，在資源層由統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問服務(wù)和資源庫管理對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，包括數(shù)據(jù)訪問、存儲、服務(wù)等，并對外提供標(biāo)準(zhǔn)的ODATA、JSON、WS服務(wù)接口。在界面層以JSP、JS、HTML為基礎(chǔ)進(jìn)行UI開發(fā)，在門戶層實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一信息發(fā)布和展示，在前端接入以Web服務(wù)為代理為用戶提供訪問入口，在性能優(yōu)化方面以分布式緩存為框架平臺及應(yīng)用提供緩存服務(wù)。

2.3 業(yè)務(wù)流程

（1）監(jiān)測系統(tǒng)。

通過前端建設(shè)雨量計、水位計、流量計等監(jiān)測設(shè)備，感知現(xiàn)場信息并傳送到平臺上，本系統(tǒng)接收感知監(jiān)測信息。

（2）預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)。

通過建設(shè)洪水預(yù)報模型和防洪調(diào)度模型對前端監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析，得出分析結(jié)果。同時考慮多模型管理與集成服務(wù)，為今后發(fā)展新的模型提供統(tǒng)一的集成與管理服務(wù)，避免新模型重新適配本系統(tǒng)[3]。針對模型分析結(jié)果可運(yùn)用于預(yù)警指標(biāo)管理，為其提供預(yù)警參數(shù)的設(shè)定，并經(jīng)過監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)對超過閾值的監(jiān)測信息進(jìn)行提示告警，統(tǒng)一展現(xiàn)前端實(shí)時監(jiān)測信息。在模型運(yùn)算過程中，由自學(xué)習(xí)提升系統(tǒng)收集模型運(yùn)算結(jié)果、前端監(jiān)測信息、水系要素控制等反饋信息，為模型運(yùn)算提供學(xué)習(xí)調(diào)優(yōu)的條件。

（3）調(diào)度系統(tǒng)。

由多模型管理與集成服務(wù)系統(tǒng)統(tǒng)一將模型結(jié)果與能力輸入科學(xué)調(diào)度體系，由其進(jìn)行調(diào)度模型的構(gòu)建。通過調(diào)度模型的構(gòu)建為調(diào)度方案的初步制定提供理論基礎(chǔ)，初步方案提出后進(jìn)行多方會商討論，同步對方案進(jìn)行情景推演，最終擇優(yōu)選取調(diào)度方案。整體系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

2.4 數(shù)據(jù)流程

系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

小清河洪水預(yù)報調(diào)度一體化系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程主要包括監(jiān)測部分、預(yù)測部分、預(yù)警部分、預(yù)報部分、調(diào)度部分、自動控制部分以及調(diào)度輔助管理部分等。

（1）監(jiān)測部分。

監(jiān)測部分在集成水情、氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對全流域水文、氣象、水質(zhì)、自動控制工程等全要素監(jiān)測、監(jiān)控，形成系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)源，并作為其他模塊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入來源。

（2）預(yù)警部分。

預(yù)警部分包括三大部分，即實(shí)時監(jiān)測預(yù)警和預(yù)報預(yù)警以及預(yù)警發(fā)布管理等。實(shí)時監(jiān)測預(yù)測基于實(shí)時監(jiān)測要素的預(yù)警閾值，根據(jù)實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警閾值進(jìn)行對比，實(shí)時確定是否發(fā)出預(yù)警。預(yù)報預(yù)警基于預(yù)報模型對未來降雨、河道洪水和水質(zhì)等要素進(jìn)行預(yù)報，對比預(yù)警閾值確定是否發(fā)出預(yù)警、預(yù)警范圍以及預(yù)警級別。預(yù)警發(fā)布管理包括預(yù)警指標(biāo)制定模塊和預(yù)警發(fā)布管理模塊。預(yù)警指標(biāo)制定基于預(yù)報對象確定其安全的臨界值，制定不同等級的預(yù)警指標(biāo)，制定預(yù)警預(yù)案。預(yù)警發(fā)布與管理系統(tǒng)基于實(shí)時和預(yù)報預(yù)警，具體實(shí)施預(yù)報發(fā)布、預(yù)反饋、預(yù)警撤銷等預(yù)警系統(tǒng)管理措施，包含應(yīng)急條件下的預(yù)警發(fā)布和管理。

（3）預(yù)報部分。

預(yù)報系統(tǒng)主要包括水系洪水預(yù)報模塊。水系洪水預(yù)報基于流域洪水預(yù)報模型針對水庫、蓄滯洪區(qū)、閘壩控制斷面、重要水利工程斷面的洪峰流量、洪量、洪水過程及預(yù)見期進(jìn)行預(yù)報，服務(wù)于河道洪水調(diào)控，對預(yù)報結(jié)果開展不確定評析和實(shí)時預(yù)報校正。

（4）調(diào)度部分。

調(diào)度模塊包括調(diào)度方案生成與管理模塊、調(diào)度會商模塊和調(diào)度指揮三大模塊。調(diào)度方案生成與管理模塊主要包括河道洪水調(diào)度模型，通過調(diào)度控制的目標(biāo)和要求，在水量預(yù)報的基礎(chǔ)上形成服務(wù)。調(diào)度會商模塊包括多方案的優(yōu)選、情景推演和決策過程，最終形成調(diào)度令。

（5）調(diào)度控制部分。

調(diào)度控制是基于調(diào)度令對水庫、閘壩、泵站等進(jìn)行具體操作的過程。

3 結(jié)語

小清河流域水系復(fù)雜，支流上有較多的湖泊、水庫、洼地，水系復(fù)雜，部分大中型水庫及主要支流建有水文水情等觀測設(shè)施，但是資料共享及洪水自動化調(diào)度程度不高，洪水調(diào)度管理缺乏系統(tǒng)性。在智慧水利總體建設(shè)背景下，充分利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等先進(jìn)前沿技術(shù)，構(gòu)建洪水預(yù)報與調(diào)度模型庫，建設(shè)小清河流域洪水預(yù)報調(diào)度一體化系統(tǒng)，具有重要的意義和價值，為今后類似系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒。