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(jīng)仙居縣全部，臨海市、天臺縣、臺州市區(qū)黃巖區(qū)和椒江區(qū)的大部，縉云縣、磐安縣、新昌縣的一部分，共8個縣(市、區(qū))，23個街道、36個鎮(zhèn)、25個鄉(xiāng)。

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(qū)近海，臺風影響較大，汛期時常發(fā)生暴雨、洪水等災害，對流域人民群眾生命財產(chǎn)安全及社會經(jīng)濟發(fā)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(tǒng)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(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，以地理信息系統(tǒng)為框架，以成熟穩(wěn)定的計算手段為支撐，建立覆蓋椒江流域的水文水動力數(shù)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(shù)據(jù)接口接入實時交互數(shù)據(jù)，對椒江流域洪水進行預報。本次設計要符合浙江省數(shù)字化改革的要求，符合浙江省水利數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)資源體系、預報調度模型支撐體系、業(yè)務應用體系3大體系開展研發(fā)工作。

3 系統(tǒng)詳細設計

3.1 數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)資源層即數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理平臺，基于關系數(shù)據(jù)庫存儲結構化觀測和預報資料，通過數(shù)據(jù)采集、文件采集、網(wǎng)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(shù)據(jù)服務。本設計涉及的數(shù)據(jù)資源主要包括3種類型[3]。

（1）基礎數(shù)據(jù)庫信息

根據(jù)臺州市水管理平臺實施方案，水管理平臺統(tǒng)一負責與省、縣兩級水利部門縱向協(xié)同共享交換，實現(xiàn)與生態(tài)環(huán)境部門、交通運輸部門、自然資源部門、氣象部門等跨行業(yè)數(shù)據(jù)共享。實時雨水情數(shù)據(jù)庫、實時工情監(jiān)測業(yè)務動態(tài)庫、實時監(jiān)測業(yè)務動態(tài)庫、水文整編數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫、地理空間數(shù)據(jù)庫等基礎數(shù)據(jù)庫表由臺州水管理平臺統(tǒng)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(shù)據(jù)信息[4]。

（2）測量數(shù)據(jù)

河道水下地形、大斷面、蓄滯洪區(qū)地形等基本資料，無需在系統(tǒng)平臺發(fā)布。物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)通過平臺接口直接寫入實時工情監(jiān)測業(yè)務動態(tài)庫。

（3）預報調度方案輸出數(shù)據(jù)

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(shù)據(jù)高達TB量級，高密度、大容量數(shù)據(jù)不適合放入數(shù)據(jù)庫，擬將輸出數(shù)據(jù)直接保存在計算服務器端，按照調度規(guī)則和方案計算時間管理不同方案的輸出數(shù)據(jù)。

3.2 預報模型層

根據(jù)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(guī)范》（GB/T22482-2008）規(guī)定的發(fā)布要求的同時，充分利用現(xiàn)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(tǒng)是洪水預報調度平臺的支撐體系，根據(jù)椒靈江流域河網(wǎng)特性，構建河網(wǎng)洪水預報調度一體化模型，通過WebServices接口為業(yè)務應用層提供模型服務。模型內(nèi)容包括：

（1）多源數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)驅動的流域洪水演進虛擬仿真模型[7]。

（3）平原河網(wǎng)水文水動力耦合模型[8]。

（4）水利工程聯(lián)合調度及優(yōu)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(qū)降雨產(chǎn)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(qū)采用新安江模型進行產(chǎn)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(wǎng)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(qū)采用4種下墊面計算產(chǎn)流，通過單位線的方式匯流至平原一維河網(wǎng)，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(qū)域二維模型，對流域易澇區(qū)的淹沒情況進行模擬。模型系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖2 模型系統(tǒng)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(shù)據(jù)，重新選取率定平原區(qū)產(chǎn)流及匯流單位線參數(shù)，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(shù)進行率定驗證，提高河道水量產(chǎn)匯流計算精度。

2）構建河網(wǎng)水動力模型：細化河網(wǎng)，結合區(qū)域水庫及閘站實際調度運行規(guī)則，開發(fā)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(wěn)定性，實現(xiàn)河網(wǎng)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(guī)則的自定義配置，實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)降雨產(chǎn)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(shù)據(jù)傳輸功能；開發(fā)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(xiàn)模型資料前處理，模型概化、構建、參數(shù)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(nèi)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(shù)據(jù)庫開發(fā)。

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(shù)據(jù)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(shù)設置、方案配置管理、計算成果展示、成果統(tǒng)計報表和模擬運行控制等功能。

（3）模型與系統(tǒng)平臺關系及預報服務流程

模型為大系統(tǒng)提供模型的調用、參數(shù)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(tài)，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(shù)據(jù)庫中下載實時校正計算需要的站點水位歷史數(shù)據(jù)、水量歷史數(shù)據(jù)、實時水位數(shù)據(jù)和實時降雨量等數(shù)據(jù)。下載靜態(tài)及動態(tài)配置信息。如：專題靜態(tài)信息、專題動態(tài)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(nèi)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(shù)包括氣象站點的預報降雨蒸發(fā)、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(tài)。模型輸出區(qū)域徑流、總降雨量、蒸發(fā)量；沿海口門、排水水系邊界、水利分區(qū)等水量統(tǒng)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(tǒng)計數(shù)據(jù)等。其他斷面水位流量成果數(shù)據(jù)以科學二進制數(shù)據(jù)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(tǒng)計分析。

3.3 業(yè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)模型等。

（2）業(yè)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(shù)據(jù)資源體系層提供的多種資料，結合具體業(yè)務場景，構建統(tǒng)一注冊支持熱插拔的業(yè)務接口服務集群，讓前端交互層只關注接口聯(lián)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(yè)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(qū)縣洪水預報、三大平原河網(wǎng)內(nèi)澇預報；調度作業(yè)主要包括單庫洪水調度、區(qū)縣洪水調度、流域洪水調度、平原區(qū)水庫水閘聯(lián)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(lián)網(wǎng)自動監(jiān)控設備，實現(xiàn)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(fā)的組件化前端為系統(tǒng)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(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎，主要有這幾方面的創(chuàng)新亮點：

（1）引入流域氣象短臨降雨預報

本次系統(tǒng)引入了流域氣象短臨降雨預報，該短臨預報為網(wǎng)格預報，系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)界面圖

短臨降雨網(wǎng)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(tǒng)是獨立系統(tǒng)，這次把所有13座水庫按照流域進行串聯(lián)設計，兼顧上下游，具有流域調度的性質。

（3）與地區(qū)級區(qū)域水平臺共享數(shù)據(jù)

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