張毅波

（廣東省飛來峽水利樞紐管理局，廣東清遠(yuǎn)511825）

1 工程概況

北江是珠江第二大水系，全長468 km，流域面積46710 km2，總落差約為305 m。水系呈闊葉狀分布。飛來峽水利樞紐位于北江干流清遠(yuǎn)市飛來峽鎮(zhèn)，控制集雨面積34097 km2，占北江流域面積的72%。飛來峽是廣東省最大的以防洪為主的綜合性水利樞紐，以防洪為主，兼有航運(yùn)、發(fā)電、改善生態(tài)環(huán)境等功能。水庫正常水位時(shí)水面面積70.3 km2，最遠(yuǎn)回水長度72 km，年均徑流1100 m3/s。

2 改造原因

原飛來峽水情遙測預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)于2000年3月開始投入試運(yùn)行，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，系統(tǒng)設(shè)備逐漸老化，故障頻繁，嚴(yán)重影響了飛來峽水庫的正常運(yùn)行調(diào)度。同時(shí)在運(yùn)行過程中，系統(tǒng)功能缺陷不斷暴露，飛來峽河道型水庫小庫容調(diào)大洪水要求預(yù)報(bào)調(diào)度精確，也要求該遙測預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)必須升級(jí)改造。本次改造將全面更換系統(tǒng)的軟、硬件。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 開發(fā)及運(yùn)行環(huán)境

該系統(tǒng)采用C/S(客戶端/服務(wù)器)的運(yùn)行模式。服務(wù)器采用HP ProLiant DL580 G2系列的服務(wù)器設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用CISCO WS C3750G 48PS-E交換機(jī)；客戶端為普通計(jì)算機(jī)。軟件方面，選取Microsoft.NET作為技術(shù)開發(fā)平臺(tái)；系統(tǒng)采用ArcGIS Engine的GIS組件來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，通過將GIS組件嵌入開發(fā)環(huán)境.NET來實(shí)現(xiàn)高效、無縫的系統(tǒng)集成；以O(shè)RACLE作為C/S環(huán)境數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)等的全面管理。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

飛來峽水情遙測預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)按功能設(shè)計(jì)主要由洪水預(yù)報(bào)模板、洪水調(diào)度模板和數(shù)據(jù)庫模板三個(gè)模板組成。三個(gè)模板利用開放的、標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口將有關(guān)的數(shù)據(jù)庫表有機(jī)聯(lián)系在一起，通過雨水情實(shí)測數(shù)據(jù)在庫表中的傳遞和預(yù)報(bào)模型庫、調(diào)度模型庫的相關(guān)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了有關(guān)的水庫水情預(yù)警、實(shí)時(shí)降雨預(yù)報(bào)、洪水交互調(diào)度、調(diào)度方案評(píng)價(jià)、水庫日常報(bào)表等各項(xiàng)功能。

3.2.1 系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)

水庫水情遙測預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)在邏輯上分為八個(gè)子系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為中心組織在一起，如圖1所示。

（1）基本信息查詢修改子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要對水庫系統(tǒng)進(jìn)行簡介，并提供水庫的工情庫、特征參數(shù)庫、圖片庫以及多媒體庫等；展現(xiàn)流域相關(guān)的工程概況、水系圖、工程圖片以及錄像等。

（2）實(shí)時(shí)水雨情查詢子系統(tǒng)

主要是對歷史、當(dāng)前、未來的雨水情、電力數(shù)據(jù)、氣象信息、水利工程狀況等信息做時(shí)空多方位的監(jiān)測信息查詢，給用戶和各級(jí)調(diào)度部門及時(shí)提供梯級(jí)防洪和發(fā)電有關(guān)的多種信息；編制專門軟件，對各種信息進(jìn)行分析和綜合，以提供用戶各種綜合信息(如水文特征值、降雨頻率、洪峰頻率、洪量頻率等)查詢的功能。

（3）數(shù)據(jù)庫維護(hù)子系統(tǒng)

水庫預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是整個(gè)系統(tǒng)的核心，具有非常重要的作用，各子系統(tǒng)間的通信通過數(shù)據(jù)庫的管理來完成。該子系統(tǒng)主要進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫的維護(hù)。

（4）水雨情報(bào)表制作子系統(tǒng)

主要對日、旬、月、年不同時(shí)段的水雨情數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表制作和報(bào)表定制，以及各測站不同時(shí)段長的特征值統(tǒng)計(jì)、歷年數(shù)據(jù)資料的統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。

（5）實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)子系統(tǒng)

分別采用經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)、新安江模型和分布式水文模型進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)，以小時(shí)為時(shí)段進(jìn)行預(yù)報(bào)。模塊根據(jù)采集的實(shí)時(shí)雨量、蒸發(fā)、水位等資料，以及天氣預(yù)報(bào)信息，通過水文模型計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對未來將發(fā)生的入庫流量過程的預(yù)報(bào)功能。

（6）實(shí)時(shí)洪水調(diào)度子系統(tǒng)

采用洪水預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行洪水模擬或優(yōu)化調(diào)度?？梢赃M(jìn)行水庫的規(guī)則調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度、常規(guī)經(jīng)驗(yàn)調(diào)度和交互方案生成等調(diào)度計(jì)算。

（7）預(yù)報(bào)調(diào)度成果輸出子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要采用圖形、表格的形式將水文預(yù)報(bào)結(jié)果、調(diào)度結(jié)果、未來調(diào)度預(yù)案等成果以圖形或者報(bào)表的形式顯示、打印輸出和發(fā)布。

（8）專家會(huì)商子系統(tǒng)

主要對預(yù)報(bào)方案和調(diào)度方案進(jìn)行評(píng)價(jià)等。盡可能將預(yù)報(bào)調(diào)度成果展現(xiàn)在同一界面上，供會(huì)商決策參考，并對各預(yù)報(bào)調(diào)度方案提供優(yōu)選方案，且做出選擇依據(jù)，做出計(jì)算機(jī)專家決策。

3.2.2 系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)

在雨水情自動(dòng)遙測系統(tǒng)的支持下，水庫水情遙測預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫為核心，通過人機(jī)交互進(jìn)行信息服務(wù)、洪水預(yù)報(bào)、洪水調(diào)度、數(shù)據(jù)庫管理、幫助，其組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。數(shù)據(jù)庫又分為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫與專用數(shù)據(jù)庫。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫包括實(shí)時(shí)雨水情庫、歷時(shí)雨水情庫和工情庫。專用數(shù)據(jù)庫包括洪水預(yù)報(bào)庫與洪水調(diào)度庫。

圖1 系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)Fig.1 Logical structure of the water regime forecasting system

圖2 水情遙測預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the water regime forecasting system

3.3 洪水預(yù)報(bào)模塊設(shè)計(jì)

洪水預(yù)報(bào)作為系統(tǒng)的核心模塊，利用采集的水雨情信息，基于DEM數(shù)據(jù)，通過分布式、半分布式模型以及經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方法進(jìn)行預(yù)報(bào)，并進(jìn)行洪水實(shí)時(shí)校正。

3.3.1 模塊開發(fā)的目標(biāo)

該模塊目標(biāo)是建立一個(gè)集GIS技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和水文水資源等多項(xiàng)技術(shù)為一體、融合多源信息的綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，具有以下功能：

（1）查詢流域內(nèi)基本地理信息。對每幅圖層,可以放大、縮小、漫游、查看各地物的屬性。

（2）預(yù)報(bào)功能。能實(shí)現(xiàn)對飛來峽以上控制流域進(jìn)行降雨洪峰水位經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)、基于新安江模型的半分布式預(yù)報(bào)和分布式水文模型預(yù)報(bào)，可對單個(gè)子流域進(jìn)行洪水過程模擬或?qū)崟r(shí)預(yù)報(bào)，可選擇不同子流域出口站進(jìn)行預(yù)報(bào)結(jié)果查詢，查詢結(jié)果展示包括流量預(yù)報(bào)過程圖、洪峰、洪量等特征值統(tǒng)計(jì)，并能對分布式預(yù)報(bào)的水文過程變量實(shí)現(xiàn)空間分布狀態(tài)查詢。

3.3.2 模塊結(jié)構(gòu)

（1）邏輯功能結(jié)構(gòu)

作為基于開放架構(gòu)的系統(tǒng)，飛來峽洪水預(yù)報(bào)模塊除了實(shí)現(xiàn)流域空間、屬性信息的分析查詢外，同時(shí)為水雨情信息統(tǒng)計(jì)及防洪形勢分析提供了基本和實(shí)用的各種功能，良好的可擴(kuò)展性為繼續(xù)開發(fā)提供了理想的基礎(chǔ)，用戶可根據(jù)需要自由擴(kuò)展各種新的功能。系統(tǒng)目前的總體功能模塊如圖3所示。

（2）系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織

飛來峽洪水預(yù)報(bào)模塊的數(shù)據(jù)源包括多種類型的數(shù)據(jù)，如地理信息圖層、水文數(shù)據(jù)、工情數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等。它們分別以shp格式和關(guān)系型數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)。shp格式文件主要存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)的坐標(biāo)信息和地物的屬性信息。對于水文、氣象和工情數(shù)據(jù)按照國家規(guī)范建表存儲(chǔ)，在其庫表和shp文件的dbf表中定義ID字段，通過相同的兩個(gè)字段實(shí)現(xiàn)與對應(yīng)地物圖層shp文件的關(guān)聯(lián)，于是各種水文、氣象、工情數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)以地物屬性信息的方式查詢。

圖3 系統(tǒng)邏輯功能結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Logical functions of the water regime forecasting system

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)

飛來峽水利樞紐水情遙測預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)改造項(xiàng)目招標(biāo)是一個(gè)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、電視監(jiān)控技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、地理信息技術(shù)、決策分析和信息處理技術(shù)等為一體的先進(jìn)、高效、應(yīng)急結(jié)合的綜合調(diào)度指揮中心，必須采用先進(jìn)的信息處理技術(shù)和現(xiàn)代管理手段，充分發(fā)揮信息共享、綜合利用和聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的作用，實(shí)現(xiàn)對水情的分析判斷、處理和反應(yīng)，能夠?yàn)橹笓]領(lǐng)導(dǎo)和參與指揮的業(yè)務(wù)人員和專家提供各種通訊和信息服務(wù)，提供決策依據(jù)、分析手段和調(diào)度命令實(shí)施部署和監(jiān)督方法，能及時(shí)、有效地調(diào)集各種資源，實(shí)施水文預(yù)報(bào)、水情控制和最佳發(fā)電調(diào)度，用最有效的控制手段和小資源投入，最大化水庫綜合效益。

5 改造的實(shí)施

飛來峽水情遙測預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)改造是飛來峽水利樞紐管理局和武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，共同設(shè)計(jì)研發(fā)的項(xiàng)目。系統(tǒng)的開發(fā)工作主要在2009年1～4月完成。

系統(tǒng)包括300多個(gè)水文遙測站點(diǎn)的信息，這些站點(diǎn)分布于全流域面積46686 km2。其中雨量站30個(gè)，水位站7個(gè)，雨量水位站35個(gè)。系統(tǒng)采用GSM通信、VSAT衛(wèi)星通信、Inmarsat衛(wèi)星通信組網(wǎng)，自動(dòng)收集北江流域雨量、水位信息，將收集的信息傳送到省三防綜合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，飛來峽水情遙測預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)再從省三防綜合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中提取數(shù)據(jù)。除此之外，系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)讀取飛來峽電站監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)4臺(tái)機(jī)組的實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)和總流量數(shù)據(jù)；讀取飛來峽泄水閘監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)15個(gè)泄洪閘門的實(shí)時(shí)開度數(shù)據(jù)。通過這兩組數(shù)據(jù)就能知道飛來峽水利樞紐的實(shí)時(shí)下泄流量等信息。這些數(shù)據(jù)的順利取得保障了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

6 水文預(yù)報(bào)方案及評(píng)定

針對飛來峽水庫控制流域的預(yù)報(bào)要求，利用飛來峽水庫流域的歷史資料，對其構(gòu)建了兩套流域水文模型預(yù)報(bào)方案：基于新安江三水源模型的半分布式流域水文模型；基于柵格DEM的分布式流域水文模型。

飛來峽水庫流域水文預(yù)報(bào)方案總體上由流域降雨產(chǎn)流模型和流域匯流模型兩部分組成。對于產(chǎn)流計(jì)算，鑒于飛來峽水庫流域的地理特性，區(qū)間流域的產(chǎn)流采用蓄滿產(chǎn)流模型。匯流部分，采用的是馬斯京根法來進(jìn)行流域的河道演算。

飛來峽水庫流域現(xiàn)有的歷史資料為2001～2007年的1 h時(shí)段降雨徑流資料。雨量資料采用了流域內(nèi)遙測雨量站的加權(quán)平均值。2001～2007年，流域共發(fā)生了30多場洪水，其中洪峰流量大于7000 m3/s的有13場，大于10000 m3/s的有4場。

飛來峽水情遙測預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)新安江模型采用13場實(shí)測1 h時(shí)段的雨洪資料進(jìn)行參數(shù)率定，得出洪水流量過程確定性系數(shù)為88.7%，徑流總量相對誤差為0.41%；對實(shí)測流量大于5000 m3/s的洪峰計(jì)算洪峰合格率，平均相對誤差10.61%。以上指標(biāo)均達(dá)到國家水情預(yù)報(bào)規(guī)范的乙級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，模擬效果較好。在獲取更多新觀測資料、收集相關(guān)人類活動(dòng)影響（如上游大量小水電工程的相關(guān)數(shù)據(jù)）后，對水文預(yù)報(bào)模型重新率定，其預(yù)報(bào)精度可進(jìn)一步提高。

飛來峽水情遙測預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)分布式模型采用5場實(shí)測1 h時(shí)段的雨洪資料進(jìn)行參數(shù)率定，用20場雨洪資料進(jìn)行檢驗(yàn)。由于水文資料的誤差和參數(shù)較嚴(yán)重的“異參同效”現(xiàn)象，率定分布式模型參數(shù)還不太準(zhǔn)確。通過預(yù)報(bào)與實(shí)測對比計(jì)算，25場洪水過程的平均確定性系數(shù)為71.7%，相對誤差為14.7%。以上指標(biāo)均達(dá)到了國家水情預(yù)報(bào)規(guī)范的乙級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。通過對比具體資料發(fā)現(xiàn)，分布式模型對大部分場次洪水的預(yù)報(bào)精度較好，但整體上對洪峰的模擬值偏低。造成這種預(yù)報(bào)精度偏低的主要原因有：（1）缺乏飛來峽流域的實(shí)測蒸發(fā)資料；（2）模型的參數(shù)還不夠合理；（3）分布式模型計(jì)算量很大，誤差的累積效應(yīng)會(huì)影響模型精度。■