柳 林，徐 嘉

（海河水利委員會水文局，天津 300170）

1 引言

近年來，受氣候變化影響，中國中小河流洪水災(zāi)害十分嚴重，暴露出了中國中小河流防洪減災(zāi)的突出問題。根據(jù)《全國中小河流治理和病險水庫除險加固、山洪地質(zhì)災(zāi)害防御和綜合治理總體規(guī)劃》，中國將用5年時間對洪澇災(zāi)害易發(fā)、保護區(qū)人口密集、保護對象重要的5 000多條中小河流重點河段進行集中治理，從整體上提升流域防洪保障水平。到2015年，全國各地將完成中小河流預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)建設(shè)，確保有防洪任務(wù)的5 186條中小河流發(fā)生洪水時能及時預(yù)警，為中國中小河流水資源開發(fā)利用與保護、防洪減災(zāi)及中小水庫的安全運行提供決策依據(jù)。

中小河流預(yù)警預(yù)報軟件系統(tǒng)以實時水雨情、氣象等數(shù)據(jù)的采集、存儲和管理為基礎(chǔ)，運用先進的水利技術(shù)和信息技術(shù)，以河流預(yù)警預(yù)報業(yè)務(wù)為核心，整合山洪預(yù)警系統(tǒng)和水資源管理系統(tǒng)，建立服務(wù)于中小河流的洪水預(yù)報、水情查詢、站網(wǎng)管理、綜合業(yè)務(wù)管理、預(yù)警預(yù)報服務(wù)、空間服務(wù)的信息化作業(yè)平臺和決策會商支撐環(huán)境，確保河流發(fā)生洪水時能及時預(yù)警，提高洪水預(yù)報的精度和預(yù)見期，提升水文的服務(wù)能力和服務(wù)水平。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

（1）實用性和可行性。系統(tǒng)以滿足河流洪水預(yù)警預(yù)報為最高要求，一切開發(fā)和應(yīng)用設(shè)計以實際業(yè)務(wù)需求為出發(fā)點進行，所開發(fā)的軟件系統(tǒng)平臺要符合本地區(qū)暴雨洪水特性及工程特性，滿足實際工作需要。

（2）先進性和成熟性。既要采用先進的技術(shù)，又要注意思維的合理性、模型的成熟度和方法的正確性，做到先進性與成熟性并重。

（3）可靠性和穩(wěn)定性。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、技術(shù)措施、系統(tǒng)管理等方面著手，確保系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。

（4）可擴展性及易升級性。為適應(yīng)應(yīng)用不斷拓展的需要，系統(tǒng)必須有良好的可擴充性。

（5）可管理性和可維護性。整個系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)組成，為了便于系統(tǒng)的日常運行維護和管理，要求所選系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)具有良好的可管理性和可維護性。

2.2 設(shè)計思路

在中國洪水預(yù)報系統(tǒng)、防汛指揮系統(tǒng)一期工程洪水預(yù)報系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，依據(jù)大江大河水情監(jiān)測、洪水預(yù)報的經(jīng)驗成果，結(jié)合中小河流的特點，分析研究系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵問題，以河流預(yù)警預(yù)報業(yè)務(wù)為核心，以中小河流水情監(jiān)測為重點，全面整合山洪預(yù)警系統(tǒng)和水資源管理系統(tǒng)，滿足水文部門綜合業(yè)務(wù)管理和站網(wǎng)管理需要，為決策支持提供強大的支持環(huán)境。

針對省局、地市在水情查詢、洪水預(yù)報、站網(wǎng)管理、業(yè)務(wù)管理等方面不同的應(yīng)用需求，系統(tǒng)在縱向結(jié)構(gòu)上分為省、地市兩級建設(shè)。

2.3 總體框架

系統(tǒng)總體邏輯框架是系統(tǒng)的核心，充分考慮架構(gòu)的健壯性、可擴展性、互操作性、穩(wěn)定性、可移植性和安全性等因素，結(jié)合項目的具體建設(shè)內(nèi)容及要求，將系統(tǒng)總體邏輯架構(gòu)自下至上分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、用戶層；同時，運維管理體系、標準規(guī)范體系貫穿整個系統(tǒng)，如圖1所示。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施。即預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)運行環(huán)境，包括應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、工作站、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)等基礎(chǔ)軟硬件產(chǎn)品。

圖1 系統(tǒng)總體框架

（2）數(shù)據(jù)資源。數(shù)據(jù)資源是軟件平臺的基礎(chǔ)，采用成熟的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對所有資源數(shù)據(jù)進行存儲和管理。包括基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、實時水雨情數(shù)據(jù)庫、水文數(shù)據(jù)庫、氣象信息庫、防洪工程數(shù)據(jù)庫、洪水預(yù)報數(shù)據(jù)庫、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫、地理空間數(shù)據(jù)庫等。并整合分中心、山洪災(zāi)害等以前所建遙測站點數(shù)據(jù)。

（3）應(yīng)用支撐平臺。應(yīng)用支撐平臺是一個信息集成環(huán)境，將分散、異構(gòu)的應(yīng)用和信息資源進行聚合，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)資源、非結(jié)構(gòu)化文檔和互聯(lián)網(wǎng)資源及各種應(yīng)用系統(tǒng)跨系統(tǒng)平臺的無縫接入和集成，提供一個支持信息訪問、傳遞以及協(xié)作的集成化環(huán)境，實現(xiàn)對業(yè)務(wù)應(yīng)用的高效開發(fā)、集成、部署與管理，并根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的規(guī)劃需求提供相應(yīng)的二次開發(fā)接口，對相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)進行相關(guān)的事務(wù)處理。

（4）業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。主要包括洪水預(yù)報系統(tǒng)、水情查詢系統(tǒng)、站網(wǎng)管理系統(tǒng)、綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)、智慧預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)、空間服務(wù)系統(tǒng)，是中小河流預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)的核心。

（5）門戶系統(tǒng)。通過門戶來實現(xiàn)對應(yīng)用的訪問，包括訪問各種應(yīng)用資源和數(shù)據(jù)資源的各種服務(wù)。統(tǒng)一集成所有業(yè)務(wù)和信息服務(wù)，為用戶提供全部應(yīng)用的統(tǒng)一入口；同時，結(jié)合權(quán)限控制，實現(xiàn)個性化信息服務(wù)。

（6）運維管理體系。運維管理體系是貫穿系統(tǒng)設(shè)計到運行全過程的保障體系，主要包括各個業(yè)務(wù)應(yīng)用的系統(tǒng)維護管理、服務(wù)維護管理以及網(wǎng)絡(luò)安全管理。運維管理是關(guān)系到系統(tǒng)能否正常運轉(zhuǎn)、發(fā)揮效能的關(guān)鍵因素。因此，在系統(tǒng)配置過程中要充分考慮系統(tǒng)建設(shè)中和建成后的運行維護問題，采用集中式配置，以降低后續(xù)運行維護成本。

（7）標準規(guī)范體系。它是指水文監(jiān)測國家標準和行業(yè)標準以及相關(guān)規(guī)范。標準化和規(guī)范化建設(shè)是重要的基礎(chǔ)性工作，是實現(xiàn)水文信息化建設(shè)目標，保證信息交換、共享和應(yīng)用支持有效性和可行性的重要前提。

2.4 技術(shù)架構(gòu)

在技術(shù)路線的選擇上，采用了符合SOA體系架構(gòu)的設(shè)計思想及當(dāng)前業(yè)界主流的J2EE技術(shù)路線，可以滿足跨硬件平臺、跨操作系統(tǒng)的要求。技術(shù)架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 技術(shù)架構(gòu)

Java技術(shù)由于其跨平臺特性、面向?qū)ο筇匦浴踩匦缘?，把?shù)據(jù)庫訪問、企業(yè)級Java組件、命名和目錄服務(wù)、動態(tài)頁面生成、XML、事務(wù)服務(wù)等有機地集成在一起，并且提供集群等高級特性，使之特別適合構(gòu)建復(fù)雜的大型應(yīng)用系統(tǒng)，并保證系統(tǒng)具有很好的可擴展性。

中小河流預(yù)警預(yù)報軟件系統(tǒng)是采用Java開發(fā)的B/S 架構(gòu)系統(tǒng)，可以在絕大部分的硬件設(shè)備（IBM、SUN、HP等）、操作系統(tǒng)（Windows、Unix、Linux、So1ar?is 等）、中間件（WebLogic、WebSphere、tomcat 等）上運行，支持多種數(shù)據(jù)庫及其數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換。

3 業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 洪水預(yù)報系統(tǒng)

將洪水預(yù)報數(shù)學(xué)模型的計算分析、預(yù)報信息的分布服務(wù)聯(lián)為一體，通過分析研究洪水特點及流域地形地貌特征，采用水文學(xué)、水力學(xué)、河流動力學(xué)等相結(jié)合的方法，建立實用的洪水預(yù)報經(jīng)驗方案和數(shù)學(xué)預(yù)報模型。在實際應(yīng)用中，以實時雨情、水情、工情、氣象等各類實時信息作為輸入，通過啟動預(yù)報模型和方法，對洪峰水位（流量）、洪水過程、洪量等洪水要素進行實時預(yù)報，為防汛減災(zāi)指揮部門提供決策依據(jù)。洪水預(yù)報軟件，如圖3所示。

圖3 洪水預(yù)報軟件

洪水預(yù)報系統(tǒng)功能主要包括預(yù)報方案庫管理、預(yù)報模型庫管理、歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)庫管理、預(yù)報方案參數(shù)率定、實時預(yù)報、中長期洪水預(yù)報、區(qū)縣洪水預(yù)報，實現(xiàn)中小河流洪峰及漲、退水過程預(yù)報，針對某一站點可以選擇所有模型進行試算，并選擇最優(yōu)方案；實現(xiàn)洪水預(yù)報模型、預(yù)報方案的管理；結(jié)合預(yù)報模型對中長期洪水進行年、月、旬預(yù)報；實現(xiàn)斷面的實時洪水預(yù)報。具體功能模塊，如圖4所示。

圖4 洪水預(yù)報系統(tǒng)功能模塊

3.2 水情查詢系統(tǒng)

以水情數(shù)據(jù)庫、地理信息數(shù)據(jù)庫為支撐，以Web GIS 及各種圖表為信息展示方式，以信息管理（包括雨情、水情、墑情等）、信息查詢、常用業(yè)務(wù)分析為主要內(nèi)容，提供雨情、水情、墑情等方面直觀的信息查詢、圖形顯示、報表輸出及輔助決策分析服務(wù)。水情查詢系統(tǒng)構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 水情查詢系統(tǒng)構(gòu)成

其建設(shè)內(nèi)容包括：①建設(shè)雨情、水情以及各種水情業(yè)務(wù)信息的質(zhì)量監(jiān)控子系統(tǒng)；②建設(shè)實時氣象、數(shù)值預(yù)報、實時雨情、實時水情等各種水情信息的監(jiān)視和查詢子系統(tǒng)；③建設(shè)綜合全面的信息分析子系統(tǒng)，對實時雨情、水情等各種水情業(yè)務(wù)信息從空間和時間上進行多維的對比分析處理；④建設(shè)面向空間層次體系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對實時雨情、水情等各種水情業(yè)務(wù)信息以空間多維形式展示；⑤建設(shè)產(chǎn)品制作子系統(tǒng)，包括各類文檔報表制作以及雨情、水情等各種水情業(yè)務(wù)信息的信息發(fā)布。

3.3 測站管理系統(tǒng)

建立統(tǒng)一的站網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享平臺，利用數(shù)據(jù)庫管理和GIS空間分析技術(shù)，建立涵蓋所有水文站網(wǎng)管理、可進行站網(wǎng)布局與自然和社會經(jīng)濟關(guān)系分析的管理信息系統(tǒng)，為站網(wǎng)調(diào)整和建設(shè)服務(wù)。站網(wǎng)管理系統(tǒng)提供多種信息管理，主要包括基礎(chǔ)類信息管理、站網(wǎng)規(guī)劃、站點分布圖、站點查詢統(tǒng)計、站點設(shè)備配置、站點編碼管理、年極值系列維護、極值系列統(tǒng)計、資料整編等。

3.4 綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)

用于處理日常辦公文檔、值班業(yè)務(wù)、短信息、系統(tǒng)用戶和權(quán)限管理、數(shù)據(jù)庫管理和維護的信息綜合管理服務(wù)平臺，協(xié)助工作人員便捷、高效完成日常公文處理、數(shù)據(jù)管理、用戶管理等系統(tǒng)管理維護工作。該系統(tǒng)結(jié)合水情值班實際，以實用為目的，充分滿足水情值班人員的日常工作需要。綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)構(gòu)成，如圖6所示。

3.5 智慧預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)

建立一套先進的中小河流預(yù)警分析、預(yù)警信息發(fā)布和應(yīng)急響應(yīng)管理系統(tǒng)，為防御災(zāi)害、確保人民群眾生命財產(chǎn)安全提供信息和技術(shù)支撐。預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)對實時水雨情數(shù)據(jù)、預(yù)報數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)的模型參數(shù)進行分析，根據(jù)不同的預(yù)警級別分別給出相關(guān)提示信息，并結(jié)合經(jīng)濟社會信息數(shù)據(jù)自動分析影響范圍、預(yù)警對象等，發(fā)送預(yù)警信息，動態(tài)跟蹤預(yù)警信息的發(fā)送結(jié)果及反饋等信息。智慧預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成，如圖7所示。

圖6 綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)構(gòu)成

圖7 智慧預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成

其主要包括以下建設(shè)內(nèi)容：①建立預(yù)警模型數(shù)據(jù)庫，包括測站預(yù)警指標模型、流域預(yù)警指標模型；②開發(fā)一套預(yù)警信息分析系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)讀取、指標分析、預(yù)警分級、生成預(yù)警信息、預(yù)警列表、預(yù)警圖示和測站預(yù)警指標模型管理等功能，系統(tǒng)支持單站臨界雨量分析、區(qū)域山洪臨界雨量分析、內(nèi)插法分析、比擬法分析、災(zāi)害與降雨頻率分析、動態(tài)臨界雨量分析等；③開發(fā)一套預(yù)警信息發(fā)布管理系統(tǒng)，包括預(yù)警部門信息管理、預(yù)警人員信息管理、預(yù)警信息發(fā)布、預(yù)警反饋信息管理、歷史記錄管理、預(yù)警終端設(shè)備管理、預(yù)警信息獲取、短信隊列管理、自動發(fā)送短信和自定義短信等功能。

3.6 空間服務(wù)系統(tǒng)

通過運用3S技術(shù)，實現(xiàn)水利信息數(shù)據(jù)的空間存儲管理、空間查詢、專題地圖制作和輸出、洪水淹沒模型建立、空間分析等，從而使空間服務(wù)系統(tǒng)起到輔助決策的作用，為水利部門和領(lǐng)導(dǎo)提供科學(xué)的決策依據(jù)?？臻g服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成，如圖8所示。

系統(tǒng)功能主要包括：專題圖制作、空間查詢、緩沖區(qū)分析、在線標繪圖形輸出、影像數(shù)據(jù)管理、三維展示等。

4 關(guān)鍵預(yù)報模型技術(shù)

4.1 集總式模型

水文預(yù)報模型是隨著計算機技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展而產(chǎn)生的一種對流域內(nèi)發(fā)生的水文過程進行模擬的技術(shù)，通過一系列數(shù)學(xué)方程來模擬水文自然過程。預(yù)報模型是洪水預(yù)報系統(tǒng)的核心，洪水預(yù)報系統(tǒng)就是緊緊圍繞預(yù)報模型、管理和運行預(yù)報模型，展現(xiàn)預(yù)報模型運行結(jié)果。

目前，中小河流預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)已經(jīng)涵蓋模型構(gòu)件35個，包括國內(nèi)常用的模型[如三水源蓄滿產(chǎn)流模型（SMS_3）、單一線降雨徑流相關(guān)法（P_RWLL）、多線降雨徑流相關(guān)法（P_RZHJR）、薩克拉門托模型（SAC）、三水源滯后演算法（LAG_3）、分段馬斯京根河道演算法（MSK）、經(jīng)驗單位線（UH_B）、匯流系數(shù)法（UH_C）、擴散波模型（KSB）]以及各級流域機構(gòu)、省水文部門依據(jù)預(yù)報對象特定情況開發(fā)的特定斷面經(jīng)驗?zāi)Ｐ停ㄈ玳L江水利委員會水文局開發(fā)的螺山站經(jīng)驗預(yù)報模型、黃河水利委員會水文局開發(fā)的花園口站經(jīng)驗預(yù)報模型、湖北省水文局開發(fā)的沙市站經(jīng)驗預(yù)報模型等）。

4.2 分布式水文模型

中小河流洪水具有突發(fā)性強、流速快、預(yù)見期短以及分布廣的特點，因此中小河流洪水預(yù)報與常規(guī)水文預(yù)報的思路有所不同。

中小河流洪水易發(fā)區(qū)一般水文資料較少，集總式模型比分布式水文模型對資料的要求要高，給模型參數(shù)率定和檢驗帶來困難。

傳統(tǒng)的集總式模型往往是將研究區(qū)域當(dāng)作一個總體來考慮其與外界的物質(zhì)能量交換，很難給出流域內(nèi)部的水文過程描述。分布式水文模型與傳統(tǒng)的集總式水文模型相比，充分考慮了流域空間變異性，針對中小河流突發(fā)性洪水特點，通過利用高精度數(shù)字高程模型（DEM）生成數(shù)字流域，構(gòu)建分布式產(chǎn)匯流模型，進而獲得每個子流域出口斷面的洪水預(yù)報數(shù)據(jù)，能夠更加客觀科學(xué)地揭示流域內(nèi)的水文循環(huán)過程?；跉庀笮l(wèi)星、天氣雷達、地面雨量站點相結(jié)合的多源信息融合技術(shù)，應(yīng)用氣象模型與分布式水文模型耦合的模式可以相對準確地預(yù)測中小河流洪水易發(fā)區(qū)未來幾個小時降雨，并用未來降雨進行水文模擬計算，可以有效提高中小河流洪水預(yù)報的預(yù)見期。

4.3 相關(guān)圖法經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/h3>

系統(tǒng)目前支持降水徑流相關(guān)法、相應(yīng)水位（流量）法等。

4.3.1 水位流量關(guān)系

流量的測算比較復(fù)雜，不可能也沒有必要通過連續(xù)觀測來直接點繪流量過程線；而水位的觀測比較容易，且水位隨時間的變化過程較易獲得。水文站一般是通過一定次數(shù)的流量測驗，根據(jù)實測的水位和流量的對應(yīng)資料建立水位與流量的關(guān)系曲線。通過水位流量關(guān)系曲線，可以把水位變化過程轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的流量變化過程。

圖8 空間服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成

4.3.2 降水徑流相關(guān)法（API）

降雨徑流相關(guān)法是以流域產(chǎn)流的物理機制為基礎(chǔ)，以主要影響因素作參變量，建立降雨量（P）與產(chǎn)流量（R）之間的相關(guān)關(guān)系。降雨徑流相關(guān)法常配合單位線進行區(qū)間徑流模擬及預(yù)報。常用的參變量有前期雨量指數(shù)（Pa）（反映前期土濕）、季節(jié)或月份、周次（反映洪水發(fā)生時間）和降雨歷時（T）或降雨強度等，也有反映雨型、暴雨中心位置等因素的參變量。常用的是三變量相關(guān)圖。以次降雨量（P）為縱坐標，以相應(yīng)的徑流深R（Rs）為橫坐標，可按對應(yīng)的P、R（Rs）在圖上繪一個點，并把它的Pa值注在點旁，然后按點群分布的趨勢，照顧大多數(shù)點，繪出以Pa為參數(shù)的等值線，即為P－Pa－R（Rs）三變量相關(guān)圖法。降水徑流相關(guān)法，如圖9所示。

4.3.3 相應(yīng)水位（流量）法

相應(yīng)水位（流量）法是用已知河段上斷面的水位（流量），預(yù)報河段下斷面的水位（流量）的方法。同時，對于多支流河段相應(yīng)水位（流量）預(yù)報可采用合成流量法，即下游站的預(yù)報流量與上游干支流相應(yīng)流量之和形成的。

圖9 降水徑流相關(guān)法

5 結(jié)語

中小河流預(yù)警預(yù)報軟件系統(tǒng)的建設(shè)，可以全面提高中小河流水文監(jiān)測和預(yù)警預(yù)報能力，為決策人員提供很好的支持；逐步建立集信息管理與服務(wù)、信息統(tǒng)計分析與專業(yè)應(yīng)用和決策支持于一體的水文信息服務(wù)體系，為各地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展和綜合治理提供全方位的水文信息服務(wù)。