侯?lèi)?ài)中，胡宏昌，胡智丹，劉志雨

（1.水利部信息中心，100053，北京；2.清華大學(xué)，100083，北京）

新中國(guó)成立以來(lái)，各種水利工程措施和非工程措施建設(shè)大大減輕了洪水和干旱對(duì)我國(guó)的影響，不過(guò)洪災(zāi)和旱災(zāi)依然是威脅我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全的主要災(zāi)種。中小河流洪水由于突發(fā)性強(qiáng)、預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期短以及資料缺乏等原因，預(yù)報(bào)預(yù)警難度大， 洪水防御困難多。 此外，2000 年以來(lái)我國(guó)干旱事件頻發(fā)重發(fā)，究其原因，除局部降水減少及水利基礎(chǔ)設(shè)施配套不足等因素之外，干旱監(jiān)測(cè)和預(yù)警工作相對(duì)薄弱也是一個(gè)重要因素，以致目前我國(guó)在干旱預(yù)防和應(yīng)對(duì)方面主要以“被動(dòng)抗旱”為主，無(wú)法做到“主動(dòng)防旱”。

水文監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警是防汛抗旱減災(zāi)工作的重要環(huán)節(jié)。 近年，水文監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警在減少災(zāi)害損失、保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全等方面發(fā)揮了重要作用，但我國(guó)水文監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)仍存在不少問(wèn)題。 單就水文預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)而言，主要存在以下問(wèn)題：①水文計(jì)算一般局限于單點(diǎn)或者單個(gè)斷面的水位、流量、土壤含水量等信息，沒(méi)有河道沿線(xiàn)及流域內(nèi)的空間分布信息，無(wú)法實(shí)時(shí)計(jì)算洪水淹沒(méi)過(guò)程和淹沒(méi)范圍；②現(xiàn)有方法僅適用于有長(zhǎng)系列觀測(cè)資料的站點(diǎn)，在觀測(cè)資料缺乏或不足的中小流域預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)開(kāi)展難度大； ③洪水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)開(kāi)展較多，干旱、地下水等其他預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)開(kāi)展較少，且將不同水文要素割裂開(kāi)來(lái)進(jìn)行預(yù)報(bào)，沒(méi)有考慮內(nèi)在聯(lián)系；④經(jīng)驗(yàn)性方法（如API、上下游相關(guān)、增退熵曲線(xiàn)等）和概念性方法（新安江、河北雨洪等）應(yīng)用較多，具有物理機(jī)制的水文模型、水動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用較少，對(duì)北方超滲產(chǎn)流地區(qū)的預(yù)報(bào)支撐不足； ⑤降雨多是按照單站雨量區(qū)域均值輸入到模型中，無(wú)法使用降水雷達(dá)等多源監(jiān)測(cè)信息， 無(wú)法反映降雨的空間變異性，一定程度上影響了預(yù)報(bào)精度。

具有一定物理機(jī)制的分布式水文模型為上述問(wèn)題提供了一個(gè)解決辦法，部分高校、科研院所及生產(chǎn)單位都進(jìn)行過(guò)有益嘗試，但是目前國(guó)內(nèi)水文部門(mén)尚未有一個(gè)通用性強(qiáng)、完全基于網(wǎng)格或者子流域、具有水文全要素計(jì)算能力的分布式業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)。 原因有以下幾方面：一是分布式水文模型需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)， 而多數(shù)水文部門(mén)沒(méi)有這些數(shù)據(jù)；二是水文部門(mén)具有深厚專(zhuān)業(yè)技術(shù)背景的人才比較缺乏，完全理解并正確應(yīng)用模型具有一定難度；三是部分人員認(rèn)為分布式水文模型的預(yù)報(bào)精度不一定比經(jīng)驗(yàn)或概念性的模型預(yù)報(bào)精度高，因此沒(méi)有必要；四是分布式水文模型計(jì)算流程較為復(fù)雜，需要較強(qiáng)的計(jì)算資源作為支撐。

黨中央、國(guó)務(wù)院高度重視防災(zāi)減災(zāi)工作，提出了“兩個(gè)堅(jiān)持”“三個(gè)轉(zhuǎn)變”的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理和綜合減災(zāi)新理念。 新時(shí)期防汛抗旱減災(zāi)工作對(duì)水文預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)范圍、內(nèi)容、深度的要求越來(lái)越高，主要表現(xiàn)在由主要江河洪水預(yù)報(bào)向中小河流洪水預(yù)警延伸，由短期洪水預(yù)報(bào)向中長(zhǎng)期水文預(yù)測(cè)延伸，由防汛抗洪向抗旱服務(wù)、城市防洪、水資源調(diào)度等方面拓展等。 面對(duì)防汛抗旱新形勢(shì)新要求，水文預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)也需要新發(fā)展。 本文調(diào)研了國(guó)內(nèi)外水文預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了分布式水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)的需求和關(guān)鍵技術(shù)，并初步構(gòu)建了一套基于開(kāi)源GIS 的模塊化分布式全要素水文循環(huán)模擬系統(tǒng)， 以期為防汛、抗旱、水資源、水環(huán)境等領(lǐng)域的信息化建設(shè)提供參考。

一、水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)在我國(guó)的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段。

第一階段是水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)階段， 從研制水文自動(dòng)遙測(cè)洪水警報(bào)、預(yù)報(bào)系統(tǒng)開(kāi)始，使用遙測(cè)水文信息（雨量、水位），實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)洪水預(yù)報(bào)作業(yè)，如20 世紀(jì)80 年代中國(guó)水利水電科學(xué)研究院在DOS 系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)的一套適用于中小流域的洪水預(yù)報(bào)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。

第二階段是聯(lián)機(jī)作業(yè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)階段， 其主要特點(diǎn)是集水情信息采集、傳輸、處理和洪水預(yù)報(bào)計(jì)算為一體， 以便快速完成洪水預(yù)報(bào)作業(yè)，如原水利部水文水利調(diào)度中心與意大利諾蒂公司合作， 于1983 年開(kāi)發(fā)的“VAX 機(jī)聯(lián)機(jī)實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)”。

第三階段是實(shí)時(shí)校正預(yù)報(bào)系統(tǒng)階段，在洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)中引入現(xiàn)代控制理論，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息和預(yù)報(bào)結(jié)果的實(shí)時(shí)校正，如原水利部水利信息中心1997 年研制的“水情信息及洪水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)”。

第四階段是交互式洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)階段，利用圖形交互處理技術(shù)對(duì)洪水預(yù)報(bào)中間環(huán)節(jié)進(jìn)行人工干預(yù)，充分利用專(zhuān)家、預(yù)報(bào)員的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互式預(yù)報(bào)， 實(shí)現(xiàn)河系連續(xù)預(yù)報(bào)，提高洪水預(yù)報(bào)精度和水平，如水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)1995 年開(kāi)發(fā)的“長(zhǎng)江專(zhuān)家交互式洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)”、原水利部水利信息中心1998 年起組織研發(fā)的“中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)”。

與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)一些單位還研發(fā)了Web 環(huán)境下的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，采用B/S 多層體系結(jié)構(gòu)， 信息集中處理和存貯，以通用Web 瀏覽器作為用戶(hù)界面，Web 服務(wù)器存貯和處理信息，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器存貯屬性和空間數(shù)據(jù)，達(dá)到同時(shí)為多個(gè)不同地點(diǎn)用戶(hù)迅速服務(wù)的要求，具有良好的跨平臺(tái)性和擴(kuò)展性，使洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)研發(fā)從模型開(kāi)發(fā)走向應(yīng)用服務(wù)。

近年，國(guó)際水文界出現(xiàn)了許多新理念、新技術(shù)、新方法，美國(guó)、歐洲等國(guó)家和地區(qū)積極開(kāi)展早期洪水預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)實(shí)踐。 歐盟組織研發(fā)并投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的歐洲洪水感知系統(tǒng)（EFAS），利用多源信息融合、 氣象集合預(yù)報(bào)、數(shù)值高程模型、分布式水文模型、地理信息系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感等先進(jìn)信息技術(shù)和氣象水文預(yù)報(bào)方法，實(shí)時(shí)向歐洲各國(guó)水文氣象預(yù)報(bào)服務(wù)中心發(fā)布中期洪水概率警報(bào)，為防汛部門(mén)提前做好準(zhǔn)備、及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息、盡快啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)等提供技術(shù)支撐，在2013 年夏季中歐“世紀(jì)洪水”應(yīng)急管理中發(fā)揮了作用。 美國(guó)開(kāi)發(fā)的國(guó)家洪水預(yù)警系統(tǒng)采用同化技術(shù)、大氣-陸面耦合模擬技術(shù)、基于網(wǎng)格的分布式產(chǎn)匯流技術(shù)、 集合概率預(yù)報(bào)技術(shù)等， 已于2016 年起投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，可提供未來(lái)18 h、10 d、30 d 的預(yù)報(bào)以及全美267萬(wàn)條河段流量的實(shí)時(shí)同化結(jié)果，其空間分辨率可達(dá)1 km， 結(jié)合數(shù)據(jù)同化技術(shù)， 實(shí)時(shí)同化全美約7000 個(gè)站點(diǎn)的河流流量資料， 實(shí)現(xiàn)對(duì)美國(guó)本土267萬(wàn)條河段流量的模擬和預(yù)報(bào)，洪水模擬可小至街道尺度上的洪水水深和泛濫范圍，實(shí)現(xiàn)了從洪水要素預(yù)報(bào)向洪水影響（經(jīng)濟(jì)社會(huì)）預(yù)報(bào)的轉(zhuǎn)變。 瑞典氣象和水文研究所利用HYPE（Hydrological Predictions for the Environment）分布式水文模型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全球范圍的徑流模擬。

二、分布式水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)需求分析及關(guān)鍵技術(shù)

一般來(lái)說(shuō)，分布式水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)該具備以下幾方面能力：一是可以模擬整個(gè)流域內(nèi)的水文循環(huán)過(guò)程，包括降雨截留、截留蒸發(fā)、葉面蒸騰、地表蒸發(fā)、土壤水分運(yùn)動(dòng)、坡面匯流、潛水出流、河網(wǎng)匯流、水庫(kù)調(diào)度等各個(gè)水文過(guò)程，較為復(fù)雜的還可以加上人工取用水、水質(zhì)模擬、泥沙沖淤等過(guò)程；二是可以反映降雨、蒸散發(fā)、土壤水、地下水等面狀水文要素以及河道水位、流量等線(xiàn)狀水文要素的空間分布特征；三是系統(tǒng)計(jì)算速度要快。

構(gòu)建分布式水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)主要有以下四個(gè)方面：

1.多源信息融合同化技術(shù)

降水是水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)最重要的輸入之一，其精度在很大程度上決定水文預(yù)報(bào)的精度；預(yù)報(bào)起始時(shí)刻的土壤水、地下水等下墊面狀態(tài)信息作為分布式預(yù)報(bào)系統(tǒng)的初始值，也極大影響降水與土壤水、地表水、地下水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。 因此，根據(jù)地面站、雷達(dá)、衛(wèi)星遙感等多種手段監(jiān)測(cè)到的多源信息，采用數(shù)據(jù)融合、模型同化等方式得到高精度的雨量場(chǎng)、土壤含水量場(chǎng)、地下水場(chǎng)等，對(duì)提高分布式系統(tǒng)預(yù)報(bào)精度具有極為重要的意義。

2.分布式水文預(yù)報(bào)技術(shù)

流域下墊面具有地形地貌不同、土地利用類(lèi)型不同、 土壤類(lèi)型不同、植被覆蓋不同等空間變異性，在同一地點(diǎn)不同深度的土壤特性也不盡相同，加上千差萬(wàn)別的江河湖庫(kù)等水流路徑，給水文預(yù)報(bào)帶來(lái)了極大難度。

3.高性能計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)

若采用基于數(shù)學(xué)物理方程的分布式水文模擬技術(shù)，以及全國(guó)范圍的網(wǎng)格式計(jì)算，勢(shì)必需要可媲美氣象數(shù)值預(yù)報(bào)的超大計(jì)算量和數(shù)據(jù)量，因此如何有效使用高性能并行計(jì)算技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)也是需要著力解決的關(guān)鍵難題。

4.概率預(yù)報(bào)、風(fēng)險(xiǎn)分析及基于預(yù)報(bào)不確定性的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度技術(shù)

由于氣象預(yù)報(bào)和水文模型都有不確定性，采用不同氣象模式的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品和不同水文模型進(jìn)行多模式多模型集合預(yù)報(bào)和概率預(yù)報(bào)，是目前常用的減少預(yù)報(bào)不確定的方法；對(duì)于水庫(kù)而言，基于風(fēng)險(xiǎn)對(duì)沖等原理研究預(yù)報(bào)不確定性條件下的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，在確保防洪安全的情況下提高水庫(kù)綜合利用效益，也是需要給予充分重視的新問(wèn)題。

三、基于GIS 的分布式水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)

基于具有物理機(jī)制的分布式水文水動(dòng)力學(xué)模型（HHModel），開(kāi)發(fā)了一套基于開(kāi)源GIS 的分布式全要素水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)（HHFS），結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

考慮兼容性和擴(kuò)展性需求，系統(tǒng)采用了模塊化的開(kāi)發(fā)框架，將水文計(jì)算劃分為坡面產(chǎn)流、坡面匯流、河道匯流、工程調(diào)度、淹沒(méi)分析等5 個(gè)模塊，模塊之間定義標(biāo)準(zhǔn)接口。 系統(tǒng)輸入主要為網(wǎng)格化的降水產(chǎn)品及多年平均蒸散發(fā)能力（如果有溫、濕、風(fēng)、壓等氣象信息，也可以實(shí)時(shí)計(jì)算蒸散發(fā)能力），模型計(jì)算需要的地形地貌、土壤、植被、土地利用類(lèi)型等基礎(chǔ)信息均來(lái)自公開(kāi)的數(shù)據(jù)庫(kù)，詳細(xì)的河流水系及水利工程等信息可以由水利普查成果提供。 系統(tǒng)輸出主要包括實(shí)際蒸散發(fā)量、網(wǎng)格化的地表、壤中和地下徑流深、不同深度（10 cm、20 cm、40 cm 等）的土壤含水量及相對(duì)濕度、地下水蓄變量、任一河段的水位流量過(guò)程、水庫(kù)入庫(kù)流量及經(jīng)過(guò)調(diào)度的出庫(kù)流量和水位變化過(guò)程、洪水淹沒(méi)范圍、深度和時(shí)間等產(chǎn)品。

圖1 HHFS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

需要注意的是，由于采用了基于土壤水動(dòng)力學(xué)理論的水文模型，系統(tǒng)可以模擬降水條件下水分從地表向土壤深層的滲透過(guò)程，以及無(wú)雨條件下自土壤深層向地表的蒸散發(fā)失水過(guò)程，如圖2（a）所示。 基于土壤含水量計(jì)算結(jié)果，結(jié)合田間持水量，可以計(jì)算土壤相對(duì)濕度， 從而可以評(píng)估和預(yù)測(cè)土壤的干旱程度，如圖2（b）所示。此外，由于采用了基于網(wǎng)格和子流域的匯流算法，系統(tǒng)可以模擬任意大小流域任意網(wǎng)格精度的河道洪水演進(jìn)過(guò)程，如圖2（c）所示。 在淹沒(méi)分析方面，考慮到一、二維水力學(xué)方法計(jì)算效率較低， 系統(tǒng)采用了基于GIS 技術(shù)、適用于大范圍快速計(jì)算的淹沒(méi)分析計(jì)算方法，可以根據(jù)水位計(jì)算結(jié)果快速分析洪水的淹沒(méi)范圍和深度，如圖2（d）所示。

四、結(jié)論與展望

隨著遙感和地理信息系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)技術(shù)、分布式水文水力學(xué)模型技術(shù)、 高性能并行計(jì)算技術(shù)、三維仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等的快速發(fā)展，建設(shè)基于云平臺(tái)的網(wǎng)格化智能化水文預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。基于開(kāi)源GIS 和具有物理基礎(chǔ)的分布式水文水動(dòng)力學(xué)模型， 初步構(gòu)建了一套分布式全要素水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從單點(diǎn)水文計(jì)算向線(xiàn)面連續(xù)計(jì)算、 從單一洪水預(yù)報(bào)向全水文要素預(yù)報(bào)的拓展， 其中的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)可以用于農(nóng)業(yè)旱情評(píng)估和預(yù)測(cè)， 地下水計(jì)算結(jié)果可以用于水資源評(píng)估和預(yù)測(cè)，洪水淹沒(méi)范圍和深度等信息可以用于災(zāi)情評(píng)估和預(yù)測(cè)。 未來(lái)考慮再加上水質(zhì)和泥沙模塊， 以用于水環(huán)境評(píng)估和預(yù)測(cè)、水土流失評(píng)估和預(yù)測(cè)等領(lǐng)域。

圖2 HHFS 系統(tǒng)輸出的部分產(chǎn)品示意圖

盡管分布式水文預(yù)報(bào)平臺(tái)具有很多優(yōu)勢(shì)，但不可否認(rèn)，分布式模型固有的 “數(shù)據(jù)需求多”“模型參數(shù)多”“維數(shù)災(zāi)”等問(wèn)題依然存在，未來(lái)可以考慮通過(guò)衛(wèi)星遙感、激光測(cè)量等方法獲取更高精度的下墊面信息，采用數(shù)據(jù)同化、集合預(yù)報(bào)和概率預(yù)報(bào)的方法解決預(yù)報(bào)初值和不確定性問(wèn)題，采用高性能并行計(jì)算方法解決 “維數(shù)災(zāi)”等問(wèn)題。 最后，類(lèi)似系統(tǒng)的建設(shè)是一個(gè)比較復(fù)雜的工程，涉及數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、安全、業(yè)務(wù)等水利信息化各個(gè)領(lǐng)域的資源整合，技術(shù)難度大、協(xié)調(diào)任務(wù)重，應(yīng)該制定統(tǒng)一的規(guī)劃和實(shí)施方案，有組織、有計(jì)劃地推動(dòng)。