馬曉萍，孫政軒，金輝明

（1.余杭區(qū)苕溪堤防河道管理所，浙江 杭州 311115；2.杭州知水科技有限公司，浙江 杭州 310009）

1 問題的提出

流量是進(jìn)行河道行洪能力分析和水量計(jì)算的基礎(chǔ)，是進(jìn)行流域防洪和水資源分配調(diào)度的重要依據(jù)。特別是流域水量計(jì)算需要有不間斷的流量資料，傳統(tǒng)人工觀測(cè)流量的方法無法達(dá)到序列流量監(jiān)測(cè)的要求。目前自動(dòng)測(cè)流技術(shù)為獲取序列流量資料提供可能，但由于實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)受到河段條件和測(cè)流技術(shù)等制約，只有在條件較好的河段能夠?qū)崿F(xiàn)，無法實(shí)現(xiàn)全流域的流量監(jiān)測(cè)[1]。就目前來看，無論是人工觀測(cè)還是自動(dòng)測(cè)流技術(shù)都無法實(shí)現(xiàn)全流域全序列流量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。本研究將充分考慮不同斷面的實(shí)際情況，采用流量觀測(cè)和科學(xué)計(jì)算相結(jié)合的方式，填補(bǔ)流域內(nèi)各重要斷面和水利工程的流量數(shù)據(jù)空白，形成全流域全序列的流量數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)融合、并行計(jì)算和地理信息等技術(shù)，對(duì)全流域流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和綜合展示，為流域防洪和水量計(jì)算提供技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[2]。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)可分為用戶層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、應(yīng)用支撐層、數(shù)據(jù)資源層及基礎(chǔ)設(shè)施層（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

（1）用戶層：平臺(tái)可分別在PC端和移動(dòng)端顯示各種展示頁面，并提供水量分析功能。

（2）業(yè)務(wù)應(yīng)用層：平臺(tái)通過調(diào)取各類流量數(shù)據(jù)，為終端提供流域站點(diǎn)的地圖展示、實(shí)時(shí)流量融合展示、單站多源流量過程綜合展示、全流域階段水量分析計(jì)算以及后臺(tái)配置功能。

（3）應(yīng)用支撐層：該層實(shí)現(xiàn)對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集或計(jì)算，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)，包括人工觀測(cè)數(shù)據(jù)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及模型計(jì)算數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)資源層：該層可提取人工觀測(cè)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)流量數(shù)據(jù)，并可通過水位流量關(guān)系或上下游水位流量相關(guān)模型計(jì)算流量數(shù)據(jù)等。

（5）基礎(chǔ)設(shè)施層：采用分式架構(gòu)從各種數(shù)據(jù)源實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集各類流量相關(guān)數(shù)據(jù)，其中包括實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)、氣象未來降雨數(shù)據(jù)、原始流量數(shù)據(jù)等。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于要素的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

本平臺(tái)計(jì)算模型涉及各類觀測(cè)要素，如雨量、水位、流量以及氣溫等數(shù)據(jù)。為提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可擴(kuò)展性，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)借用“大數(shù)據(jù)”思想，采用基于要素的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)后期任意擴(kuò)展觀測(cè)要素的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、通用性和兼容性[3]。

3.2 上下游水位流量相關(guān)模型計(jì)算技術(shù)

充分運(yùn)用前期上下游水位流量相關(guān)模型分析研究成果，對(duì)于水位流量關(guān)系混亂的斷面，引入投影尋蹤回歸非線性方法，建立多個(gè)上下游水位和斷面流量的非正態(tài)非線性高維數(shù)據(jù)空間關(guān)系，以推算流量與實(shí)測(cè)流量之差的方差最小為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，尋求模型的最優(yōu)化參數(shù)，并通過建立水位和流量關(guān)系模型，推求斷面實(shí)時(shí)流量過程數(shù)據(jù)。

3.3 水量并行計(jì)算技術(shù)

區(qū)域或流域的水量計(jì)算具有數(shù)據(jù)時(shí)間序列長(zhǎng)、流量輸入對(duì)象多等特點(diǎn)[4]?？紤]到系統(tǒng)基于WEB端或移動(dòng)端，對(duì)于數(shù)據(jù)的響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求，需要控制在秒級(jí)以內(nèi)，水量計(jì)算過程采用并行計(jì)算技術(shù)，對(duì)輸入?yún)?shù)和時(shí)間序列進(jìn)行任務(wù)切分，建立并行任務(wù)進(jìn)行同步計(jì)算，計(jì)算時(shí)間與服務(wù)器的CPU核數(shù)相關(guān)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，平臺(tái)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況，對(duì)服務(wù)器性能進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，保證系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間在可承受范圍內(nèi)。

3.4 多源流量數(shù)據(jù)融合技術(shù)

在流域形勢(shì)綜合展示界面，通過綜合人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的高可靠性、自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高實(shí)時(shí)性以及計(jì)算數(shù)據(jù)的高完整性，通過實(shí)時(shí)校正技術(shù)和流量數(shù)據(jù)融合模型，分析計(jì)算實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)，在地圖上綜合展示各個(gè)水利工程和重要河道斷面的流量數(shù)據(jù)，為防汛決策提供數(shù)據(jù)支持。

4 平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用

4.1 平臺(tái)實(shí)例簡(jiǎn)介

余杭區(qū)水雨情分析管理平臺(tái)二期是在一期水雨情信息日常分析和展示功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能升級(jí)，洪水輔助預(yù)報(bào)系統(tǒng)作為二期項(xiàng)目的一部分，需要在“一張圖”上綜合展示全流域內(nèi)所有水利工程和重要斷面的流量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)包括重要控制站流量計(jì)算、流域內(nèi)水利工程和重要斷面拓?fù)湔故?、?shí)時(shí)流量融合展示、站點(diǎn)過程流量綜合展示、流域水量階段性分析以及后臺(tái)配置等功能。

4.2 流域水利工程和重要斷面拓?fù)湔故?/h3>

為能較直觀展示流域水利工程和河道重要控制站的拓?fù)潢P(guān)系，系統(tǒng)采用全流域拓?fù)潢P(guān)系圖方式，在圖上繪制各個(gè)水利工程和河道控制站之間的匯流時(shí)間和匯流過程，并標(biāo)出各個(gè)控制站點(diǎn)的綜合水位和流量數(shù)據(jù)（見圖2），決策者通過該圖可快速掌握當(dāng)前的流域防洪形勢(shì)。

圖2 全流域拓?fù)潢P(guān)系圖

4.3 重要控制站流量計(jì)算

對(duì)流域內(nèi)不同斷面，根據(jù)實(shí)際情況，采用不同的方法計(jì)算推求流量。對(duì)于水位流量關(guān)系比較穩(wěn)定的站點(diǎn)，采用水位流量關(guān)系線推求，如上游潘板站，通過對(duì)歷年關(guān)系線定線就可在實(shí)踐中應(yīng)用。而對(duì)于水位流量關(guān)系比較混亂的站點(diǎn)，如瓶窯站和余杭站，引入前期研究的投影尋蹤回歸非線性方法，建立瓶窯和上下游站點(diǎn)的關(guān)系模型，通過回歸分析計(jì)算，尋求模型的最優(yōu)化參數(shù)，并通過建立的關(guān)系模型推求實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)。瓶窯水文站推求流量過程線見圖3。

圖3 瓶窯水文站推求流量過程線圖

4.4 多源流量數(shù)據(jù)融合分析

通過數(shù)據(jù)的匯集，同一個(gè)河道控制站可能有3套流量數(shù)據(jù)，包括人工觀測(cè)數(shù)據(jù)、模型計(jì)算數(shù)據(jù)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。綜合考慮人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性、自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和模型計(jì)算數(shù)據(jù)的完整性，分析計(jì)算綜合性實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)，并標(biāo)出當(dāng)前流量數(shù)據(jù)的來源信息。若存在人工觀測(cè)數(shù)據(jù)，以人工數(shù)據(jù)為主；不存在人工觀測(cè)數(shù)據(jù)，則查詢是否存在自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如不存在，通過模型計(jì)算得到流量數(shù)據(jù)，從而獲得全流域全序列的流量數(shù)據(jù)，在展示時(shí)顯示最新的流量數(shù)據(jù)（見圖4）。

圖4 多源流量數(shù)據(jù)融合展示界面

4.5 流域水量階段性分析

水量計(jì)算是進(jìn)行水利防洪和流域水量調(diào)配的基礎(chǔ)，特別是水資源月報(bào)、年報(bào)的計(jì)算都需要對(duì)流域內(nèi)的水量進(jìn)行分析計(jì)算[5]。充分運(yùn)用前期全流域水利工程和重要斷面的全序列過程流量數(shù)據(jù)，并借助大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和并行計(jì)算技術(shù)，系統(tǒng)可快速計(jì)算出任意時(shí)間段內(nèi)的流域水量，為快速生成各類水資源報(bào)表提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。

4.6 后臺(tái)配置

為便于系統(tǒng)管理和維護(hù)，提供水利工程或重要控制站點(diǎn)的流量計(jì)算和接入方式控制以及計(jì)算模型參數(shù)配置功能。管理員通過后臺(tái)可控制計(jì)算方式和模型參數(shù)，提高系統(tǒng)的可配置性和可維護(hù)性。

5 結(jié) 語

從水利防洪調(diào)度和水量分析計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，提出建立全流域多源流量數(shù)據(jù)融合分析及展示平臺(tái)，主要取得以下研究成果：

（1）目前對(duì)于流域水資源計(jì)算而言，長(zhǎng)期存在流域內(nèi)流量站點(diǎn)少，流域水量交換無法精確計(jì)算等難題。本研究采用多種方式，收集或計(jì)算流域內(nèi)水利工程和重要斷面的全序列流量過程，有效解決長(zhǎng)期存在的流域水量精細(xì)化計(jì)算難題。

（2）對(duì)于流域防洪而言，由于地理?xiàng)l件的限制，實(shí)時(shí)流量監(jiān)測(cè)站較少，在防洪調(diào)度關(guān)鍵時(shí)期無法了解全流域的流量情況。本研究通過多源流量融合分析模型，“一張圖”展示出流域內(nèi)的水利工程和河道控制站點(diǎn)的綜合流量數(shù)據(jù)，為防洪調(diào)度決策人員快速了解和掌握流域形勢(shì)提供便利。

（3）對(duì)于常規(guī)水位流量關(guān)系線無法推求的斷面，充分運(yùn)用前期的研究成果，采用投影尋蹤回歸非線性方法，建立上下游水位和流量的關(guān)系進(jìn)行推求，為河道流量計(jì)算提供新的技術(shù)解決方案。