史彩霞，陳劍飛*，李 勇，萬家權，鐘利華，王振國

（1.廣西壯族自治區(qū)氣象災害防御技術中心，南寧 530001；2.南京信息工程大學，南京 210044）

前言

水電是清潔可再生能源［1－5］，在推動社會經濟發(fā)展和能源發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。紅水河是珠江水系西江的主要干流，水量豐富，落差大，水能蘊藏量大。大力發(fā)展紅水河水電能源是廣西能源戰(zhàn)略的重點之一，而氣象信息服務在水電能源工程建設和水電站運營管理中都發(fā)揮著重要的作用。許多專家［6－16］針對紅水河在水電梯級開發(fā)對水質累積影響、水電站發(fā)電水量平衡、水庫汛末優(yōu)化調度策略、暴雨時期電站優(yōu)化調度方案、徑流量與降水量變化特征、徑流量預測模型等方面做了詳細分析和研究。巖灘水電站作為紅水河流域廣西電力部門直接調度的第一個季調節(jié)水電站，其庫區(qū)精準的徑流量監(jiān)測預報信息對流域水庫群聯(lián)合優(yōu)化調度起到重要的作用，有利于提高水庫群發(fā)電效益和供水安全。因此，將氣象信息與水電調度的工作緊密相連，以廣西對流尺度數值預報產品和智能網格預報產品［17－19］為依托，基于業(yè)務應用需求，設計和開發(fā)了一套基于C／S 和B／S 混合架構下的巖灘水庫徑流量監(jiān)測預報系統(tǒng)，通過此系統(tǒng)，驅動耦合氣象－水文－機器學習的徑流量預報模型，實現(xiàn)流量實況及短臨、短期逐時預報數據實時更新和訂正預報服務，為巖灘水電站提供更精準、及時的庫區(qū)流量監(jiān)測預報產品，滿足巖灘水電站業(yè)務需求。

1 資料與處理

（1）地理信息資料

采集鳳山水文站盤陽河上游斷面、甲篆水文站盤陽河下游斷面、綠蘭水文站九曲河中游斷面、羅富水文站羅富河下游斷面、龍灘水電站和巖灘水電站的地理信息，以及巖灘水庫流域范圍內的水系對應的地理信息。利用GIS 技術將巖灘水庫流域劃分甲篆庫區(qū)、羅富庫區(qū)、巖灘上庫區(qū)、巖灘中庫區(qū)和巖灘下庫區(qū)共五個流域區(qū)間并提取邊界數據。

（2）模式產品資料

利用廣西1km 對流尺度數值預報產品、廣西智能網格預報產品、EC 細網格預報產品和GRAPES預報產品，提取并計算出每個時段內巖灘流域面雨量預報并生成相應數據集，為加工制作服務產品提供驅動數據支撐。

（3）自動氣象站資料

利用GIS 技術，提取巖灘流域范圍的廣西區(qū)域自動站地理信息，利用全國智能網格逐小時實況產品通過格點與站點的轉換規(guī)則獲取逐時降水資料并形成相應數據集。

2 巖灘水庫徑流量監(jiān)測預報系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)整體框架如圖1，工作方式采用B／S＋C／S混合架構，實現(xiàn)水文氣象信息采集、傳輸和發(fā)布共享；網絡設計具有良好的可擴展性。系統(tǒng)主要包括：水文數據自動采集程序、氣象數據自動采集程序、巖灘水庫徑流量監(jiān)測預報系統(tǒng)共三大部分。

3 系統(tǒng)主要關鍵技術

3.1 三維地圖可視化技術

WebGL 是免插件、跨平臺、免費、高性能的JavaScript API，可使瀏覽器無需安裝插件即可直接展示三維場景。基于WebGL 開發(fā)的CesiumJS 是一個開源的輕量級的三維地圖JavaScript 庫，提供了豐富全面的地理信息數據加載展示接口。它支持WebGL 硬件加速，可跨瀏覽器使用，支持地形、影像、矢量、注記、三維模型、點云等數據的展示，可采用開放標準的WMTS、GeoJSON、地形服務和3DTiles服務等作為數據源，為后續(xù)開發(fā)擴展和應用提供便利［20－22］。

天地圖是國家地理信息局提供的在線地圖服務，可以通過WMS 服務形式調取地圖瓦片服務以作為本地基礎地圖使用，巖灘水庫徑流量監(jiān)測預報系統(tǒng)通過CesiumJS 提供的WMS 服務接口調取在線的天地圖遙感影像服務并加載，實現(xiàn)三維地圖場景的加載、無級縮放、平移、旋轉等。WebGL 可以支持瀏覽器調用GPU 進行數據渲染加速，從而實現(xiàn)大體量數據的快速渲染。通過在CesiumJS 中自定義WebGL 圖層，依托WebGL 強大高效的數據渲染能力，實現(xiàn)大體量數據的高性能加載與展示。系統(tǒng)通過使用WebGL 自定義Shader 繪圖技術，在三維地理信息場景內實現(xiàn)廣西智能網格降雨實況色斑圖、巖灘流域自動站站點填值、巖灘水庫流量預報色斑圖、水庫流量流向圖、流量水系變化圖等水文氣象數據多元展示形式的高性能繪制與加載。

3.2 數據存儲與接口服務技術

系統(tǒng)數據庫分為文件數據庫和MySQL 綜合信息庫，流量預報、降水預報／實況、流域面雨量預報／實況、水電站圖標、基礎地理信息等存儲在文件數據庫，流量實況共享數據、用戶信息等存儲在綜合信息庫。Restful 是web 服務的一種設計風格，是http 動作與服務功能結合的創(chuàng)新，Restful 接口簡潔、容易理解、約定了規(guī)則［23－24］。系統(tǒng)對外提供統(tǒng)一的Restful數據服務接口，以方便三維地理信息場景、圖表等前端展示模塊進行數據的調取及解析。Restful 數據服務接口在接收到不同的調取參數時，對文件系統(tǒng)、數據庫對應數據進行讀取、解析，形成統(tǒng)一數據格式進行返回，以實現(xiàn)多元數據的標準化傳輸。

3.3 徑流量預報產品生成

每日每小時50 分，利用廣西1km 對流尺度數值預報產品、當前時次的水庫入庫流量實況和降水、氣溫、氣壓、風速、相對濕度等實況，驅動徑流量短臨預報模型，生成JSON 格式的未來3h 逐小時徑流預報產品、流量預報產品，以及巖灘流域面雨量短臨預報產品。

每日08 時，利用最新的EC 細網格預報產品、Grapes 預報產品和智能網格預報產品、前24h 逐小時的水庫入庫流量、降水、氣溫、氣壓、風速、相對濕度等實況，驅動徑流量短期預報模型，生成JSON 格式的未來72h 逐小時徑流預報產品和流量預報產品，以及巖灘流域面雨量短期預報產品。生成的所有預報產品都推送到文件數據庫中。

4 系統(tǒng)功能模塊建設

4.1 基于B／S 的巖灘水庫徑流量監(jiān)測預報系統(tǒng)建設

巖灘水庫徑流量監(jiān)測預報系統(tǒng)采用B／S 架構，利用JAVA、WEB、CesiumJS 等技術進行功能模塊開發(fā)。系統(tǒng)主要具有實況監(jiān)測、產流預報、短臨預報、流量預報、降水預報檢驗、徑流預報檢驗、面雨量預報訂正、用戶管理等功能模塊。

（1）實況監(jiān)測模塊主要三維展示最新的自動站降水實況、上游龍灘水電站出庫流量和巖灘水電站入庫流量實況，同時可以疊加顯示降水色斑和水系標注，并可實現(xiàn)三維全球影像和二維行政地圖切換顯示。

（2）產流預報模塊主要三維展示時間分辨率為未來72h 逐小時空間分辨率為5km 的巖灘區(qū)域產流預報，可單獨顯示水系產流預報，并可用方向箭頭顯示產流流向，以及4 個斷面點產流預報，并可以色斑或數值顯示產流預報?？砂? 倍、1.5 倍、2 倍的速率動畫顯示產流預報，水電站值班人員可以直觀地了解整個巖灘流域產流變化情況。

（3）短臨預報模塊主要以柱狀圖和曲線圖的形式顯示未來6h 逐小時短臨面雨量預報、徑流量預報和過去24h 逐小時面雨量實況和巖灘入庫流量實況、龍灘出庫流量實況、區(qū)間流量實況。

（4）流量預報模塊主要以柱狀圖和曲線圖的形式顯示未來72h 逐小時面雨量預報、徑流量預報和過去7d 逐小時面雨量實況和巖灘入庫流量實況、龍灘出庫流量實況、區(qū)間流量實況。

（5）降水預報檢驗模塊主要以圖表形式展示過去10d 內（可任選時段）智能網絡、EC、Grapes 三種模式預報產品對五個流域的面雨量預報與實況，以及對應的評分。

（6）徑流預報檢驗模塊是通過自動或主動選取某個時間段，實現(xiàn)對某個時間段徑流預報數據的讀取、分析、處理。通過echarts 繪制成圖表進行展示。默認起始時間至結束時間跨度為10d（當前時間至10d 前）?？砂葱枨笞孕胁樵冃枰臅r間段。點擊查詢，則根據所選時間段讀取、分析、處理所需數據，并繪制成圖表進行展示。鼠標滑到圖表上，可以展示當前時刻的具體信息。

（7）面雨量預報訂正模塊主要是在地圖對應的五個流域中實現(xiàn)對未來3d 面雨量預報的訂正。點擊預報日期和分流域，則在右側顯示對應分流域前3d逐日面雨量歷史實況圖、基于智能網格、EC 和Grapes 模式產品分別生成的未來24h 面雨量預報及前15d 預報平均的絕對誤差評分圖，作為訂正參考依據。點擊提交，修改后的面雨量預報數據會在指定目錄下生成一份特殊文件，監(jiān)控程序每5min 對指定目錄進行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)有特殊文件后，自動觸發(fā)徑流量預報模型程序，重新計算生成最新的徑流量預報產品，并將對應的特殊文件刪除。該模塊主要是提供給預報員使用，方便其在客觀預報出現(xiàn)偏差時，進行主觀預報訂正。

（8）用戶管理模塊主要是針對系統(tǒng)使用權限的管理。

4.2 水文數據自動采集程序建設

水文數據自動采集程序是采用C／S 架構，利用同步共享技術采用JAVA 開發(fā)數據采集、傳輸、存儲等功能模塊。通過在電力部門數據庫服務器上部署數據服務發(fā)布模塊，允許外部程序通過Restful 數據服務接口獲取水文數據，并在每次被調取后清空數據庫數據臨時存儲表。在氣象部門數據庫服務器上部署數據調取模塊，數據調取模塊通過定時任務觸發(fā)數據調取功能，從電力部門數據服務發(fā)布模塊的Restful 接口獲取最新水文數據，并在解析后寫入氣象部門數據庫，從而實現(xiàn)水文數據同步共享。圖2 為水文數據同步流程圖。

4.3 氣象數據自動采集程序建設

氣象數據自動采集程序是采用C／S 架構，采用JAVA 技術開發(fā)氣象數據采集解析和傳輸等功能模塊，采用多線程并行處理技術，自動定時對各類模式產品采集，并按照格點與站點、格點與流域轉換規(guī)則，自動解析出逐時自動站降雨實況和流域面雨量實況，推送到文件數據庫。

5 應用服務

巖灘水庫徑流量監(jiān)測預報系統(tǒng)已于2021 年12月開始投入業(yè)務試運行，每天08 時發(fā)布未來3d 流量預報產品。2022 年5 月11—13 日、27—28 日、30—31 日廣西發(fā)生三次降雨過程，受降雨影響，珠江流域西江上游龍灘水庫5 月30 日11 時入庫流量漲至10900m3·s-1，依據水利部《全國主要江河洪水編號規(guī)定》，編號為“西江2022 年第1 號洪水”，為今年我國大江大河首次發(fā)生編號洪水。巖灘水電站作為紅水河梯級電站中龍灘水電站的下一級梯級電站，受龍灘水電站出庫流量影響非常大，為做好防洪安全工作，更加迫切需要精細的徑流量預報產品。表1 給出在三次降雨過程中巖灘水庫日徑流量相對誤差情況，從表1 可見，3 次降雨過程日徑流量預報平均相對誤差為11%，根據陳劍飛［1］等的模型檢驗方法，合格率為85.7%，達到甲級預報精度。

表1 巖灘水庫2022 年5 月11—13 日、27—28 日、30—31 日3 次降雨過程日徑流量預報及相對誤差

6 結論

本文敘述了巖灘水庫徑流量監(jiān)測預報系統(tǒng)采用的CesiumJS、Restful 等關鍵技術，并對系統(tǒng)構建流程和功能模塊進行了詳細的介紹。系統(tǒng)實現(xiàn)了“水電＋氣象”的三維場景融合應用、水文氣象融合產品共享和訂正預報服務的功能。

巖灘水庫徑流量監(jiān)測預報系統(tǒng)業(yè)務試運行以來，為水電部門及時提供徑流量預報等各類產品的共享服務，使巖灘水電站值班人員及時掌握其庫區(qū)精準的徑流量監(jiān)測預報信息，為水電站在制訂發(fā)電計劃、優(yōu)化調度、防災減災決策工作中提供強有力的技術支撐。

徑流量預報模型業(yè)務運行還沒有經過完整的汛期檢驗，今后將進一步評估模型算法并對模型相關參數進行調整訂正，以期提高徑流量預報準確率，同時在業(yè)務中不斷優(yōu)化系統(tǒng)，豐富水文氣象融合產品，從而更進一步提升水電氣象服務能力。