曾鋼鋒，楊德全

（臺(tái)州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 臺(tái)州 318000）

1 引言

椒江流域位于浙江中部沿海，東接臺(tái)州灣，南西北分別同甌江、浦陽(yáng)江、曹娥江等流域相毗鄰。流域范圍主要包括臺(tái)州和臨海市，總面積6 603 km2。椒江流域地形西高東低，地勢(shì)自西向東傾斜，流入東海。流經(jīng)仙居縣全部，臨海市、天臺(tái)縣、臺(tái)州市區(qū)黃巖區(qū)和椒江區(qū)的大部，縉云縣、磐安縣、新昌縣的一部分，共8個(gè)縣(市、區(qū))，23個(gè)街道、36個(gè)鎮(zhèn)、25個(gè)鄉(xiāng)。

隨著全球氣候變化的影響加劇，臺(tái)風(fēng)、暴雨等水災(zāi)害越來(lái)越頻繁，臺(tái)州地區(qū)近海，臺(tái)風(fēng)影響較大，汛期時(shí)常發(fā)生暴雨、洪水等災(zāi)害，對(duì)流域人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)重威脅。

本文著重對(duì)椒江流域的洪水預(yù)警預(yù)報(bào)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，包括各個(gè)水庫(kù)樞紐工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)、干流洪水預(yù)警預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)等。

2 總體框架設(shè)計(jì)

椒江流域洪水預(yù)報(bào)方案的總體框架是以水雨情的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以地理信息系統(tǒng)為框架，以成熟穩(wěn)定的計(jì)算手段為支撐，建立覆蓋椒江流域的水文水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，考慮河口風(fēng)暴潮以及水庫(kù)、閘站工程群調(diào)度[1]，并通過(guò)通用數(shù)據(jù)接口接入實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)，對(duì)椒江流域洪水進(jìn)行預(yù)報(bào)。本次設(shè)計(jì)要符合浙江省數(shù)字化改革的要求，符合浙江省水利數(shù)據(jù)資源目錄的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[2]。

圖1 邏輯結(jié)構(gòu)圖

作為臺(tái)州水管理平臺(tái)市級(jí)自建模塊之一，需要按數(shù)據(jù)資源體系、預(yù)報(bào)調(diào)度模型支撐體系、業(yè)務(wù)應(yīng)用體系3大體系開(kāi)展研發(fā)工作。

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)資源層即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)化觀測(cè)和預(yù)報(bào)資料，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、文件采集、網(wǎng)絡(luò)采集和共享各類水文、氣象、工情、調(diào)度方案等信息，在此之上構(gòu)建基于時(shí)間索引、空間索引和要素索引的大數(shù)據(jù)服務(wù)。本設(shè)計(jì)涉及的數(shù)據(jù)資源主要包括3種類型[3]。

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)信息

根據(jù)臺(tái)州市水管理平臺(tái)實(shí)施方案，水管理平臺(tái)統(tǒng)一負(fù)責(zé)與省、縣兩級(jí)水利部門縱向協(xié)同共享交換，實(shí)現(xiàn)與生態(tài)環(huán)境部門、交通運(yùn)輸部門、自然資源部門、氣象部門等跨行業(yè)數(shù)據(jù)共享。實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)工情監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)庫(kù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)庫(kù)、水文整編數(shù)據(jù)庫(kù)、多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)、地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)表由臺(tái)州水管理平臺(tái)統(tǒng)一建設(shè)。作為水管平臺(tái)的自建模塊，直接通過(guò)水管平臺(tái)接口調(diào)用所需的數(shù)據(jù)信息[4]。

（2）測(cè)量數(shù)據(jù)

河道水下地形、大斷面、蓄滯洪區(qū)地形等基本資料，無(wú)需在系統(tǒng)平臺(tái)發(fā)布。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)平臺(tái)接口直接寫入實(shí)時(shí)工情監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)庫(kù)。

（3）預(yù)報(bào)調(diào)度方案輸出數(shù)據(jù)

洪水預(yù)報(bào)計(jì)算條件復(fù)雜，預(yù)報(bào)調(diào)度計(jì)算方案組合繁多，輸出數(shù)據(jù)高達(dá)TB量級(jí)，高密度、大容量數(shù)據(jù)不適合放入數(shù)據(jù)庫(kù)，擬將輸出數(shù)據(jù)直接保存在計(jì)算服務(wù)器端，按照調(diào)度規(guī)則和方案計(jì)算時(shí)間管理不同方案的輸出數(shù)據(jù)。

3.2 預(yù)報(bào)模型層

根據(jù)椒江流域自然地理和暴雨洪水特性的分析，并考慮水利工程運(yùn)行的影響，在編制流域控制斷面水文預(yù)報(bào)方案時(shí)，模型應(yīng)遵循實(shí)用、先進(jìn)原則，在滿足《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T22482-2008）規(guī)定的發(fā)布要求的同時(shí)，充分利用現(xiàn)有水文資料以及氣象預(yù)報(bào)信息，以提高精度和延長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期[5]。

模型系統(tǒng)是洪水預(yù)報(bào)調(diào)度平臺(tái)的支撐體系，根據(jù)椒靈江流域河網(wǎng)特性，構(gòu)建河網(wǎng)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化模型，通過(guò)WebServices接口為業(yè)務(wù)應(yīng)用層提供模型服務(wù)。模型內(nèi)容包括：

（1）多源數(shù)據(jù)融合的河道、河口和海洋二維水動(dòng)力耦合模型[6]。

（2）氣象水文工情數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的流域洪水演進(jìn)虛擬仿真模型[7]。

（3）平原河網(wǎng)水文水動(dòng)力耦合模型[8]。

（4）水利工程聯(lián)合調(diào)度及優(yōu)化模型等[9]。

針對(duì)椒靈江流域的特性，構(gòu)建全流域耦合模型。上游山區(qū)降雨產(chǎn)水作為上游來(lái)水邊界，下游椒江口潮位作為潮位邊界。在椒江流域基礎(chǔ)資料搜集完備基礎(chǔ)上，椒江干支流等山區(qū)采用新安江模型進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，通過(guò)馬斯京根法計(jì)算匯流至各個(gè)水庫(kù)，通過(guò)水庫(kù)模型的構(gòu)建，水流調(diào)度至椒江干支流一維河網(wǎng)進(jìn)行洪水演算。大田平原、義城港平原以及東部平原等平原地區(qū)采用4種下墊面計(jì)算產(chǎn)流，通過(guò)單位線的方式匯流至平原一維河網(wǎng)，同時(shí)構(gòu)建閘壩模型對(duì)水利工程的影響進(jìn)行模擬計(jì)算，并構(gòu)建區(qū)域二維模型，對(duì)流域易澇區(qū)的淹沒(méi)情況進(jìn)行模擬。模型系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 模型系統(tǒng)架構(gòu)圖

模型主要任務(wù)是為洪水預(yù)報(bào)調(diào)度模型的構(gòu)建以及實(shí)時(shí)運(yùn)行服務(wù)：

（1）洪水預(yù)報(bào)調(diào)度模型

1）構(gòu)建降雨徑流模塊。需要更新收集最新下墊面空間分布信息及DEM數(shù)據(jù)，重新選取率定平原區(qū)產(chǎn)流及匯流單位線參數(shù)，準(zhǔn)確模擬水流交互運(yùn)動(dòng)情況；利用最新資料成果對(duì)模型關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行率定驗(yàn)證，提高河道水量產(chǎn)匯流計(jì)算精度。

2）構(gòu)建河網(wǎng)水動(dòng)力模型：細(xì)化河網(wǎng)，結(jié)合區(qū)域水庫(kù)及閘站實(shí)際調(diào)度運(yùn)行規(guī)則，開(kāi)發(fā)適用于椒江流域的水量預(yù)警預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正技術(shù)，開(kāi)展實(shí)例分析，確保預(yù)報(bào)模擬計(jì)算的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)河網(wǎng)水位水量的實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)模擬，提高預(yù)報(bào)精度，支撐閘泵調(diào)度規(guī)則的自定義配置，實(shí)現(xiàn)不同調(diào)度運(yùn)行方案下，水系排澇調(diào)度效果。

（2）預(yù)報(bào)調(diào)度模型運(yùn)行服務(wù)平臺(tái)

平臺(tái)服務(wù)層主要為實(shí)現(xiàn)模型有效整合和預(yù)報(bào)調(diào)度模型對(duì)上層Web應(yīng)用的服務(wù)支撐功能，模型運(yùn)行服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)降雨產(chǎn)流模型、水動(dòng)力模型的整合計(jì)算和服務(wù)封裝；建立基于WebService的服務(wù)調(diào)用、模型驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)傳輸功能；開(kāi)發(fā)模型基礎(chǔ)資料的管理、GIS應(yīng)用平臺(tái)，模型管理運(yùn)行控制和模型成果展示等模型構(gòu)建和管理維護(hù)工具，實(shí)現(xiàn)模型資料前處理，模型概化、構(gòu)建、參數(shù)配置、運(yùn)行控制、后處理等可視化處理功能，為模型體系的維護(hù)、更新、擴(kuò)充提供后臺(tái)工具。主要包括4塊內(nèi)容，分別為預(yù)報(bào)模型服務(wù)、GIS應(yīng)用平臺(tái)、模型資料管理和模型管理與運(yùn)行控制。

1）預(yù)報(bào)模型服務(wù)：主要包括預(yù)報(bào)模型服務(wù)進(jìn)行封裝和模型計(jì)算用的方案、成果管理數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)。

2）GIS應(yīng)用平臺(tái)：主要包括模型要素圖層查看、地理底圖查看、地理信息屬性查詢、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、圖層配置功能。

3）模型資料管理：包括水文站點(diǎn)管理、模型數(shù)據(jù)前處理和計(jì)算方案管理功能。

4）模型管理與運(yùn)行控制：主要包括水文、水動(dòng)力模型選擇、構(gòu)建、參數(shù)設(shè)置、方案配置管理、計(jì)算成果展示、成果統(tǒng)計(jì)報(bào)表和模擬運(yùn)行控制等功能。

（3）模型與系統(tǒng)平臺(tái)關(guān)系及預(yù)報(bào)服務(wù)流程

模型為大系統(tǒng)提供模型的調(diào)用、參數(shù)配置、預(yù)報(bào)條件定義、成果定制輸出等服務(wù)。上層應(yīng)用通過(guò)WebService方式調(diào)用模型服務(wù)，具體流程如圖3所示。

圖3 WebService預(yù)報(bào)服務(wù)調(diào)用方式

1）模型服務(wù)申請(qǐng)：上層應(yīng)用端提交模型計(jì)算任務(wù)申請(qǐng)，模型返回當(dāng)前模型狀態(tài)，提示是否申請(qǐng)成功。

2）模型預(yù)處理：模型服務(wù)成果登記后，模型將從整編數(shù)據(jù)庫(kù)中下載實(shí)時(shí)校正計(jì)算需要的站點(diǎn)水位歷史數(shù)據(jù)、水量歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)降雨量等數(shù)據(jù)。下載靜態(tài)及動(dòng)態(tài)配置信息。如：專題靜態(tài)信息、專題動(dòng)態(tài)信息、模型要求集、輸出要素集、預(yù)報(bào)信息點(diǎn)集、預(yù)報(bào)模型要素等信息。

3）模型預(yù)報(bào)時(shí)間輸入：輸入預(yù)報(bào)時(shí)間段，模型將對(duì)預(yù)警預(yù)報(bào)方案進(jìn)行檢查，確認(rèn)預(yù)報(bào)時(shí)段的時(shí)間有效性。輸入預(yù)報(bào)時(shí)間段內(nèi)的預(yù)報(bào)降雨條件。

4）預(yù)報(bào)降雨及調(diào)度方案輸入：水動(dòng)力模擬服務(wù)方案參數(shù)包括氣象站點(diǎn)的預(yù)報(bào)降雨蒸發(fā)、控制工程當(dāng)前工況、防洪調(diào)度預(yù)案等條件。

5）模型啟動(dòng)運(yùn)行及成果輸出：模型在完成模型計(jì)算后，返回計(jì)算結(jié)束狀態(tài)。模型輸出區(qū)域徑流、總降雨量、蒸發(fā)量；沿?？陂T、排水水系邊界、水利分區(qū)等水量統(tǒng)計(jì)項(xiàng)；重要斷面和代表站點(diǎn)的水位、潮位、水量預(yù)報(bào)過(guò)程；工程防洪排澇調(diào)度過(guò)程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。其他斷面水位流量成果數(shù)據(jù)以科學(xué)二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)在服務(wù)器上，不主動(dòng)推送至Web應(yīng)用端，可通過(guò)服務(wù)器提取解析進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

（1）應(yīng)用支撐層

支撐層主要提供技術(shù)框架支持和關(guān)鍵技術(shù)支持，技術(shù)框架主要包括負(fù)載均衡與分布式計(jì)算技術(shù)框架、基于MQ的分布式處理框架、展示交互技術(shù)框架、微服務(wù)架構(gòu)、地理信息技術(shù)框架、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)框架；支撐關(guān)鍵技術(shù)主要包括計(jì)算方案管理和模型服務(wù)、響應(yīng)式 WebUI 技術(shù)、基于 GPU 的高性能計(jì)算和并行計(jì)算、歸一化數(shù)據(jù)模型等。

（2）業(yè)務(wù)應(yīng)用層

基于應(yīng)用支撐層提供的框架支持、關(guān)鍵技術(shù)以及數(shù)據(jù)資源體系層提供的多種資料，結(jié)合具體業(yè)務(wù)場(chǎng)景，構(gòu)建統(tǒng)一注冊(cè)支持熱插拔的業(yè)務(wù)接口服務(wù)集群，讓前端交互層只關(guān)注接口聯(lián)調(diào)本身而不必在意接口的具體邏輯以及它被部署在哪臺(tái)服務(wù)器上。預(yù)報(bào)作業(yè)主要包括沿海和感潮江道綜合潮（水）位預(yù)報(bào)、椒靈江流域降雨和洪水預(yù)報(bào)、大中型水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)、區(qū)縣洪水預(yù)報(bào)、三大平原河網(wǎng)內(nèi)澇預(yù)報(bào)；調(diào)度作業(yè)主要包括單庫(kù)洪水調(diào)度、區(qū)縣洪水調(diào)度、流域洪水調(diào)度、平原區(qū)水庫(kù)水閘聯(lián)合調(diào)度；通過(guò)水文氣象、水動(dòng)力演進(jìn)和水庫(kù)水閘等水利工程調(diào)度，結(jié)合三維 GIS 服務(wù)引擎和物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全流域洪潮澇多因子耦合作用下的洪水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警。

（3）綜合展示層

基于 H5 開(kāi)發(fā)的組件化前端為系統(tǒng)頁(yè)面的定制化提供了框架層面的支持，借助 WebGIS、SVG 矢量化圖形、HTML5、WebGL 前端硬件加速、chart 等圖形展示、基于 Cesium 等 3D 展示等技術(shù)，提供友好的人機(jī)交互界面以及對(duì)水文氣象工情、風(fēng)險(xiǎn)等信息生動(dòng)的圖形圖像渲染。

4 樞紐工程預(yù)警預(yù)報(bào)的設(shè)計(jì)

本次流域的水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)范圍主要包括下岸水庫(kù)、里石門水庫(kù)、牛頭山水庫(kù)、朱溪水庫(kù)等4座大型水庫(kù)，里林水庫(kù)、盂溪水庫(kù)、龍溪水庫(kù)、桐柏抽水蓄能上庫(kù)、溪口水庫(kù)、童燎水庫(kù)、方溪水庫(kù)7座中型水庫(kù)，以及北岙水庫(kù)、雙溪水庫(kù)2座小型水庫(kù)，總計(jì)13座水庫(kù)壩址處上游流域。主要的技術(shù)路線圖4所示。

圖4 技術(shù)路線圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)為椒江流域洪水預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)，主要有這幾方面的創(chuàng)新亮點(diǎn)：

（1）引入流域氣象短臨降雨預(yù)報(bào)

本次系統(tǒng)引入了流域氣象短臨降雨預(yù)報(bào)，該短臨預(yù)報(bào)為網(wǎng)格預(yù)報(bào)，系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)界面圖

短臨降雨網(wǎng)格預(yù)報(bào)的引入，大大提高了預(yù)報(bào)的精度，拓展了原來(lái)僅靠人工模擬輸入降雨和普通氣象降雨預(yù)報(bào)的技術(shù)范圍，是本次設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)。

（2）大中型水庫(kù)洪水預(yù)警預(yù)報(bào)的流域性

大中型水庫(kù)洪水預(yù)警預(yù)報(bào)的流域性設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)。原來(lái)水庫(kù)洪水預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)是獨(dú)立系統(tǒng)，這次把所有13座水庫(kù)按照流域進(jìn)行串聯(lián)設(shè)計(jì)，兼顧上下游，具有流域調(diào)度的性質(zhì)。

（3）與地區(qū)級(jí)區(qū)域水平臺(tái)共享數(shù)據(jù)

本次設(shè)計(jì)充分考慮到與臺(tái)州市水平臺(tái)的數(shù)據(jù)共享問(wèn)題，將水平臺(tái)中的水雨情數(shù)據(jù)、工程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、流量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與流域預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，使得系統(tǒng)成為水平臺(tái)的一部分而融合貫通。