夏志昌，張仁貢，盧林全

（1.溫州市水利局，浙江 溫州 325002；2.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310052；3.閱水科技有限公司，浙江 寧波 315100）

1 引言

溫州市地處浙江省東南部，東面瀕臨東海，臺汛期臺風活動頻繁，臺風期常遇暴雨引起洪水災害，包括水庫超汛泄洪威脅下游地區(qū)、山洪災害威脅村鎮(zhèn)、內(nèi)澇積水影響城市等[1]。目前溫州市有大中型水庫20座，其中大型水庫1座，中型水庫19座。依據(jù)溫州市三防工作的要求，近期開展了對溫州市大中型水庫的洪水預報調(diào)度模型建設(shè)的調(diào)查研究和分析工作，經(jīng)過深入調(diào)查和研究發(fā)現(xiàn)，雖然大部分大中型水庫建設(shè)有洪水預報調(diào)度模型及系統(tǒng)，但是存在以下問題：①部分以發(fā)電為主的水庫，尚未建設(shè)洪水預報調(diào)度模型與系統(tǒng)，防洪預報預警及洪水調(diào)度依靠經(jīng)驗執(zhí)行。②個別水庫建設(shè)有單機版洪水預報模型與系統(tǒng)，系統(tǒng)未及時升級更新，數(shù)據(jù)無法與外部共享，水文、氣象等數(shù)據(jù)未及時接入模型進行計算，部分系統(tǒng)處于已經(jīng)停用、很少使用或已經(jīng)不可用等狀態(tài)[1]。③部分水庫模型和系統(tǒng)建設(shè)時間較短，系統(tǒng)參數(shù)校驗不夠，洪水預報準確度不夠。這些問題的存在，嚴重影響了大中型水庫的防洪安全。為此，本次依托溫州水平臺數(shù)字化改革建設(shè)的契機，開展全市大中型水庫洪水預報調(diào)度模型及系統(tǒng)建設(shè)，并將各水庫的系統(tǒng)集中到溫州市水平臺中，形成數(shù)據(jù)共享、功能協(xié)同、場景打造、統(tǒng)一決策等整體效果，提高科學防洪能力。

2 總體框架設(shè)計

建設(shè)洪水預報調(diào)度決策支持系統(tǒng)，是全面提升全市大中型水庫洪水預報調(diào)度能力，提高大中型水庫洪水預報調(diào)度科學化、數(shù)字化和精細化水平的有效途徑[2]。為了確保洪水預報調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)質(zhì)量和系統(tǒng)應用的整體性，確保各水庫系統(tǒng)單庫能有效運行，多庫能有效融合，思考和設(shè)計總體框架，如圖1所示。

圖1 總體框架設(shè)計

首先，在底層以單個水庫為基礎(chǔ)，進行以提升防洪預報預警能力為目標的感知體系補短板，包括相關(guān)雨量監(jiān)測、水位監(jiān)測、流量監(jiān)測、工情監(jiān)測、大壩安全監(jiān)測、視頻監(jiān)控、墑情監(jiān)測等[3]。然后進行洪水預報預警業(yè)務(wù)能力的建設(shè)，即水庫洪水預報預警模型及系統(tǒng)的建設(shè)，包括模型建設(shè)、參數(shù)率定、預報預警、調(diào)度操作、調(diào)度跟蹤、洪水整編等數(shù)字化功能研發(fā)。

其次，將單個水庫洪水預報預警模型及系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)到溫州市水平臺中，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)一維護、氣象預報數(shù)據(jù)統(tǒng)一提供、工程運管數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入、流域底板數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集[4]。

最后，在匯聚單個水庫洪水預報預警模型及系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開展全市水庫洪水預報預警模型及系統(tǒng)的場景研發(fā)工作。通過不斷替代升級，形成計算能力持續(xù)提升、基礎(chǔ)模型預設(shè)配置、流域形勢全局研判、聯(lián)合演練統(tǒng)一部署等平臺化場景功能。

3 建設(shè)內(nèi)容

通過需求分析，在全市水利數(shù)字化改革理念的指導下，針對全市大中型水庫洪水預報預警模型及系統(tǒng)的建設(shè)主要分為兩部分進行，分別為感知體系建設(shè)、水庫模型場景建設(shè)以及全市區(qū)域場景建設(shè)。

3.1 感知體系建設(shè)

大中型水庫通過前些年的標準化建設(shè)、水文5+1補短板建設(shè)等工作，感知體系建設(shè)相對完善，本次主要針對提升大中型水庫洪水預報預警模型計算的精度，補充匯流、出庫及調(diào)度數(shù)字化相關(guān)感知體系建設(shè),實現(xiàn)快速自動采集、傳輸和處理水庫水雨情等信息[5]。通過梳理大致提出了如下幾個方面需求提供參考。

①庫區(qū)采集雨量站原則上依據(jù)《水利水電工程水文自動測報系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》，按照10～30 km/站的密度布設(shè)，集雨面積較小的中型水庫，應該酌情增加站點，最低不少于3個/庫；②水庫遙測水位計分辨精度1 cm以上；③溢洪道、泄洪洞等閘門應安裝實時流量或準確閘門開度的遙測裝置；④泄洪洞閘門應有遙測開度儀，實現(xiàn)閘門水流斷面精確測報；⑤水輪發(fā)電機組應有功率遙測裝置，可轉(zhuǎn)換為發(fā)電的出庫流量，或水電站全站水輪發(fā)電機組發(fā)電流量實時監(jiān)測；⑥其他出庫的管道、閘門應有相應的準確閘門開度或流量遙測裝置；⑦所有測站采集的水利數(shù)據(jù)均應接入市級水利數(shù)據(jù)倉。

3.2 水庫模型場景建設(shè)

根據(jù)溫州水庫庫區(qū)的地形地貌，模型一般應用新安江預報模型，對水庫歷史降雨概況、產(chǎn)匯流特征、流域調(diào)度情況進行詳細分析論證，針對水庫洪水數(shù)據(jù)，率定水庫預報模型參數(shù)。模型應具備一定的自學習參數(shù)校正能力，能適應各水庫本身所在庫區(qū)條件變化影響。根據(jù)洪水預報的結(jié)果，按水庫泄水建筑物的泄洪能力，調(diào)度模型應開發(fā)水位控制模式、流量控制模式、流量指令調(diào)度模式、開度指令調(diào)度模式、規(guī)則調(diào)度模式等5種調(diào)度功能。實現(xiàn)的應用場景框架模型圖2所示。

圖2 水庫應用場景框架模型圖

（1）洪水跟蹤。按照洪水跟蹤分析的需要，本場景應用界面，系統(tǒng)應實現(xiàn)在同一界面下，以概化圖的形式，直觀展示各流域上下游分區(qū)多個工程的洪水調(diào)度狀態(tài)，包括流域概化圖、各個水庫的水位和泄流、各個主要河道站的水位和流量、各個流域的面雨量過程、歷史洪水過程，提供各個工程當前時間點前72 h的實際降雨、出、入庫、水位變化實際過程；自動預報模式下，接入溫州氣象短臨網(wǎng)格預報，預報后24 h的降雨、入庫及水位預測變化過程，以圖表結(jié)合的形式顯示?？汕袚Q到人工輸入模式，可以模擬輸入降雨（降雨時間、雨量、雨型或無降雨等），預測未來3 d的入庫及水位預測變化過程。調(diào)度中按“定開度”與“定流量”兩種方式進行跟蹤調(diào)度，滿足實際調(diào)度場景跟蹤需求。

（2）承洪分析。按照任何時點，水庫承洪能力分析的決策需求，本場景應用界面，系統(tǒng)應提供，在模型按設(shè)定的控制條件下，進行預報調(diào)度分析。在自動預報模式下，可計算分析水庫未來24 h的承載能力，并提供全過程分析數(shù)據(jù)。人工輸入模式下，可按照各種量級、雨型的預測降雨和設(shè)定的調(diào)度方式下，分析出水庫的承載能力，并提供全過程分析數(shù)據(jù)；同時，按水庫洪水優(yōu)化調(diào)度計算達到邊界的水庫可承載降雨量，為決策提供參考。系統(tǒng)應有方案保存功能，保存的方案可事后進行反復查閱分析。

（3）預報調(diào)度。系統(tǒng)應提供自動預報及模擬預報調(diào)度分析功能，其中自動預報應結(jié)合市級水平臺統(tǒng)一發(fā)布的短臨降雨數(shù)據(jù)，實現(xiàn)定時預報計算，將預報結(jié)果實時反饋至各級平臺，提供決策預警支撐；模擬預報調(diào)度分析功能，用戶可根據(jù)當前情況在人工輸入模式下，提供預報調(diào)度分析功能。用戶根據(jù)自動預報降雨或人工模擬配置預測降雨以及調(diào)度起始條件，確定水位控制、流量控制、定流量、定開度、規(guī)則調(diào)度等5種調(diào)度方式的決策指標參數(shù)，一鍵由系統(tǒng)完成5種調(diào)度模式的調(diào)度方案計算，以圖、表相結(jié)合的形式供用戶對比查閱分析；在洪水過程中，用戶可以反復試算各種決策偏好的調(diào)度方案，對比確定最終確定最優(yōu)調(diào)度方案，為科學決策提供支持。預報調(diào)度計算要充分優(yōu)化，一次計算，響應時間不大于20 s。

（4）洪水后評估。在洪水過后或?qū)v史洪水，系統(tǒng)應具備后評價功能。在本場景應用界面，系統(tǒng)應提供洪水后評價分析功能，該應用功能是按預報成果評價辦法，對洪峰流量、峰現(xiàn)時間、洪水總量等相關(guān)預報數(shù)值與實測數(shù)據(jù)進行對比分析，以已發(fā)生洪水的預報成果對模型預報能力進行在線評價，來分析預報指標的好差，來評定預報模型的成果等級；同時應用還提供調(diào)度成果優(yōu)化分析功能，可以按設(shè)定的最高水位、最大流量等優(yōu)化控制指標，對洪水預報調(diào)度成果與理論最優(yōu)成果進行對比分析，方便用戶積累歷史經(jīng)驗，指導未來科學調(diào)度。在線后評價的成果整體應達到規(guī)范規(guī)定，評估為甲級的洪水場次應達到90%以上。

（5）歷史洪水查詢。按照數(shù)據(jù)查詢的應用需要，在本場景應用界面，系統(tǒng)應提供已發(fā)生的暴雨和洪水數(shù)據(jù)相關(guān)信息，并在系統(tǒng)中以圖、表結(jié)合的形式展示降雨、水位、出入庫、臺風等全過程信息，方便用戶快捷查詢。

（6）基礎(chǔ)信息展示查詢。按照基礎(chǔ)信息查詢的應用需要，在本場景應用界面，系統(tǒng)應提供流域基礎(chǔ)信息、水位-面積曲線、水位-庫容曲線、溢洪道泄流能力曲線、閘門開度-流量計算、水庫運控計劃、水文-地理信息等調(diào)度相關(guān)聯(lián)的所有工程數(shù)據(jù)、關(guān)聯(lián)計算、圖紙資料等信息，為決策提供在線資料支持。

（7）調(diào)度執(zhí)行信息查詢。按照調(diào)度執(zhí)行數(shù)據(jù)溯源的需求，在本場景應用界面，系統(tǒng)應提供實際水庫運行相關(guān)數(shù)據(jù)查詢功能，數(shù)據(jù)時間間隔為1 h，按小時進行詳細記錄；系統(tǒng)應提供歷史任何時間段數(shù)據(jù)查詢功能，方便洪水推演分析和歷史信息回顧。具體功能要求如下：

1)小時執(zhí)行數(shù)據(jù)查詢功能：可查詢?nèi)? h水庫運行的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括各站降雨、水位、溢洪道各閘門泄洪流量、泄洪洞閘門泄洪流量、各機組發(fā)電流量、供水管道流量、發(fā)電功率、調(diào)度指令等。

2)場次查詢功能：可選取入庫資料的任何時間段進行查閱，包括降雨、水位、出、入庫、相關(guān)臺風等所有資料，以圖、表的形式進行關(guān)聯(lián)展示、分析、統(tǒng)計，方便查詢。

3)數(shù)據(jù)修正功能：需基于溫州市水平臺，對水庫的實時水雨情、流量數(shù)據(jù)進行整編處理，可對水庫的所有降雨、水位、出庫數(shù)據(jù)進行導入或修正，方便校對水文資料數(shù)據(jù)，補錄相關(guān)信息，為洪水預報調(diào)度做好后臺數(shù)據(jù)準備。

（8）水庫防洪預演?；诹饔蚍篮閿?shù)字孿生流域，對已經(jīng)發(fā)生的水情工情精準復演，驗證水庫防洪模型系統(tǒng)正確性，再對可能發(fā)生的預測預報水情進行模擬計算，制定和優(yōu)化調(diào)度方案，提前發(fā)現(xiàn)風險或問題，提前采取防風險措施，確保超前、安全、合理、可行。具體功能要求如下：

1）構(gòu)建水庫防洪預演場景：通過對預測預報的水情進行模擬，提早發(fā)布預警，確定保護對象及防護標準；確定要納入調(diào)度場景的水文測站以及水庫、堤防、閘壩、蓄滯洪區(qū)等防洪工程；包括洪水預報的邊界條件以及河道、堤防、水庫、蓄滯洪區(qū)等防洪控制節(jié)點的控制運用指標。

2）模擬仿真：由數(shù)據(jù)底板獲取調(diào)度目標和節(jié)點相關(guān)的氣象水文資料、經(jīng)濟社會資料、堤防水庫蓄滯洪區(qū)等工程資料；基于預演場景的調(diào)度目標、節(jié)點、邊界條件等，對洪水過程進行模擬計算；進行水災害或風險事件的發(fā)展變化和水庫調(diào)度運用過程的可視化模擬。

3）制定和優(yōu)化調(diào)度方案：在模擬計算成果基礎(chǔ)上，結(jié)合本水庫運行狀況、經(jīng)濟社會發(fā)展現(xiàn)狀等，參考水庫調(diào)度規(guī)則、典型歷史案例，利用專家經(jīng)驗和智能分析等，優(yōu)化確定水庫調(diào)度方案；針對確定的調(diào)度方案，提前發(fā)現(xiàn)風險和問題，及時采取防風險措施，防風險措施應充分考慮可能出現(xiàn)的最不利情況，守住安全底線，并做到提前制定、超前部署。

（9）水庫防洪預案優(yōu)化。依據(jù)預演確定的方案，考慮水庫最新工況、經(jīng)濟社會情況，確定水庫運用、人員轉(zhuǎn)移等非工程措施并組織實施，確保預案的可操作性。

1）工程調(diào)度應用：水庫防洪調(diào)度應保證水庫自身防洪安全的前提下，提出水庫運用的時機和方式，明確不同條件下的控制水位和泄量。

2）非工程措施制定：明確值班值守、物料設(shè)備配置、查險搶險人員配備、 技術(shù)專家隊伍組建及受影響人員轉(zhuǎn)移等非工程應對措施。

3）組織實施：落實水庫調(diào)度運用、物料設(shè)備調(diào)配、查險搶險、人員轉(zhuǎn)移等措施的執(zhí)行機構(gòu)、權(quán)限和職責，分類分級明確信息報送內(nèi)容、方式和要求。

3.3 全市區(qū)域場景建設(shè)

按照水平臺數(shù)據(jù)管理、應用管理規(guī)范，各水庫可在自建預報程序時，建設(shè)在溫州市水平臺上，共享各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)資源，調(diào)用相關(guān)通用組件，完成精細化預報模型計算，采用注冊制注冊至水平臺，形成各類預報調(diào)度決策支持場景，總體框架如圖3所示。

圖3 全市區(qū)域場景建設(shè)框架

從圖3可知，各個大中型水庫洪水預報預警模型及系統(tǒng)建設(shè)到溫州市水平臺后，將形成統(tǒng)一的“水庫安全”應用場景，結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚到溫州市水平臺數(shù)據(jù)倉，最終可以為浙江省水利廳“九龍聯(lián)動治水”水庫安全提供數(shù)據(jù)支撐。

4 應用支撐

為了實現(xiàn)上述場景，在應用支撐上主要有以下幾個方面：

（1）工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。浙江省全省已經(jīng)建設(shè)了“浙江省水利工程運行管理”平臺，多年來全市大中型水庫工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都在該省級平臺上統(tǒng)一維護，因此本次建設(shè)需要浙江省水利廳“浙江省水利工程運行管理”平臺對溫州市大中型水庫工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的回流利用，保持“一數(shù)一源”的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。

（2）外部數(shù)據(jù)共享支撐。本次建設(shè)需要引入外部門的相關(guān)數(shù)據(jù)，比如氣象部門的1 h、6 h/km網(wǎng)格短臨預報，24 h/5 km網(wǎng)格短臨預報等數(shù)據(jù)；自然規(guī)劃局的水利地圖數(shù)據(jù)等。

（3）溫州市水平臺框架和數(shù)據(jù)支撐。各個水庫洪水預報預警模型及系統(tǒng)需要建設(shè)在溫州市水平臺框架上，數(shù)據(jù)倉庫在溫州市水平臺數(shù)據(jù)倉中拓展，數(shù)據(jù)融合貫通，相互支撐。包括水文數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)、工情數(shù)據(jù)等。同時各庫系統(tǒng)的運行平臺應具備多組織共同應用的能力，不同組織應用一套基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在應用數(shù)據(jù)中，可以獨立隔離，互不影響；各庫系統(tǒng)應能統(tǒng)一部署在市級水平臺運行，在市級平臺中應實現(xiàn)單組織，多水庫的運行能力，可以在不同水庫中進行應用切換，互不干擾。

5 結(jié)束語

通過本次調(diào)研、分析及研究探索，筆者認為有以下2點經(jīng)驗值得回顧。

（1）科學選擇數(shù)學模型。

水庫洪水預報調(diào)度系統(tǒng)，一般是指根據(jù)流域內(nèi)實時和預測降雨以及實測流量等數(shù)據(jù)，按選定的數(shù)學模型和出庫方案，計算預報入庫流量過程和庫水位過程的軟件系統(tǒng)。預報調(diào)度中，依據(jù)洪水預報成果和水庫調(diào)洪能力，按照調(diào)度規(guī)則和決策要求，演算擬定科學下泄流量過程及相應水庫水位變化過程，生成實時防洪調(diào)度方案，為決策提供技術(shù)依據(jù)。根據(jù)溫州市水文氣象特征，水庫洪水預報數(shù)學模型一般采用“新安江流域水文模型”，對流域歷史降雨概況、產(chǎn)匯流特征、水庫防洪調(diào)度情況進行詳細分析論證，針對水庫洪水數(shù)據(jù)，結(jié)合優(yōu)化計算與合理性分析，率定洪水預報模型參數(shù)。模型應具備一定的自學習校正能力，能適應各水庫所在庫區(qū)下墊面條件變化的影響。根據(jù)洪水預報方案，按水庫泄水建筑物泄洪能力，可因地制宜開發(fā)不同工況的洪水調(diào)度模式，一般應包含水位控制模式、流量控制模式、流量指令調(diào)度模式、開度指令調(diào)度模式、規(guī)則調(diào)度模式等。

（2）合理確定系統(tǒng)功能。

①自動采集出庫數(shù)據(jù)。對水庫閘門開度、發(fā)電引水流量、自由溢流等所有出庫流量數(shù)據(jù)進行全面采集、清洗和輸入。②合理率定后臺參數(shù)。宜采用人工調(diào)整與自動優(yōu)化相結(jié)合的模型參數(shù)校正調(diào)整方式。在新增幾個場次洪水過程后，可根據(jù)水情、雨情實際變化，對模型參數(shù)按照算法和人工干預相結(jié)合的方式校正調(diào)整，提高預報精度，達到精準、可靠、有效的預報要求。同時，為防止虛假擬合現(xiàn)象，應對參數(shù)的靈敏性、合理性、可靠性、系統(tǒng)穩(wěn)定性進行必要的分析和評估。③科學生成調(diào)度方案。洪水預報調(diào)度操作界面要簡單、高效、友好，根據(jù)洪水預報成果，能以人機交互方式生成實時防洪調(diào)度方案，提供決策依據(jù)。④建立歷史洪水數(shù)據(jù)。對歷史洪水數(shù)據(jù)進行重新整理分析，進行統(tǒng)一編碼,形成可靠、有效的歷史洪水和調(diào)度過程數(shù)據(jù)。

目前，溫州市大中型水庫洪水預報預警模型及系統(tǒng)建設(shè)正在如火如荼開展之中，本研究與思考也僅僅屬于階段性成果，還有諸多不成熟的地方。隨著大中型水庫洪水預報預警模型及系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)的開展，必將不斷完善思路和設(shè)計方案，希望本次建設(shè)成果，能為全市大中型水庫防洪能力的提升作貢獻，能為保障溫州市人民的生命和財產(chǎn)安全作貢獻，并為地區(qū)級水庫綜合防洪能力建設(shè)積累可借鑒的經(jīng)驗。