洪水預(yù)報系統(tǒng)及其在工程調(diào)度中的作用

程海云

（長江水利委員會水文局，430010，武漢）

我國是一個洪澇災(zāi)害頻發(fā)的國家，在人類長期與洪水災(zāi)害斗爭的客觀需求推動下，洪水預(yù)報及其技術(shù)受到普遍重視和關(guān)注， 并逐步發(fā)展起來。 水利工程作為防洪減災(zāi)重要工程措施，如何調(diào)度運(yùn)用，使其充分發(fā)揮防災(zāi)減災(zāi)效益，是一個需要不斷思考的問題。 隨著一批水利工程的興建，河流天然狀態(tài)已逐漸改變，河流上的預(yù)報調(diào)度節(jié)點(diǎn)成為緊密相連、密不可分的關(guān)聯(lián)體，相互制約影響，預(yù)報調(diào)度已密不可分。 洪水預(yù)報系統(tǒng)是洪水預(yù)報預(yù)警、 防洪調(diào)度指揮的重要支撐，計算機(jī)技術(shù)在洪水預(yù)報、調(diào)度分析各環(huán)節(jié)中廣泛應(yīng)用，使水情信息處理和預(yù)報作業(yè)、調(diào)度分析、會商決策等各項業(yè)務(wù)更加方便快捷。

一、洪水預(yù)報系統(tǒng)發(fā)展概況

1.國內(nèi)外洪水預(yù)報系統(tǒng)發(fā)展歷程

洪水預(yù)報系統(tǒng)是水文預(yù)報領(lǐng)域具有代表性的先進(jìn)技術(shù)，研發(fā)進(jìn)展較快，在國內(nèi)外研究開發(fā)已有30~40 年的歷史，經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：第一階段是聯(lián)機(jī)預(yù)報作業(yè)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)報計算為一體， 以便快速完成洪水預(yù)報作業(yè)； 第二階段是實(shí)時預(yù)報校正階段， 在洪水預(yù)報系統(tǒng)中引入現(xiàn)代控制理論， 實(shí)現(xiàn)實(shí)時信息和預(yù)報結(jié)果的實(shí)時校正； 第三階段是交互式洪水預(yù)報階段， 利用圖形交互處理技術(shù)對洪水預(yù)報中間環(huán)節(jié)進(jìn)行人工干預(yù)， 充分利用專家、預(yù)報員的知識和經(jīng)驗，以有效地提高洪水預(yù)報水平。

目前，計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步使得Web 服務(wù)模式下洪水預(yù)報系統(tǒng)的開發(fā)成為可能。 系統(tǒng)采用B/S多層體系架構(gòu)， 信息集中處理和存貯， 以通用Web 瀏覽器作為用戶界面，Web 服務(wù)器存貯和處理信息，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存貯屬性和空間數(shù)據(jù)， 達(dá)到同時為多個不同地點(diǎn)的用戶迅速服務(wù)的要求， 具有良好的跨平臺性和擴(kuò)展性，同時能夠減輕管理人員的負(fù)擔(dān)，使洪水預(yù)報系統(tǒng)研發(fā)真正從模型開發(fā)走向應(yīng)用服務(wù)。 在業(yè)務(wù)功能處理上實(shí)現(xiàn)了預(yù)報調(diào)度一體化、 會商決策信息化和科學(xué)化支撐。 基于Web 服務(wù)模式下構(gòu)建預(yù)報調(diào)度一體化系統(tǒng)， 正向洪水預(yù)報系統(tǒng)發(fā)展的第四階段邁進(jìn)， 長江防洪預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)是其中代表之一。

2.長江防洪預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)的發(fā)展迭代

20 世紀(jì)50 年代以來， 長江流域洪水預(yù)報經(jīng)歷了從無到有、由點(diǎn)到面的迅速發(fā)展，伴隨著水情自動測報技術(shù)的研發(fā)， 水雨情報汛站點(diǎn)不斷擴(kuò)充， 預(yù)報模型方法和手段不斷進(jìn)步，長江洪水預(yù)報逐漸走上現(xiàn)代化。

長江水利委員會水文局從20 世紀(jì)80 年代起開發(fā)洪水預(yù)報系統(tǒng)，并持續(xù)迭代更新（如圖1 所示）。 最初目標(biāo)為聯(lián)機(jī)實(shí)時預(yù)報，輔之以圖形交互處理技術(shù)，將動態(tài)預(yù)報技術(shù)應(yīng)用至作業(yè)預(yù)報且獲得成功， 開創(chuàng)性地提出“交互式預(yù)報” 概念。 1994 年起開發(fā)“長江專家交互式預(yù)報系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)對模型結(jié)果進(jìn)行人工干預(yù)，開辟了專家經(jīng)驗與計算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的可行途徑，系統(tǒng)1995 年5 月投運(yùn)后在95/96/98 年大水中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。 2000 年，在國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了常用預(yù)報方法傳統(tǒng)手工建模的計算機(jī)化。2006 年，為適應(yīng)三峽工程建設(shè)帶來的流域匯流變化，開發(fā)了基于Web 應(yīng)用的通用型水文預(yù)報平臺，在系統(tǒng)通用化上取得突破性進(jìn)展，并應(yīng)用在三峽水庫調(diào)度和長江洪水預(yù)報調(diào)度中，成功解決三峽入庫洪水預(yù)報異地會商難題。 2010 年，依托國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程，進(jìn)一步完善通用型水文預(yù)報平臺，并在平臺上創(chuàng)建了長江洪水預(yù)報系統(tǒng)和長江防洪調(diào)度系統(tǒng)。2012 年開展長江流域水庫群聯(lián)合調(diào)度，對預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)研發(fā)提出新的更高要求。 依托國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程，2016 年建成長江防洪預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)，在國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)預(yù)報調(diào)度一體化，成為長江流域防洪和水資源預(yù)報調(diào)度會商的重要抓手。

二、洪水預(yù)報調(diào)度一體化系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)

1.技術(shù)難點(diǎn)

我國江河眾多、水系復(fù)雜，加之大規(guī)模水利工程的建設(shè)運(yùn)行，預(yù)報面臨多對象、多目標(biāo)、多約束的高要求，尤其是大水系、長河段、多工程的復(fù)雜性，要建立標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、高效可靠、先進(jìn)發(fā)展的洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)，需考慮以下技術(shù)難題。

圖1 長江防洪預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)的發(fā)展迭代示意圖

一是水利工程建成后運(yùn)行，逐漸改變河流天然狀態(tài)，如何在實(shí)時洪水預(yù)報中考慮眾多水工程的合理運(yùn)用，提高預(yù)報精度，并實(shí)現(xiàn)工程運(yùn)行條件下多阻斷河系洪水連續(xù)演進(jìn)計算，是一項重要難題。

二是江河湖庫洪水調(diào)度最終目標(biāo)是合理運(yùn)用各種水工程設(shè)施 （水庫、分蓄洪區(qū)等）對洪水過程進(jìn)行人工干預(yù)，改變洪水、水量過程的時空分布，從而達(dá)到防洪減災(zāi)、水資源綜合利用的目的。 水利工程實(shí)時調(diào)度的決策過程，就是人工干預(yù)措施、力度和時機(jī)的選擇、比較過程，屬綜合性智能決策的領(lǐng)域，如何實(shí)現(xiàn)預(yù)報調(diào)度的嵌套分析，技術(shù)難度大。

三是開展Web 服務(wù)模式下的預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)，需要解決水利工程信息共享整合、大數(shù)據(jù)傳輸、統(tǒng)計查詢及計算效率等難題。

四是適應(yīng)水利工程的逐漸建設(shè)到位、 預(yù)報調(diào)度的技術(shù)業(yè)務(wù)更新發(fā)展，預(yù)報調(diào)度業(yè)務(wù)系統(tǒng)始終處于不斷完善的動態(tài)系統(tǒng)。

2.設(shè)計理念

洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)堅持以需求為引擎、業(yè)務(wù)為導(dǎo)向，充分考慮用戶使用習(xí)慣與用戶體驗，解決面臨的技術(shù)難題，采用開放式軟件架構(gòu)及先進(jìn)、成熟的開發(fā)技術(shù)，以預(yù)報調(diào)度一體化為目標(biāo)理念進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，保障系統(tǒng)在安全穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上，具備高效、易用、靈活、可擴(kuò)展等特性。

（1）開放式設(shè)計理念

系統(tǒng)框架、菜單體系、數(shù)據(jù)訪問、預(yù)報調(diào)度體系構(gòu)建均采用開放式管理體系， 通過配置加可視化管理維護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)動態(tài)管理。數(shù)據(jù)訪問封裝通用化接口，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。

預(yù)報調(diào)度體系主要以概化圖表示，通過配置管理自定義方式構(gòu)建預(yù)報調(diào)度任務(wù)，不修改程序編碼便可修改預(yù)報調(diào)度業(yè)務(wù)邏輯流程，采用工作引擎控制預(yù)報調(diào)度執(zhí)行邏輯，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)報調(diào)度流程動態(tài)控制，體系及節(jié)點(diǎn)可靈活增刪及擴(kuò)展。

（2）一體化技術(shù)思路

按照分布式+面向服務(wù)的集成方式， 實(shí)現(xiàn)水文氣象產(chǎn)品統(tǒng)一生成共享、信息綜合展示一張圖、預(yù)報調(diào)度一體化服務(wù)。

3.關(guān)鍵技術(shù)

（1）預(yù)報調(diào)度模型庫構(gòu)建技術(shù)

根據(jù)納入系統(tǒng)的模型進(jìn)行分類，分離模型、接口、數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)規(guī)范各類模型的輸入輸出接口， 制定統(tǒng)一的封裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以組件化結(jié)構(gòu)和開放式架構(gòu)創(chuàng)建不同粒度的多源異構(gòu)預(yù)報調(diào)度模型庫。

（2）調(diào)度規(guī)則庫構(gòu)建技術(shù)

通過收集已有防洪調(diào)度、水量調(diào)度相關(guān)的各種基礎(chǔ)文件、特征參數(shù)和相關(guān)研究成果，對調(diào)度規(guī)程及聯(lián)合調(diào)度方案、實(shí)時洪水調(diào)度等研究成果進(jìn)行歸類整合，理順防洪調(diào)度、水量調(diào)度的分析體系， 并數(shù)字化調(diào)度規(guī)程，量化并抽象分類后轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可識別語義，結(jié)合調(diào)度規(guī)則參數(shù)，形成實(shí)時調(diào)度規(guī)則庫。

（3）預(yù)報調(diào)度體系可擴(kuò)展技術(shù)

根據(jù)流域水系測站的拓?fù)潢P(guān)系，以概化圖描述，并采用對象符號和可標(biāo)記的語言， 分類標(biāo)識預(yù)報節(jié)點(diǎn)、調(diào)度節(jié)點(diǎn)的對象屬性及上下游關(guān)系，對象屬性包括基本信息、 模型信息等?？删庉嬓薷念A(yù)報體系結(jié)構(gòu)，當(dāng)流域預(yù)報體系發(fā)生變化時，可直接編輯節(jié)點(diǎn)信息，調(diào)整節(jié)點(diǎn)順序，達(dá)到新增或刪減預(yù)報調(diào)度對象的目的。

（4）預(yù)報調(diào)度一體化引擎

按空間位置與水力聯(lián)系構(gòu)建河系、水工程和防洪對象的拓?fù)潢P(guān)系概化圖，建立預(yù)報調(diào)度計算體系，配合模型庫、調(diào)度規(guī)則調(diào)用和調(diào)度演算約束， 采用通用數(shù)據(jù)接口對降水預(yù)報、降雨徑流、洪水演進(jìn)及調(diào)度各模型作無縫耦合處理，實(shí)現(xiàn)河系的河庫（湖）聯(lián)動、有序連續(xù)演算的預(yù)報調(diào)度一體化，如圖2 所示。

（5）可視化處理技術(shù)

利用Internet/Intranet、 地理信息系統(tǒng)（GIS）和多媒體等新技術(shù)，開發(fā)友好的用戶界面，通過圖表展示及圖形拖動方式，利用可視化處理功能實(shí)現(xiàn)區(qū)間交互、計算修正、水位/流量控制、調(diào)洪演算和交互調(diào)度等過程。

4.主要功能

圖2 預(yù)報調(diào)度一體化演進(jìn)示意圖

洪水預(yù)報系統(tǒng)功能受需求驅(qū)動，水情業(yè)務(wù)和服務(wù)對象及范圍不同，系統(tǒng)功能差別較大，但總體上應(yīng)包含以下幾個方面： 一是信息處理與共享，對預(yù)報調(diào)度業(yè)務(wù)所需的水雨情信息、工情信息（水庫、閘、壩等運(yùn)行數(shù)據(jù)）和防洪基本信息 （防洪方案和指標(biāo)、安全泄量、防洪區(qū)社會經(jīng)濟(jì)狀況等），進(jìn)行匯集、處理、存儲和共享；二是水雨情監(jiān)視預(yù)警， 提供對實(shí)時汛情、工情自動監(jiān)視和險情告警服務(wù)，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時接收，異常時能以聲音、動畫、圖、表等方式醒目提醒、動態(tài)告警，以完全自動、直觀清晰的方式提供各類工程運(yùn)行及預(yù)報調(diào)度情況，實(shí)現(xiàn)自動、及時、全面的實(shí)時監(jiān)視功能；三是防洪形勢分析，根據(jù)洪水預(yù)報成果，對實(shí)時、預(yù)報與歷史的水雨情信息檢索，按照防洪調(diào)度規(guī)則進(jìn)行推理判斷，初步判明需啟用的防洪工程，并參考工程運(yùn)用現(xiàn)狀，明確當(dāng)前調(diào)度任務(wù)與目標(biāo)，編制防洪形勢分析報告，初步確定各控制性工程的防洪形勢；四是預(yù)報調(diào)度，依據(jù)流域?qū)崟r水雨情、 工情及預(yù)見期降雨等信息，以自動、交互相結(jié)合的模式實(shí)現(xiàn)預(yù)報調(diào)度、 洪水演進(jìn)及相關(guān)分析，并具有實(shí)時校正功能，可對不同降雨預(yù)報方案、工程運(yùn)用方式進(jìn)行模擬仿真計算， 分析洪水調(diào)度中的不確定因素， 協(xié)助制定洪水調(diào)度決策方案；五是綜合分析，對預(yù)報調(diào)度結(jié)果的可靠性和可能出現(xiàn)的偏差進(jìn)行分析和研判，利用交互分析工具，綜合分析會商，確定預(yù)報發(fā)布值。

三、洪水預(yù)報系統(tǒng)在工程調(diào)度中的作用

洪水預(yù)報系統(tǒng)通過水雨情監(jiān)視預(yù)警、防洪形勢分析以及預(yù)報調(diào)度計算等， 為預(yù)報調(diào)度提供重要技術(shù)支撐，并極大地提高工作效率。

一是實(shí)現(xiàn)預(yù)報與調(diào)度的無縫銜接與嵌套，為工程調(diào)度掌握流域上下游和各區(qū)域之間的復(fù)雜關(guān)系，充分考慮流域來水狀況，兼顧上下游進(jìn)行預(yù)報調(diào)度，更加科學(xué)合理精細(xì)地實(shí)現(xiàn)水工程（群）的調(diào)度控制，調(diào)節(jié)流域干支流洪水， 提高流域整體防洪抗旱能力，高效發(fā)揮水資源的多種功能和綜合利用效益發(fā)揮重要作用。

二是通過交互式預(yù)報調(diào)度方案制作、分析比較，有力支撐精細(xì)化調(diào)度。 水利工程（水庫、閘壩等）調(diào)度需考慮（攔洪、削峰、與下游洪水錯峰等）多種情形，洪水嚴(yán)重時還需要利用分蓄洪區(qū)攔蓄超額洪水。 系統(tǒng)通過交互預(yù)報調(diào)度功能，根據(jù)給定的控制目標(biāo)和控制參數(shù)，結(jié)合當(dāng)前流域水利工程運(yùn)行現(xiàn)狀和效果差異，推薦調(diào)度方案，包括水利工程（群、組）應(yīng)用，調(diào)度對象具體蓄泄過程， 調(diào)度目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、影響區(qū)域狀態(tài)等，并通過仿真可視化，對調(diào)度方案的應(yīng)用效果和風(fēng)險進(jìn)行評估，供調(diào)度決策參考。

三是準(zhǔn)確、及時的洪水預(yù)報是水利工程調(diào)度的關(guān)鍵，也是確定水工程實(shí)時調(diào)度運(yùn)行方式的基礎(chǔ)。 采用短中長期水文氣象相結(jié)合、模型與實(shí)時校正、人工經(jīng)驗相結(jié)合，有效地延長預(yù)見期、提高預(yù)報精度，給工程調(diào)度贏得科學(xué)決策的時間，為水工程（群）聯(lián)合調(diào)度綜合效益發(fā)揮提供支撐。

以長江防洪預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)為例，系統(tǒng)匯集了流域3 萬個水雨情站點(diǎn)，集合了短中期及延伸期等各類降水?dāng)?shù)值預(yù)報產(chǎn)品， 并接入水文預(yù)報模型， 通過自動與交互并行的模式，提高預(yù)報精度，延長預(yù)見期。 總體上，預(yù)見期72 h 內(nèi)水位流量預(yù)報達(dá)到準(zhǔn)確，其中城陵磯-大通各站水位預(yù)報平均誤差均在0.2 m 以內(nèi)， 關(guān)鍵性的預(yù)報能提前3～5 d 準(zhǔn)確預(yù)報， 據(jù)此制作調(diào)度方案，調(diào)度部門依據(jù)預(yù)報調(diào)度方案開展科學(xué)調(diào)度。

2020 年長江流域發(fā)生大洪水，8月中旬，長江上游岷沱江、嘉陵江干支流來水嚴(yán)重遭遇， 三峽水庫出現(xiàn)成庫以來最大洪水，入庫洪峰達(dá)75 000 m3/s（20 日8 時）。早在8 月11 日，洪水預(yù)報系統(tǒng)短中期預(yù)報出未來一周（11~17 日）岷沱江、 嘉陵江流域有大到暴雨，累積雨量在250 mm 以上， 三峽入庫將出現(xiàn)60 000 m3/s 量級以上的復(fù)式洪水，此后滾動修正，最終預(yù)報的三峽入庫洪峰與實(shí)況完全吻合。 分析制作調(diào)度方案， 調(diào)度部門據(jù)此精細(xì)聯(lián)合調(diào)度長江上游水庫群， 累計攔蓄洪水190億m3。 據(jù)分析，將上游寸灘站洪峰（洪量）約90 年（130 年）一遇的特大洪水削減為20 年（40 年）一遇，顯著減輕了流域防洪壓力， 避免了荊江分洪區(qū)的啟用，發(fā)揮了巨大的防洪減災(zāi)效益。

四、結(jié) 語

在氣候變化與高強(qiáng)度人類活動共同作用下， 極端氣候和水文事件時空格局出現(xiàn)了新特點(diǎn)， 水工程多目標(biāo)綜合調(diào)度需求不斷增強(qiáng)， 洪水預(yù)報系統(tǒng)現(xiàn)有功能難以細(xì)致刻畫水利工程聯(lián)合預(yù)報調(diào)度的相互嵌套影響。 同時經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展對洪水預(yù)報精度、 預(yù)見期、預(yù)報要素均提出了更高要求，需要進(jìn)一步提升預(yù)報能力， 擴(kuò)充水文預(yù)報要素， 引入大數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能新技術(shù)， 向智慧預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)迭代升級，為防洪、水資源管理及應(yīng)急調(diào)度決策提供強(qiáng)有力的支撐。 ■