中小河流預警預報軟件與關鍵技術

柳 林，徐 嘉

（海河水利委員會水文局，天津 300170）

1 引言

近年來，受氣候變化影響，中國中小河流洪水災害十分嚴重，暴露出了中國中小河流防洪減災的突出問題。根據《全國中小河流治理和病險水庫除險加固、山洪地質災害防御和綜合治理總體規劃》，中國將用5年時間對洪澇災害易發、保護區人口密集、保護對象重要的5 000多條中小河流重點河段進行集中治理，從整體上提升流域防洪保障水平。到2015年，全國各地將完成中小河流預警預報系統建設，確保有防洪任務的5 186條中小河流發生洪水時能及時預警，為中國中小河流水資源開發利用與保護、防洪減災及中小水庫的安全運行提供決策依據。

中小河流預警預報軟件系統以實時水雨情、氣象等數據的采集、存儲和管理為基礎，運用先進的水利技術和信息技術，以河流預警預報業務為核心，整合山洪預警系統和水資源管理系統，建立服務于中小河流的洪水預報、水情查詢、站網管理、綜合業務管理、預警預報服務、空間服務的信息化作業平臺和決策會商支撐環境，確保河流發生洪水時能及時預警，提高洪水預報的精度和預見期，提升水文的服務能力和服務水平。

2 系統總體設計

2.1 設計原則

（1）實用性和可行性。系統以滿足河流洪水預警預報為最高要求，一切開發和應用設計以實際業務需求為出發點進行，所開發的軟件系統平臺要符合本地區暴雨洪水特性及工程特性，滿足實際工作需要。

（2）先進性和成熟性。既要采用先進的技術，又要注意思維的合理性、模型的成熟度和方法的正確性，做到先進性與成熟性并重。

（3）可靠性和穩定性。從系統結構、技術措施、系統管理等方面著手，確保系統運行的可靠性和穩定性。

（4）可擴展性及易升級性。為適應應用不斷拓展的需要，系統必須有良好的可擴充性。

（5）可管理性和可維護性。整個系統是由多個子系統組成，為了便于系統的日常運行維護和管理，要求所選系統體系結構具有良好的可管理性和可維護性。

2.2 設計思路

在中國洪水預報系統、防汛指揮系統一期工程洪水預報系統的基礎上，依據大江大河水情監測、洪水預報的經驗成果，結合中小河流的特點，分析研究系統建設的關鍵問題，以河流預警預報業務為核心，以中小河流水情監測為重點，全面整合山洪預警系統和水資源管理系統，滿足水文部門綜合業務管理和站網管理需要，為決策支持提供強大的支持環境。

針對省局、地市在水情查詢、洪水預報、站網管理、業務管理等方面不同的應用需求，系統在縱向結構上分為省、地市兩級建設。

2.3 總體框架

系統總體邏輯框架是系統的核心，充分考慮架構的健壯性、可擴展性、互操作性、穩定性、可移植性和安全性等因素，結合項目的具體建設內容及要求，將系統總體邏輯架構自下至上分為基礎設施層、數據資源層、應用支撐層、業務應用層、用戶層；同時，運維管理體系、標準規范體系貫穿整個系統，如圖1所示。

（1）基礎設施。即預警預報系統運行環境，包括應用服務器、數據庫服務器、工作站、數據庫管理系統、操作系統、GIS系統等基礎軟硬件產品。

圖1 系統總體框架

（2）數據資源。數據資源是軟件平臺的基礎，采用成熟的數據庫管理系統對所有資源數據進行存儲和管理。包括基礎信息數據庫、實時水雨情數據庫、水文數據庫、氣象信息庫、防洪工程數據庫、洪水預報數據庫、社會經濟數據庫、地理空間數據庫等。并整合分中心、山洪災害等以前所建遙測站點數據。

（3）應用支撐平臺。應用支撐平臺是一個信息集成環境，將分散、異構的應用和信息資源進行聚合，實現結構化數據資源、非結構化文檔和互聯網資源及各種應用系統跨系統平臺的無縫接入和集成，提供一個支持信息訪問、傳遞以及協作的集成化環境，實現對業務應用的高效開發、集成、部署與管理，并根據業務系統的規劃需求提供相應的二次開發接口，對相互關聯的數據進行相關的事務處理。

（4）業務應用系統。主要包括洪水預報系統、水情查詢系統、站網管理系統、綜合業務管理系統、智慧預警服務系統、空間服務系統，是中小河流預警預報系統的核心。

（5）門戶系統。通過門戶來實現對應用的訪問，包括訪問各種應用資源和數據資源的各種服務。統一集成所有業務和信息服務，為用戶提供全部應用的統一入口；同時，結合權限控制，實現個性化信息服務。

（6）運維管理體系。運維管理體系是貫穿系統設計到運行全過程的保障體系，主要包括各個業務應用的系統維護管理、服務維護管理以及網絡安全管理。運維管理是關系到系統能否正常運轉、發揮效能的關鍵因素。因此，在系統配置過程中要充分考慮系統建設中和建成后的運行維護問題，采用集中式配置，以降低后續運行維護成本。

（7）標準規范體系。它是指水文監測國家標準和行業標準以及相關規范。標準化和規范化建設是重要的基礎性工作，是實現水文信息化建設目標，保證信息交換、共享和應用支持有效性和可行性的重要前提。

2.4 技術架構

在技術路線的選擇上，采用了符合SOA體系架構的設計思想及當前業界主流的J2EE技術路線，可以滿足跨硬件平臺、跨操作系統的要求。技術架構，如圖2所示。

圖2 技術架構

Java技術由于其跨平臺特性、面向對象特性、安全特性等，把數據庫訪問、企業級Java組件、命名和目錄服務、動態頁面生成、XML、事務服務等有機地集成在一起，并且提供集群等高級特性，使之特別適合構建復雜的大型應用系統，并保證系統具有很好的可擴展性。

中小河流預警預報軟件系統是采用Java開發的B/S 架構系統，可以在絕大部分的硬件設備（IBM、SUN、HP等）、操作系統（Windows、Unix、Linux、So1ar?is 等）、中間件（WebLogic、WebSphere、tomcat 等）上運行，支持多種數據庫及其數據相互轉換。

3 業務系統設計

3.1 洪水預報系統

將洪水預報數學模型的計算分析、預報信息的分布服務聯為一體，通過分析研究洪水特點及流域地形地貌特征，采用水文學、水力學、河流動力學等相結合的方法，建立實用的洪水預報經驗方案和數學預報模型。在實際應用中，以實時雨情、水情、工情、氣象等各類實時信息作為輸入，通過啟動預報模型和方法，對洪峰水位（流量）、洪水過程、洪量等洪水要素進行實時預報，為防汛減災指揮部門提供決策依據。洪水預報軟件，如圖3所示。

圖3 洪水預報軟件

洪水預報系統功能主要包括預報方案庫管理、預報模型庫管理、歷史洪水數據庫管理、預報方案參數率定、實時預報、中長期洪水預報、區縣洪水預報，實現中小河流洪峰及漲、退水過程預報，針對某一站點可以選擇所有模型進行試算，并選擇最優方案；實現洪水預報模型、預報方案的管理；結合預報模型對中長期洪水進行年、月、旬預報；實現斷面的實時洪水預報。具體功能模塊，如圖4所示。

圖4 洪水預報系統功能模塊

3.2 水情查詢系統

以水情數據庫、地理信息數據庫為支撐，以Web GIS 及各種圖表為信息展示方式，以信息管理（包括雨情、水情、墑情等）、信息查詢、常用業務分析為主要內容，提供雨情、水情、墑情等方面直觀的信息查詢、圖形顯示、報表輸出及輔助決策分析服務。水情查詢系統構成，如圖5所示。

圖5 水情查詢系統構成

其建設內容包括：①建設雨情、水情以及各種水情業務信息的質量監控子系統；②建設實時氣象、數值預報、實時雨情、實時水情等各種水情信息的監視和查詢子系統；③建設綜合全面的信息分析子系統，對實時雨情、水情等各種水情業務信息從空間和時間上進行多維的對比分析處理；④建設面向空間層次體系的數據結構，對實時雨情、水情等各種水情業務信息以空間多維形式展示；⑤建設產品制作子系統，包括各類文檔報表制作以及雨情、水情等各種水情業務信息的信息發布。

3.3 測站管理系統

建立統一的站網基礎數據共享平臺，利用數據庫管理和GIS空間分析技術，建立涵蓋所有水文站網管理、可進行站網布局與自然和社會經濟關系分析的管理信息系統，為站網調整和建設服務。站網管理系統提供多種信息管理，主要包括基礎類信息管理、站網規劃、站點分布圖、站點查詢統計、站點設備配置、站點編碼管理、年極值系列維護、極值系列統計、資料整編等。

3.4 綜合業務管理系統

用于處理日常辦公文檔、值班業務、短信息、系統用戶和權限管理、數據庫管理和維護的信息綜合管理服務平臺，協助工作人員便捷、高效完成日常公文處理、數據管理、用戶管理等系統管理維護工作。該系統結合水情值班實際，以實用為目的，充分滿足水情值班人員的日常工作需要。綜合業務管理系統構成，如圖6所示。

3.5 智慧預警服務系統

建立一套先進的中小河流預警分析、預警信息發布和應急響應管理系統，為防御災害、確保人民群眾生命財產安全提供信息和技術支撐。預警服務系統對實時水雨情數據、預報數據，結合相關的模型參數進行分析，根據不同的預警級別分別給出相關提示信息，并結合經濟社會信息數據自動分析影響范圍、預警對象等，發送預警信息，動態跟蹤預警信息的發送結果及反饋等信息。智慧預警服務系統構成，如圖7所示。

圖6 綜合業務管理系統構成

圖7 智慧預警服務系統構成

其主要包括以下建設內容：①建立預警模型數據庫，包括測站預警指標模型、流域預警指標模型；②開發一套預警信息分析系統，包括數據讀取、指標分析、預警分級、生成預警信息、預警列表、預警圖示和測站預警指標模型管理等功能，系統支持單站臨界雨量分析、區域山洪臨界雨量分析、內插法分析、比擬法分析、災害與降雨頻率分析、動態臨界雨量分析等；③開發一套預警信息發布管理系統，包括預警部門信息管理、預警人員信息管理、預警信息發布、預警反饋信息管理、歷史記錄管理、預警終端設備管理、預警信息獲取、短信隊列管理、自動發送短信和自定義短信等功能。

3.6 空間服務系統

通過運用3S技術，實現水利信息數據的空間存儲管理、空間查詢、專題地圖制作和輸出、洪水淹沒模型建立、空間分析等，從而使空間服務系統起到輔助決策的作用，為水利部門和領導提供科學的決策依據。空間服務系統構成，如圖8所示。

系統功能主要包括：專題圖制作、空間查詢、緩沖區分析、在線標繪圖形輸出、影像數據管理、三維展示等。

4 關鍵預報模型技術

4.1 集總式模型

水文預報模型是隨著計算機技術應用和發展而產生的一種對流域內發生的水文過程進行模擬的技術，通過一系列數學方程來模擬水文自然過程。預報模型是洪水預報系統的核心，洪水預報系統就是緊緊圍繞預報模型、管理和運行預報模型，展現預報模型運行結果。

目前，中小河流預警預報系統已經涵蓋模型構件35個，包括國內常用的模型[如三水源蓄滿產流模型（SMS_3）、單一線降雨徑流相關法（P_RWLL）、多線降雨徑流相關法（P_RZHJR）、薩克拉門托模型（SAC）、三水源滯后演算法（LAG_3）、分段馬斯京根河道演算法（MSK）、經驗單位線（UH_B）、匯流系數法（UH_C）、擴散波模型（KSB）]以及各級流域機構、省水文部門依據預報對象特定情況開發的特定斷面經驗模型（如長江水利委員會水文局開發的螺山站經驗預報模型、黃河水利委員會水文局開發的花園口站經驗預報模型、湖北省水文局開發的沙市站經驗預報模型等）。

4.2 分布式水文模型

中小河流洪水具有突發性強、流速快、預見期短以及分布廣的特點，因此中小河流洪水預報與常規水文預報的思路有所不同。

中小河流洪水易發區一般水文資料較少，集總式模型比分布式水文模型對資料的要求要高，給模型參數率定和檢驗帶來困難。

傳統的集總式模型往往是將研究區域當作一個總體來考慮其與外界的物質能量交換，很難給出流域內部的水文過程描述。分布式水文模型與傳統的集總式水文模型相比，充分考慮了流域空間變異性，針對中小河流突發性洪水特點，通過利用高精度數字高程模型（DEM）生成數字流域，構建分布式產匯流模型，進而獲得每個子流域出口斷面的洪水預報數據，能夠更加客觀科學地揭示流域內的水文循環過程。基于氣象衛星、天氣雷達、地面雨量站點相結合的多源信息融合技術，應用氣象模型與分布式水文模型耦合的模式可以相對準確地預測中小河流洪水易發區未來幾個小時降雨，并用未來降雨進行水文模擬計算，可以有效提高中小河流洪水預報的預見期。

4.3 相關圖法經驗模型

系統目前支持降水徑流相關法、相應水位（流量）法等。

4.3.1 水位流量關系

流量的測算比較復雜，不可能也沒有必要通過連續觀測來直接點繪流量過程線；而水位的觀測比較容易，且水位隨時間的變化過程較易獲得。水文站一般是通過一定次數的流量測驗，根據實測的水位和流量的對應資料建立水位與流量的關系曲線。通過水位流量關系曲線，可以把水位變化過程轉換成相應的流量變化過程。

圖8 空間服務系統構成

4.3.2 降水徑流相關法（API）

降雨徑流相關法是以流域產流的物理機制為基礎，以主要影響因素作參變量，建立降雨量（P）與產流量（R）之間的相關關系。降雨徑流相關法常配合單位線進行區間徑流模擬及預報。常用的參變量有前期雨量指數（Pa）（反映前期土濕）、季節或月份、周次（反映洪水發生時間）和降雨歷時（T）或降雨強度等，也有反映雨型、暴雨中心位置等因素的參變量。常用的是三變量相關圖。以次降雨量（P）為縱坐標，以相應的徑流深R（Rs）為橫坐標，可按對應的P、R（Rs）在圖上繪一個點，并把它的Pa值注在點旁，然后按點群分布的趨勢，照顧大多數點，繪出以Pa為參數的等值線，即為P－Pa－R（Rs）三變量相關圖法。降水徑流相關法，如圖9所示。

4.3.3 相應水位（流量）法

相應水位（流量）法是用已知河段上斷面的水位（流量），預報河段下斷面的水位（流量）的方法。同時，對于多支流河段相應水位（流量）預報可采用合成流量法，即下游站的預報流量與上游干支流相應流量之和形成的。

圖9 降水徑流相關法

5 結語

中小河流預警預報軟件系統的建設，可以全面提高中小河流水文監測和預警預報能力，為決策人員提供很好的支持；逐步建立集信息管理與服務、信息統計分析與專業應用和決策支持于一體的水文信息服務體系，為各地區經濟社會發展和綜合治理提供全方位的水文信息服務。