流域防洪预报调度一体化系统若干关键技术研究

发表时间：2019-12-05T15:43:40.993Z 来源：《房地产世界》2019年13期 作者： 王昌素[导读] 水是人类生存与发展必要的自然资源,也是维系社会经济持续发展的物质保障。贵州蒙江流域开发有限公司 550100

摘要：近年来，随着科技的发展，我国的基础建设的发展也突飞猛进。作为国家信息化的重要组成部分、水利现代化的基础和标志，伴随着计算机技术的推广和应用，水利信息化近年来取得了飞速发展，全国主要流域的防洪预报与水库调度系统日益健全、完善，逐步迈向自动化。然而，随着水文气象数据种类繁多且逐年增多、业务对象不断扩展且日趋复杂、系统用户与日剧增且形式多样，已有信息化平台建设逐步显现出数据处理效率低下、资源共享能力偏弱、软件通用程度欠缺、立体化功能不全等不足。具体表现在:①数据处理能力偏弱，且缺乏统一的数据处理标准，而且水利部、流域机构以及省(市)防汛部门各自为政，信息共享程度不高，形成了许多信息孤岛，难以满足当前水利信息建设工作中的一体化整体调控要求;②两大业务系统(洪水预报、防洪调度)平行式独立建设，彼此业务耦合度低，无法满足水利工程大规模投产后多阻隔河流防洪调度业务需求;③系统整体功能不健全、可扩展性不强、用户处理单一，无法满足不断增多且复杂多变的管理层级、业务对象扩展需求。综上，如何建设满足流域洪水预报调度实际工作需求的一体化集成系统成为我国水利相关从业人员无法回避的重大实际问题。

关键词：流域防洪预报；调度一体化；系统若干关键技术研究

引言

水是人类生存与发展必要的自然资源,也是维系社会经济持续发展的物质保障。由于我国水资源可用量十分有限,洪涝灾害频发,导致水资源短缺问题已严重制约我国经济发展和社会稳定,针对上述这些问题,国家长期都非常重视关于水资源开发利用方面的研究,21世纪初提出的洪水资源化理念是一种解决水资源短缺问题的新思路,目前已成为提高水资源利用率的有效措施之一。水库是承担防洪与兴利的重要水利工程,通过对水库与下游整体的防洪风险进行综合评估,在确保风险可接受的前提下,选择合适的汛期运行水位,可有效提高水资源利用率,为水库防洪调度风险综合评估研究提供重要的技术支撑。 1系统总体架构

流域防洪预报调度一体化系统以数据库为基础，以预报调度计算为核心，以辅助防汛抗旱决策为目标，集中服务于变化环境下的流域防洪预报调度管理工作。系统由数据层、业务层、应用层和信息安全管理体系等4个部分组成。数据层是系统的“地基”，主要负责基础资料和运行数据的存储、修改等工作，同时为外部数据交互提供统一的数据库访问接口，并分别通过优化前端缓存与连接池来加快数据传输速度;业务层是系统中连接“应用层”与“数据层”的中间纽带，负责所有的数据处理交换以及业务规则的制定调整，主要功能包括模型计算服务、GIS类服务和资源管理类服务(如短信服务、邮件服务、传真服务、推送服务);应用层是系统的“窗口”，主要用于展现相关的用户管理、业务计算结果与信息交互等业务逻辑，主要功能包括水雨情监视、防洪形势分析、调度方案生成与评价等;信息安全管理是系统的“护卫队”，通过物理安全、网络安全、信息安全及安全管理等多方面，为系统可能面临的病毒泛滥、恶意软件、信息失控、数据中断等复杂应用环境提供相应的应急防御措施与安全保障。此外，为进一步保障预报调度决策的信息安全，系统采用细粒度授权访问模式与数据加密控制等手段，实现用户权限与角色、功能紧密挂钩，切实保障信息服务的可追溯性和底层数据的数据库。 2流域水工程防洪调度现状及问题

按调度对象，防洪调度可分为单库、河库、库群及流域4种类型。其中单库防洪调度、及河库联合调度对象单一、目标明确，即在保证水库自身及上下游防洪安全的前提下，兼顾兴利，目前绝大部分水库都是单库或河库联合的防洪调度。而库群防洪调度需要考虑水库间水力联系、水库间防洪库容分配，同时兼顾兴利效益，实施各水库间的补偿调度。流域防洪调度则要以流域防洪效益最大为目标，综合考虑水库、蓄滞洪区、闸、分洪道等多种水工程的联合调度，其中水库的主要作用是拦蓄洪水、削减洪峰、减轻下游防洪负担；蓄滞洪区的主要作用是蓄、滞、调节洪水，缓解水库、河道蓄泄矛盾；水闸的主要作用是调节水位、控制流量、实施挡水及泄水；分洪道的主要作用是利用天然或人工开辟的新河道，分泄江河超额洪水。目前，少部分流域正在进行库群防洪联合调度、流域防洪调度方面的探索与尝试。 3流域防洪预报调度一体化系统关键技术

3.1基于河网空间拓扑关系概化图的预报调度一体化技术

随着水库群等水利工程的兴建，河流的天然状态已逐渐改变，河流上的预报点与调度点已成为紧密相连、密不可分的两个关联体，以串联、并联或混联方式存在，相互制约影响，形成牵一发而动全身的局面。因此，系统针对当前预报与调度业务分离信息与模型共享困难、人机交互缺乏人性化、重复开发难以管理以及实时预报调度方案制作时效差等一系列弊端，研究提出了基于河网空间拓扑关系概化图的预报调度一体化技术，以满足变化环境下流域防洪预报调度的业务需求。以流域大型水库、重要水文站、防汛节点等为关键控制断面，利用空间位置与水力联系构建形成水库、湖泊、防洪对象有序关联的拓扑关系概化图，采用通用数据接口对数值天气预报、降雨径流模型、洪水演进模型及调度模型进行无缝耦合处理，实现河系的河库(湖)联动、有序连续演算的预报调度一体化功能，从而形成了涵盖河系概化图构建和预报调节点计算的预报调度一体化技术。详细介绍如下。(1)河系概化图构建。通过分析流域预报节点、调度节点的拓扑关系，明确各节点对象的链接关系，采用对象符号抽象形成表达流域河网关系的有序树，然后设置河系概化图各节点对象的属性(如基本信息、防洪信息以及预报调度模型选择)，并采用静库容调洪演算或水动力学模型实现关键控制节点的调度计算。(2)预报调度节点计算。采用树形分层方法保证关键节点依据上下游拓扑关系顺序计算，具体步骤为:首先根据树形结构划分计算层次，此时计算层数与树的深度相同;然后从最高级叶结点开始，按照从高到低的原则逐级计算至根结点，其中同一层次的所有节点同时完成相关计算，下一层次只能在上一层次结点全部计算完毕后开始。

3.2研究预报调度互联关系，并建设预报调度一体化系统平台

预报与调度的相关关系体现在预报成果与调度决策的相互影响上：首先初始预报结果信息传递给水工程联合调度模型，得到水工程调度决策出流过程(预报影响调度)；基于出流过程，得到水工程体系内各断面的预报信息(调度影响预报)；再与更新的区间洪水和上游断面预报信息结合，再次进行工程体系的联合调度(新的预报信息影响调度)，如此往复。预报调度一体化系统平台，首先功能上需要实现预报调度

深度耦合、实现以防洪为主兼顾汛末蓄水的水工程联合调度、基于实时信息动态生成水工程实时联合调度方案、支持调度对象和防洪保护对象的增减、生成基于淹没影响分析的优化洪水调度方案；开发模式上最好采用C/S与B/S模式相结合；业务支撑上实现人机交互经验方法与模型方法结合、水文模型与水力学模型结合；同时采用模块化、积木式、组件式的开发方式，并将CPU+GPU并行加速计算应用其中。 结语

重大水旱灾害一直是制约我国流域用水安全、沿岸人民安康的重要因素，科学高效地实现流域防洪预报调度意义重大。

参考文献：

[1]胡四一，宋德敦，吴永祥，等．长江防洪决策支持系统总体设计［J］．水科学进展，1996(4):4－15．

[2]陈昂，隋欣，廖文根，等．基于数据云的水利信息化数据共享体系构建模式［J］．科技导报，2014，32(34):53－57． [3]黄瓅瑶，罗斌，朱思蓉，等．基于WebGIS的水库群调度拓扑设计分析与应用［J］．人民长江，2018，49(13):99－103．