基于MICAPS系统的乌江流域梯级电站水文气象服务平台开发

胡跃文，王俊超，彭 涛，胡祖恒

(1.贵州省气象学会，贵州 贵阳 550002；2.中国气象局武汉暴雨研究所 暴雨监测预警湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430074；3.重庆市气候中心，重庆 401147)

1 引言

乌江流域虽属典型的山区中小河流域，但却是我国长江上游南岸最大的支流，支流众多，呈羽状水系分布，横跨贵州省北部和重庆市东南部，流域的人口密度比全国人口密度的平均值高，流域分布不少水电站，流域水电站发电量占贵州全网总水电量的70%。贵州省的第一大河就是乌江，属长江上游右岸支流，发源于贵州省的威宁县，流经贵州黔北地区，重庆市酉阳、彭水，在重庆的涪陵汇入长江。乌江干流长1 037 km，流域面积为8.79万km2。目前乌江流域贵州境内建有11个大型水电站，洪家渡、东风、乌江渡、构皮滩等水电站为乌江流域著名的水电站。

乌江流域具有地势高差大、自然景观垂直变化明显的特征，该地形地貌导致自然灾害，诸如干旱、暴雨洪涝等时有发生，严重威胁流域沿线电站的安全发电、电网正常运输，也严重影响了西电东输工程和沿线人民群众生命财产安全，如2009年夏秋至2010年春，由于少雨高温天气，贵州大部地区出现罕见的夏秋及冬春连续干旱，2011年贵州再次出现严重干旱，造成乌江流域各水电站不能正常发电，2011年水电减少发电约140亿kW，西电东输受到严重影响，送电量比计划减少约100亿kW，人畜饮水困难，经济损失严重。2014年贵州出现的暴雨洪涝灾害属全国重灾省份，入汛期以后，多次出现大范围暴雨天气过程，造成全省多条河流超警戒水位，乌江流域多个县市发生严重内涝，损失严重，全省洪涝灾害造成的直接经济损失高达182亿元，高于近5 a来161.5亿元的平均值。由此可见，开发建立乌江流域精细化水文气象服务系统，能为相关单位提供优质气象服务，助力地方经济建设和防灾减灾工作。

自2011年以来，正式实施中国气象局山洪地质灾害防治气象保障工程项目，多地的气象部门、科研机构已经开展了观测系统、预报预测与风险评估系统、中小流域防汛精细化预报、预警服务系统的开发工作[1-5]。本文基于乌江流域防汛抗旱工作对水文气象精细化服务的需求，开发了基于MICAPS3.1的流域梯级电站水文气象服务平台，并开展水文模拟试验，从而建立乌江流域水文监测与预报模型；以气象监测预报预警和水文地理信息为基础，开发乌江流域精细化水文气象服务产品。

2 MICAPS3.1简介

2.1 系统基本结构

MICAPS3.1系统基本结构包含系统基本模块BASIC和系统主框架。BASIC提供地图投影、绘图控制等功能；系统主框架提供系统主窗口、菜单和工具栏控制，鼠标事件转发等功能。系统还提供一些数据读取和基本分析算法函数，编译为DLL，供各模块使用。

开放式框架结构在系统中得到了运用，标准化接口应用在各功能组件，可以综合控制数据处理和显示；业务数据得到了标准化处理，并实现了接口管理统一，可进行交互控制，完成了和系统的参数配置、输出管理和处理后台的作用等功能；按照业务科研需求，系统中可使用版本控制等框架软件，并进行自由组合，在软件当中也可自由应用。

系统的公共资源管理、图形绘制区域设置与图层基本属性定义由系统核心框架主要负责实现，当系统需要进行其他操作功能时，可操作系统，对相关的功能模块进行扩展；启动操作系统，对相关的模块组件进行扫描安装，并注册到系统中，工具栏按钮也可以启动这个模块，这样，通过后期加载功能扩展的方式，系统启动的速度不受影响。

2.2 系统二次开发

MICAPS第三版微机版采用Microsoft Visual Studio .NET 2005(SP1)作为开发工具，二次开发需要使用相同的开发工具，因此，二次开发需要的基本要求是：C#语言；Microsoft Visual Studio .NET 2005(SP1)。

图1 MICAPS系统二次开发结构图Fig.1 Structure diagram of secondary development of MICAPS

系统中已经自带了基本的地图，显示区域也是系统提供，在二次开发时，这些资源能够得到充分的运用，根据需要当使用其它功能时，可以在系统提供的功能基础上进行更加个性化的功能开发；二次开发模块可以增加功能菜单、工具条、个性化的显示区域，模块可以进行开发，使之具有交互功能；当启动系统的主窗口时，所有指定路径下所有子目录的模块会由系统自动加载，因此，可以将已完成开发的个性化模块放在指定位置，方便系统调用。

3 乌江流域梯级电站精细化预报平台设计

3.1 系统功能框架介绍

乌江电站水文气象服务平台功能框架以MICAPS3.1的二次开发产品为支撑，设计原则遵循稳定性、标准性、规范性、可扩展性与可配置性，在设计中采用了自上而下、分层设计的设计思路，系统设计流程见图2。乌江流域地图的投影在系统中可以进行设置，通过系统配置完成系统主界面搭建，并设定乌江流域的一些基础信息；接着以气象水文数据、雷达降水的反演、定量预报降水和洪涝预报技术为基础，接收处理雷达探测反演的数据以及模式输出，进行后处理，使得其符合MICAPS和水文模型支持的数据格式；最后，在系统中制作有关图形产品，输出在C/S层面上进行交互控制与显示。

3.2 平台功能介绍

乌江流域梯级电站精细化预报平台建设完成后，主界面功能图左侧由工具栏、综合图、属性设置和功能设置组成，细致分下来还包括资料检索、系统功能控制、属性显示控制与修改等选项，主显示区

在主界面右侧(图3)。按照乌江流域精细化预报工作的流程及特点，开发的系统提供了如下产品。

图2 系统设计流程Fig.2 Flow of system design

图3 乌江流域梯级电站精细化预报平台主界面功能介绍图Fig.3 Main interface of the Refined Forecast Platform for Cascade Hydropower Stations in Wujiang River Basin

3.2.1 乌江流域信息配置 在该系统中，可以进行流域信息的配置，这些信息主要有乌江流域边界图形，乌江流域数据类型，线条大小以及线条颜色设置。流域信息是基于DEM数据获取，利用GIS提取相应的数据文件(边界数据文件、干流数据文件、支流数据文件、缺省数据文件)到指定所选的路径下，流域基础地理信息数据文件格式为BLN文件，使用时可自动和手动修改配置文件，使系统操作具备了灵活性和方便性。

3.2.2 MICAPS支持的数据格式 有一部分数据可以直接被MICAPS3.1系统调用和显示，诸如地面和高空资料，雷达和卫星反演等数据。该类数据比较简单，直接运用MICAPS3.1开发好的插件，调用相应的显示模块即可。

但是，有一部分数据不能直接被MICAPS3.1系统支持和调用，比如降水资料是MICAPS三、四类数据格式，需要以MICAPS14类格式进行等值线形式的显示；T639模式资料输出格式是GRIB，在绘图时需要具备控制文件；WRF模式输出数据有dat，nc等格式，多数情况下也需要具备CTL文件，对二进制数据格式进行描述；NCEP再分析资料通常为NetCDF格式，很多文件是自描述文件，可以在Grads或者Matlab中直接运用，雷达数据的数据格式为SA/SB、CB格式。当MICAPS有需求时，需要将这些数据进行相关的格式转化。

使用在系统中的乌江流域的降水资料有几方面的来源：实况的监测降水，雷达反演和估算的降水，模式输出的降水，流域的临界面雨量资料。利用主要来源于地面气象观测站、加密自动气象站、水文站等实时监测资料的实况降水，可实现流域实时降水显示，数据格式为Z文件格式或二进制文件格式。短临预报系统SWAN提供雷达估算和反演的降水，结合流域地理边界，可实现流域雷达估算降水显示，数据格式为二进制。流域临界面雨量采用的是水文部门提供的雨量站网的雨量资料，有研究提出了临界雨量的分析计算方法[6-8]，在使用临界面雨量之余，还利用气象站网雨量资料作为补充。

3.2.3 外部功能显示 文件浏览：一些主程序在调用其余功能时需要打开额外的APP，本文开发的服务平台能让用户可以不打开额外的APP即可浏览文件，同时可预览不同类型的文件。当用户有特定需求时，用户还可以移动、复制和删除这些文件夹或文件。

流域分区预报：该功能主要利用ArcGIS软件基于DEM数据将自然流域划分为几个区间进行分区预报，实现了分区流域实况降水信息(1 h、3 h、6 h、12 h、24 h)以及预报降水信息(6 h、12 h、24 h、48 h、72 h)实时显示。

流域水文信息：通过自动雨量站资料、雷达资料的估算和反演、中尺度暴雨预报等技术，可得到较高时空分辨率的降水资料用于水文模式的初始场[9-14]和边界场，从而实现实时水文气象预报。系统具备将处理好的流域水文预报信息列表成数据文件的功能，从而形成图形产品显示。洪水的起报时间、达峰时间、总水量大小、洪峰的流量这些都属于过程预报信息，时段预报信息可以通过选择过程中任意时段来统计分析包括时段内的总来水量、总雨量以及洪峰流量。其中洪水过程中水电站库容增量(来水量)按下式来计算：

式中V库容增量为水库不排水条件下t1至t2时刻库容增量；V来水量来水量为t1至t2时刻水库来水量；Qti为ti时刻的流量；t1为初始时刻；t2为截止时刻。

流域实时水文监测：实时水文监测主要包括实时流量信息和实时水位显示，天数查询的控制也能在监测中得以实现。水利部的水情网提供了实时的水文监测数据，数据目录可以个性化修改。

4 系统预报试验与应用

由于资料所限，自2011年6月22日开始利用该系统对乌江全流域、普定引子渡、洪家渡、东风、索风营、猫跳河、乌江渡、构皮滩、思林、沙陀、乌江下游进行预报试验，每日2次对未来32 h流域水情预报。图4给出乌江梯级电站乌江流域逐小时实况降水、雷达反演和估算降水、模式预报输出降水及乌江流域分区预报降水。

图4 2011年6月22日08时00分(北京时)洪水过程期间乌江流域各产品降水情况 (a)实况监测降水；(b)雷达估算降水；(c)模式预报降水；(d)分区预报降水Fig.4 The situation of precipitation at 08:00 BT June 22, 2011 in Wujiang Basins in the flood (a) Observed precipitation, (b) Estimated precipitation from radar,(c) Output Precipitation from model, (d) areal forecast precipitation

服务平台所用实时水文监测数据从水利部网站获取，水文平台系统自动获取实时水文数据信息(水位和流量)。再依据降水实况数据与模式预报输出降水信息，系统的后台能够启动水文模式的预报程序，从而对流域实施模拟和预报，水文预报输出如图5所示。

图5 (a)2013年3月24日03时—29日08时乌江渡预报雨量和流量、(b)流量信息以及实况水位Fig.5 The forecasted precipitation and flow capacity (a), flow capacity and actual water levels (b) in Wujiangdu basin from 03∶00 March 24 to 08∶00 March 29, 2013

5 总结与展望

该系统在利用MICAPS3.1核心框架和算法的基础上，对MICAPS3.1原有系统也进行了相应的算法改进和功能添加，并增加了系统功能接口，使得系统具有更好的推广性，实现了MICAPS系统与流域水文气象服务的有效融合，该项目为贵州多个地市级气象业务人员提供水文气象预报技术培训，另外，乌江流域精细化水文气象预报服务系统的业务应用提升了贵州省水文气象预报服务能力。同时，该项目为贵州乌江水电开发有限责任公司提供精细化气象服务产品，为该公司水电科学调度、电站安全生产等决策管理提供了重要的参考依据。目前该平台已经在乌江流域、湖北漳河水库、汉江丹江口流域等进行了推广。当然，当前系统只是完成了平台的搭建，相关的开发技术目前也处于初步试验，进一步的问题还有待未来的工作来解决。下一步的工作目标主要有：①服务平台的进一步应用和完善。②加强卫星、雷达产品在流域精细化预报中的应用。③提高降水预报与水文模型耦合在流域洪水预报中的应用。