圩区防洪调度预警预报系统——以江阴市马甲圩为例

邹明忠 ，缪岳军 ，张 丽 ，刘永刚

（1. 江阴市河道管理处，江苏 江阴 214400；2. 江阴市月城水利农机管理服务站，江苏 江阴 214404；3. 宜水环境科技（上海）有限公司，上海 200040；4. 江阴市长泾水利农机管理服务站，江苏 江阴 214411）

0 引言

防洪调度是一个非常复杂的过程，不但要实时地收集各种防汛信息，还要在暴雨、洪水预测预报的基础上制订可行的防洪调度方案，使决策者在历史经验的基础上能有效地减少风险，筛选满意方案组织实施，在保证工程安全的前提下，充分发挥防洪工程效益，尽可能减少洪灾损失，并将对环境的不利影响降到最小。

随着计算机网络技术的发展，WebGIS 数据仓库、数据挖掘、面向服务的技术构架、应用平台等一些先进的计算机网络技术，被越来越多的科技人员应用于各流域、省市、水库的防洪决策支持系统[1]。除七大流域机构及各省级层面的洪水预报调度、预警预报、防汛抗旱指挥、防洪决策支持等系统，科技工作者还开发应用了区域性的如洪泽湖地区洪水预报预警系统[2]、赤水河中下游防洪预警信息系统[3]、无锡新区防洪调度系统[4]、青岛大沽河流域防洪决策支持系统[5]、大伙房水库决策支持系统[6]等。同时国外也研制出了适用于特定流域和地区的防洪应用系统，除此之外，国际知名水利软件研发机构开发了许多功能强大、典型的水资源与防洪调度平台，如英国 Wallingford 软件公司开发的FloodWorks 是结合现代先进的数学模拟技术的成熟的分布式防洪及水资源管理模型系统；DHI 研制的实时洪水预报决策支持系统 MIKE Flood Watch，结合了 MIKE11 水动力模型的先进时间序列数据库、实时预报系统、MIKE11 FF，并能够在 ArcGIS 环境下运行；荷兰 Deltares 研发的 Delft-FEWS 系统是为有特殊要求的个体用户量身定做的成熟模块集合，它采用开源的分布式架构，能够实现大数据集的有效整合，具有数据质量检验与处理功能，拥有专用的模块化处理数据功能，可以轻松整合新的或现有建模功能的通用接口，用户可以根据自身需求定制专门的可视化展示界面和报告。

除了大中小流域、山区、水库为防洪重点外，圩区地势低洼，防洪排涝问题也逐渐受到重视。江阴市共有大小圩区 96 个，其中万亩圩区 8 个、千亩圩区 53 个，随着排涝泵站工程体系的日渐完善，一套科学合理的防洪调度预警系统变得尤为重要。因此，借鉴 Delft- FEWS 在荷兰、英国、美国、瑞士等国家洪涝预警预报的技术和成功经验的基础上，结合江阴市未来延续建设其他圩区防洪调度系统的需要，采用 Delft- FEWS 搭建马甲圩防洪调度预警预报系统。

1 区域概况

马甲圩位于江阴市月城镇，总面积为 8.19 km2，耕地面积为 3.60 km2，圩堤总长为 6.5 km。圩内地面高程为 3.3～4.1 m，地势比较低，容易形成内涝。圩区内部水系众多，水面率达 35%。圩区东面与团结圩、蔡庄圩相接，南面与桐岐联合圩相邻，北邻环山河，西邻漕港河（新沟河支河）。圩区北部水系基本汇入马圩河，通过马圩一站，将涝水排入环山河；南部水系连接姚泾河通过马圩二站将涝水排入漕港河；中部水系连通元泾河通过沿塘排涝站排入漕港河。马圩一站、二站和沿塘排涝站 3 个排涝站，排涝总流量为 20.4 m3/s，其中马圩一站有4 台泵机，流量为 9.0 m3/s，马圩二站、沿塘排涝站，各含 2 台泵机，流量分别为 6.4 和 5.0 m3/s。

2 Delft-FEWS 介绍

在早期阶段，Delft-FEWS 系统一般是在水文学和水力学模型中的单一的特定用户界面。近年来，随着天气预报、雷达数据和在线气象及水文数据的采集等方面的发展，对 Delft-FEWS 在数据输入和处理方面有着越来越高的要求。随着数据库开发的进程，水文、水力模型和在线数据的利用，现代化的 Delft-FEWS 系统开发在大型综合数据集、数据处理模块、与不同既存模型的结合嵌入等方面越发成熟[7]。

Delft-FEWS 是一款复杂的可配置模块，是用于构建针对个别组织特定需求而定制的预报系统，开放式的模型方法允许用户高效地添加模块，Delft-FEWS 系统是在 Java 环境里开发，由于其灵活的模块化结构，非常适合支持多学科的日常管理，包括水环境、水库调度、水利电力、城市供排水、航运、地下水、干旱及堤防强度监测等。系统开发是通过整合历史监测和外部预报数据，模型模拟流程，在后台运行任务并在一个丰富的图形用户界面中查看结果，为分布式和云计算及多用户访问建立客户端-服务器系统。

Delft-FEWS 系统特色包括：

1）外部数据导入与质量控制。系统允许从多种外部资源（如网页服务、外部数据库等）导入数据，支持 CSV，XML，GRIB，HDF5，NetCDF等 150 多种专用数据格式的水文遥测、气象预报、雷达、水质监测、工程控制等数据。系统支持使用广泛的数据验证和转换库对导入的数据进行质量检查和预处理。数据验证包括对极值、变化率、空间均匀性和趋势的检查等。用户还可以自定义数学方程或编写小型数据转换脚本实现数据转换。

2）内嵌多种数学模型。系统平台基于 XML 或NetCDF 的接口通过通用适配器与外部模型进行通信，可允许插入任何预报模型，包括 HEC-RAS，MIKE11，RTC Tools，SOBEK，DELFT-3D 等，Delft-FEWS 为内嵌的预报模型提供修正的输入数据，并执行模型模拟预报。

3）融入数据同化技术。系统平台有 2 个作用：a. 融入通用数据同化方法，如基于 ARMA（自回归移动平均）的错误校正模块和 openDA 数据同化工具箱，包括用于状态更新和参数校验的各种算法，例如集合卡尔曼和粒子滤波；b. 融入手动数据同化及用户与模型参数、状态和时间序列的交互，实现评估和改进预报质量的工具。

4）可视化显示界面。在各种定制的窗口上享受全面的导航和可视化。数据通过条形图、曲线、表格、示意图、网格、动态地图及一些代表预警级别的标识符等多种形式实现结果数据态势的呈现。

5）预报结果网页发布。系统平台可将预报结果以特定格式导出至外部存储器，传输至网页服务，供特定用户进行预报的查询、评估与决策支持。

3 防洪排涝调度系统

3.1 系统总体设计

月城镇马甲圩防洪排涝调度系统的设计开发基于 Delft-FEWS 平台，从顶层设计出发，以马甲圩为对象，集成圩区仿真模型和水文气象监测信息，实现圩区不同调度模式下河网水位预报预警功能。系统的总体框架如图 1 所示。总体设计主要包括以下几个部分：

1）中央数据库。主要包括外部基础地理、水文气象和泵站监测等信息，以及水力模型、模型方案、预报、预警等数据的中央存储和数据交换。

2）分布式内嵌模型。主要包括水文水力学模型（水文、河网模型）的分布式配置。

3）洪涝动态预报预警系统。预报预警系统的控制中心，包括与中央数据库的交互、数据转换、内嵌模型，根据用户指令驱动内嵌模型模拟计算预报并调回计算结果进行预警、工作业务流控制、预报成果导出和预报方案管理。

4）管理操作与展示系统。是面向外部的展示体，包括界面操作、监测数据展示、河网与构筑物展示、动态表达，以及查询、统计、分析等功能。

图1 系统框架图

3.2 数据库设计

Delft-FEWS 中央数据库包括以下几个数据子库：

1）地图数据库。主要用于在系统中集成航拍影像图、道路背景和城市地理信息地图。支持用户自定义选择显示各类地图。

2）监测数据库。主要用于与实时数据连接，按需读取水文、气象、泵站的数据，包括水位、降雨、泵站开启状态与流量等数据。

3）模型数据库。包括河道的拓扑网络、断面和泵站、水文产汇流模型、泵站运行规则等数据。

4）预报数据库。包括河网水位、流量、流向预报。

5）预警数据库。包括降雨、水位等超警戒预警数据。

6）报告数据库。包括监测数据的统计、模拟调度方案和预警信息管理等。

各子库与中央数据库的关系，以及子库与子库之间的联系设计如图 2 所示。

3.3 圩区模型内嵌开发

图2 子库与主数据库间的关系设计

圩区模型内嵌开发具体内容如下：

1）离线模型构建。采用 SOBEK 水利模型软件，构建马甲圩河网精细化模型。通过河网连通拓扑建立、泵站设施概化及调度规则输入、河道断面录入、汇水区划分、边界条件设置、调蓄水面概化开展水文水动力计算测试与稳定性调试，并根据实测降雨与水文数据调整模型网络拓扑及参数配置，对模型精度进行校验。

2）圩区模型平台内嵌开发。开发内嵌的圩区河网模型与平台内嵌的监测时序数据的数据接口，以及模型模拟数据与平台数据的交互和更新接口。

3）河道水位预报开发。利用圩区河网模型的分析成果，在河网的各控制点、内涝风险区域控制点设置水位预报点，关联监测和模拟数据，用于预报点预警预报。

4）河网模型历史模拟开发。系统实现圩区河网模型历史模拟开发，可选择任意历史时段，系统自动调用历史时段的降雨、水位和流量数据更新内嵌河网模型的状态和参数，进行模拟计算。

5）模型调度预案模拟开发。系统进行多种方案调度模拟功能，以及外部设计降雨量和排涝泵站等参数修改器开发，进行多情景模拟分析，帮助调度人员总结和优化调度方案，降低调度人员对复杂模型软件操作技能的要求。

6）模拟预报开发。数据驱动模型进行模拟预报预警开发，数据对接实时监测系统，获取水位、流量等实时数据，自动转换格式更新内嵌河网模型的最新系统状态，完成系统模拟准备。平台获取预报降雨信息启动内嵌河网模型进行模拟，预报未来时段（如未来 1～24 h）的圩区河网水位、泵站流量，进行超警戒水位预报预警。

3.4 模拟预报流程

Delft-FEWS 系统进行配置开发后，可以启动在线模型对圩区泵站全开（排涝流量为 20.4 m3/s）、半开（排涝流量为 10.2 m3/s）、不开（排涝流量为0 m3/s）3 种调度模式进行洪水预报。系统进行模拟预报预警的操作流程为启动系统平台，连接中央数据库导入降雨、水位的监测和降雨的预报数据，更新内嵌模型的边界状态（包括降雨和水位边界），启动内嵌河网模型进行仿真模拟，计算结束后返回模型成果至系统平台，平台进行河道水位预报点预报和展示，并根据河网水位情形进行预警。具体工作流程如下：

1）监测数据导入。利用系统菜单区的人工预报，选择全数据导入和处理，将指定时间段的降雨、水位、泵站运行等数据全部录入，并进行质量检查，对缺测及异常数据按照设定程序进行修复。数据导入及处理成功后，可以一起使用数据浏览器和编辑器查看导入的数据。

2）预报边界条件配置。边界条件主要指预报降雨条件，预报降雨可以直接导入气象预报数据，也可以通过水利、气象系统或其他可靠途径获取降雨预报信息进行人工自定义设置。在系统的“情景分析”模块，可输入预报时段的小时预报降雨信息。

3）内嵌模型计算操作。在预报模块界面通过点击“马甲圩水情预报模型”可以进行马甲圩水情预报模型的预报计算，计算前需要对模型运行的冷热状态、降雨情景及模拟时长进行设置，以确保模型初始状态更加符合现状及预报状态具备可信度。

3.5 调度模型预报预警分析与查看

3.5.1 预报成果动态展示

河网模型预报完成后，在系统的空间显示界面，选择数据显示模式为数值或阈值，平台按时间序列动态播放预报点预报水位的变化，展示随时间变化的水位值或预警状态的变化。同时，也可以按时间序列动态播放不同调度模式下的泵站开闭状态。此外，可以同时选择多种调度模式，对比预报时段任意时刻不同空间位置河道水位预报情势，判断排涝效能。

3.5.2 预报成果空间展示

预报成果的空间展示功能，让用户可以直观地查看圩区重点河塘水位预报点分布，并结合模拟时段最高水位判断预报预警状态，通过显示的不同预警颜色，重点展现未来预报时段内不同空间位置处的河道预警级别，呈现河道所面临的的风险。

3.5.3 模拟预报结果查看分析

在空间显示与地图展示界面，双击排涝泵站与任意预报点，可在数据显示/编辑界面查看模拟预报结果，包括排涝泵站历史模拟流量、预报流量、历史模拟水位、预报水位过程等，可以选择显示数据的数值、阈值、统计信息、序列信息和数据质量。

3.5.4 模拟预报结果评估展示

SCADA 预报水情分析界面实现了调度成果的对比评估展示。模块为用户展示 3 种调度模式下水位及泵站抽排流量的动态变化过程，并提供 3 种方案的水情对比分析。通过方案比较功能，调度人员结合本地历史经验可以做出恰当的防汛调度措施。

预报模拟结束后，点击进入马甲圩洪涝预警预报系统，显示马甲圩调度水情预报成果，具体为1）显示泵站全开、半开、不开 3 种模式下，圩区河道水位的动态变化的数值显示。2）显示马圩一站、二站和沿塘排涝站 3 个泵站分别在全开，半开，不开 3 种模式下泵站流量的的动态变化的数值显示；3）显示 3 种预报方案的说明、预报过程出现的最高水位及发生的时间。同时，点击图中或表中任意一个数值都可以支持水位或泵站的曲线查看，点击方案比较可以支持 3 种方案的圩区水位的对比查看、泵站排涝流量的对比查看。

3.6 应用实例

为验证防洪调度系统预警预报的精度，选取历史降雨进行模拟计算。将系统时间设置为 2019-07-12T15:00，预报降雨采用距离圩区最近的江阴市月城降雨站实测降雨资料，利用在线模型平台对未来24 h 圩区河道水位进行预报。圩区马圩一站与二站可对站址上游水位和泵站流量状态进行监测，2 处监测站的监测数据与在线模型模拟数据对比结果如图 3 所示。可以看出，马圩一站与二站预报期间的监测水位过程基本处于泵站不开与全开 2 种模拟情形下的水位过程中间，这充分证明了在线模型的合理性。但从图中也可看出，汛期防汛人员实际对泵站调度存在人为性、无序性，同时，水位监测位置靠近泵站取水口，水位受泵站抽排活动影响，在对在线模型的验证过程中很难使模拟与监测结果完全匹配。

4 结语

借助 Delft-FEWS 搭建圩区防洪调度预警预报系统是一项可靠的、复杂的、技术创新的工作，其核心是仿真模拟与信息集成技术在防汛预报和运行调度管理中的综合应用。通过搭建本系统，集成圩区河网模型和水文气象监测信息，实现马甲圩不同调度方案下圩内河网水情的仿真模拟与预报预警功能，并通过 3 种方案结果的对比分析评估成果，为马甲圩防洪调度提供决策依据。圩区防洪调度系统的建设，促进了现有信息系统的提升和完善及智能调度和体系化建设，为探索实现多个万亩圩区的洪涝调度预警预报奠定坚实基础与技术储备，也推动了水利全行业信息整合、部门合作，发挥了江阴市在城市洪涝科技创新的引领作用。

图3 马圩一站、二站实测与模拟结果对比