淮河洪水预报调度系统建设及在抗流域大洪水的应用

王 凯，钱名开，徐时进，胡友兵，陈邦慧

（淮河水利委员会水文局（信息中心），安徽 蚌埠 233001）

0 引言

淮河流域水系复杂，中游河道比降小，行蓄洪区多且运用频繁，中小型水库/闸坝众多，干支流交互顶托明显，历来是我国洪水预报和工程调度高度复杂的典型地区之一[1]。防洪调度是水工程综合调度的重点和难点，洪水预报调度系统是当前防洪作业预报调度实施有效的技术支撑手段[2]。长期以来，洪水预报调度系统多基于 C/S 模式构建[3–4]，随着需求的不断拓展，此类系统在安全性、通用性、跨平台等方面存在明显不足。随着计算机技术的发展，基于 B/S 构架的洪水预报调度系统在安全性等方面有着明显的优势[5–7]。

本研究采用 B/S 架构，引入具有面向对象设计思想和 MVC（模型-视图-控制器）设计模式的Spring Boot 框架体系[8–9]，建设淮河洪水预报调度系统（以下简称系统），实现具有防洪形势分析、多模式洪水预报和调度等功能的跨平台架构业务应用。2020 年淮河发生了流域性较大洪水，沂沭泗水系发生了 1960 年以来最大洪水。依托系统成果，在流域防洪工程预报调度作业实践中进行了实例研究，以期为流域洪水预报和水工程调度管理提供科学依据。

1 系统总体架构

1.1 设计理念

洪水预报调度系统是一个面向多角色、多用户的智能服务平台，既要关注总体架构，又要关注其各子功能服务对象和需求特点，以期获得可灵活扩展的框架结构[10–12]。因此，系统设计理念如下：

1）安全性。为保障预报调度决策信息和系统运行的安全，系统遵循水利信息化系统建设三级等保要求，纳入淮河水利委员会（以下简称淮委）综合应用中心进行统一安全管理。

2）稳定性。首先，采用成熟可靠的技术，加强系统运行各环节的故障分析、容错及恢复能力，保障系统不间断稳定运行。其次，系统开发主要采用的 Java，Python 及 Fortran 语言均可跨平台运行，受操作系统更新迭代影响小。

3）易用性。系统界面风格设计去繁就简，功能设置合理，操作便捷易用，能够较好地满足不同层次、专业用户的不同需求。

4）敏捷性。通过缓存数据库、多线程并发编程等关键技术，实现海量雨情、水情、工情数据的快速查询和计算，极大缩短了用户提交事务的响应时间。

5）实用性。系统充分考虑淮河流域洪水发生特点及水利工程运用特色，实现预报调度多模型、多方法集成计算，通过人工交互接口充分考虑专家经验，完全满足淮河洪水防御工作的实践需要。

6）扩展性。系统采用模块化设计，结合模型对象构建、水文模型元单元分解与集成等技术，在演算范围、模型方法、功能需求等方面可自由组合扩展，集成的异种语言模型库进一步增强了开放性和可扩展性。

1.2 层次结构

系统采用 B/S 架构，分为应用层、业务层和数据层等 3 个层次，整体架构如图1 所示。

3 个层次具体分析如下：

1）数据层。数据层为整个预报调度业务平台的应用提供基础数据生态环境，具有数据读取、检查、融合处理与修正等功能。平台的数据资源主要包括历史基础水文、实时雨水情监测、预报方案库、调度规则库等数据，这些数据来自关系型水文数据库表、水文预报方案集、水利工程调度运用方案等文件。

本研究根据防洪预报调度业务平台需求，专门建设了综合数据仓库。为实现业务逻辑和数据访问逻辑分离，系统设计更清晰，更易维护，更易进行单元测试。引入持久层数据框架 MyBatis，完成数据仓库的统一链接、查询、写入等管理工作。同时为保障系统响应高效吞吐，采用高性能的 NoSQL 型Redis 数据库作为专用缓存数据库。

2）业务层。业务层也称业务逻辑层，是系统架构中核心价值的体现，通过对具有高复用性的类模块和模型库的集成，实现对数据的业务逻辑处理，并封装成统一的服务接口对用户提交的事务进行响应，在数据层和应用层的数据交换中起到承上启下的作用。

本研究基于低耦合、高内聚设计思想，依托Spring Boot 技术架构，设计标准对外接口和服务组件，保障平台高效、稳定运行。在业务层核心模块中，为突破流域河系洪水预报调度业务中水文断面众多、水工程交互影响复杂度高带来的时效瓶颈，采用流水线、生产者-消费者等多种设计模式，研发了流域多节点洪水预报调度并发计算技术，从算法底层为 B/S 架构下预报调度核心模块高效响应提供技术保障。

3）应用层。应用层直接面向用户，也是系统与用户交互的界面层，用于显示数据和接收用户输入的数据，提供防洪形势自动分析、多模式洪水预报和调度等三大类应用功能模块。应用层底图由 SVG矢量图形技术实现，可以提供丰富的图文交互信息展示功能。

图1 淮河洪水预报调度系统整体架构

2 系统功能模块组成及特色

2.1 系统功能模块

系统以电子地图、实时雨水情数据库、专用数据库、洪水预报和调度模型为基本支撑，实现模型与系统的紧密集成和协同耦合，通过智能的交互方式，实现防洪形势自动分析、多模式河系洪水预报、多模式洪水联合调度等业务功能，整体实现预报调度一体化功能，可有效支持流域水工程调度决策新需求。

根据防洪预报调度业务需求，系统设计有 5 个功能模块，结构如图2 所示。

图2 系统功能模块结构图

5 个功能模块具体分析如下：

1）防洪形势分析模块。基于气象、水雨情、洪水预报、工情和险情等实时防汛和降水预报信息，综合运用纳雨能力、相似洪水、径流系数法等速算方法，快速自动进行洪水预报，得到不同预见期的洪水预报成果，实现当前和未来防洪形势的分析，研判洪水调度重点对象，形成洪水调度预案。

2）多模式河系预报模块。该模块主要利用降雨径流相关、新安江、水箱、TopModel、水动力学等多种模型进行流域河系洪水预报计算。根据淮河水文预报方案实际应用情况，选取应用较为成熟、预报精度较高的降雨径流相关和新安江 2 种模型进行全流域通盘洪水预报计算。主要功能模块有模型选择、气象预报降水提取、自动预报（一键式自动计算）和交互预报（预报成果人机交互校正修订）等模块。为提升用户体验和系统响应效率，构建了专用预报方案信息库，对传统纸质预报方案进行规则化存储，实现了河系洪水一键式计算。采用 Java 并发工具包，设计实现一套流水线模式的高效并发算法，有效提升了河系预报计算效率。

3）多模式联合调度模块。依据防洪调度规则和专家经验，以有效运用防洪工程，减少洪灾损失为目标，对会商中提出的多个调度方案进行分析论证，即通过反复调整河道、水库、行蓄洪区、湖泊、闸坝等工程的运用参数，对各种非确定性因素进行分析判断，合理确定工程启用时机，提出最优调度方案。一套完整的调度方案除具体运行方案（水库、闸坝、行蓄洪区等工程启用过程）外，还包括工程运用前后的水情比较、灾情估算分析数据。

调度方案的制定有以下 2 种模式：a.人机交互。根据会商决策的意见以交互方式修改，设置有关参数，如启用行蓄洪区的时间，行蓄洪区分洪流量等。人机交互模式是制定，分析修改、仿真计算、会商评价，再制定，直至决策者满意的多次反复过程。b.智能模式。首先在防洪形势分析的基础上，针对洪水调度预案，经过分析、研判，理出各防洪决策的具体内容、目标、约束条件等；然后依据决策目标和可使用的防洪手段智能生成 1 个或多个可实现决策目标的可行方案集，并对每个可行方案的风险及影响进行评价。

4）成果分析决策模块。该模块根据河系洪水预报和工程群调度成果，完成水工程调度运用方式的分析决策。主要实现以下功能：各种调度方案信息的展示，包括重点控制断面水情、工程启用等情况；不同调度方案间调度成果的平行对比，如重点控制断面水位差、工程运用差别等情况，水库、湖泊超汛限数量对比等；不同调度方案防洪效益估算、方案推荐等功能。

5）系统管理模块。该模块是防洪预报调度系统运行的基础，包括用户类别、权限和运行日志等的管理模块。

2.2 系统特色

预报调度一体化和智能化是系统的两大特色功能。预报调度一体化具体特色包括：对洪水预报和调度业务流程进行深度优化和有机融合，在一个系统里提供深度耦合的预报调度服务；构建预报调度对象有序关联的拓扑关系概化图，在一张图上建立无缝关联的预报调度体系；提高预报调度模型互动反馈的自动化水平，在一个系统里进行预报调度的自动协同耦合和有序连续计算。

预报调度智能化具体特色包括：依据实时雨水工情和预报信息自动判断流域防洪形势，并自动生成防洪形势分析报告；根据结构化的调度规则和目标，结合模拟优化算法，自动生成联合调度方案集；按照调度指标排序，自动优选并智能推送防洪调度推荐方案。

3 系统应用

系统以大型水库、行蓄洪区、分洪河道、重要水文站、防汛节点等为控制断面，构建了淮河和沂沭泗河 2 个水系的预报调度体系，包括 5 000 多个报汛站点、212 个预报节点、435 套预报方案、67 个调度目标节点、47 套调度方案，在 1 个系统内实现防洪形势自动分析、多模式洪水预报和调度等多个复杂耦联功能。系统在 2020 年淮河流域性较大洪水防洪调度中的应用表明：系统可以在 60 s 内生成淮河全流域洪水预报计算结果，30 s 内生成包括水库、闸坝、行蓄洪区等在内的所有水利工程调度计算结果；对各预报调度方案计算成果的查询展示基本可以做到即时响应，即响应时间小于 1 s。

2020 年 7 月，受持续降雨影响，淮河发生了流域性较大洪水（编号为 2020 年淮河 1 号洪水），其中正阳关以上发生区域性大洪水。淮河洪水预报调度系统自动接收、分析、处理流域内 5 000 多个站点的雨水情信息 5 674 万余条，接收处理气象卫星云图4.4 万张、雷达图40.4 万张，在防汛关键期，每 6 min 测报 1 次王家坝站水位，每隔 1 h 滚动预报1 次，共发布王家坝站实时洪水预报 16 次。

图3 为系统在 2020 年淮河流域性较大洪水过程中的预报调度一体化计算分析成果，包括关键节点的预报和建议启用工程的调度等成果，图中：椭圆形图例代表水库群，其中蓝色标注的为计算完成后超汛限状态水库群；三角形图例代表河道重要水文控制断面，其中蓝色标注的为超警戒水位断面，红色标注的为超保证水位断面；长方形、半圆形图例分别代表蓄洪区和行洪区，其中黄色标注的为计算完成后建议启用的工程，通过填充度样式可直观显示计算分洪水量占设计水量的比例（如南润段、邱家湖全部为土黄色，表示全部蓄满；蒙洼只有一部分为土黄色，表示部分蓄洪）。由图3 可知：不开闸分洪的王家坝洪峰水位高达 29.9 m，超过保证水位0.6 m，为历史第二高水位，同时受淮南山区集中来水影响，下游王家坝至正阳关河段将全线超保证水位，10 座大型水库群将超汛限水位，淮河干流正阳关以上需要启用蒙洼、南润段、邱家湖、姜唐湖和上下六方堤等 6 个行蓄洪区，并提供每个行蓄洪区的最大分洪流量和分洪总量计算结果。预报调度和实际调度完全一致，为科学应对此次迅猛洪水过程提供了重要关键性支撑。

图3 淮河洪水预报调度系统预报调度一体化分析界面（2020 年淮河流域性较大洪水）

2020 年 8 月，淮河流域沂沭泗水系发生了1960 年以来最大洪水，期间应用系统不断滚动，开展了沂沭河区洪水预报调度一体化计算，预报沂河临沂站洪峰流量为 11 000 m3/s 左右，沭河重沟站洪峰流量为 6 000 m3/s 左右，临沂站实测洪峰流量为 10 900 m3/s，重沟站实测洪峰流量为 5 940 m3/s，预报与实测值误差在 1% 以内。通过洪水预报调度一体化计算，对沂河刘家道口闸、分沂入沭彭道口闸、沭河新沭河闸及人民胜利堰闸、骆马湖嶂山闸等骨干枢纽工程调度滚动进行模拟分析，预报调度分析成果如图4 所示，图中带对角线的长方形图例代表分洪枢纽工程，其中黄色标注区域代表系统建议启用的枢纽工程。根据系统模拟分析计算，淮委及时启用骆马湖嶂山闸、沂河刘家道口、沭河大官庄等重点枢纽工程，避免了邳苍分洪道分洪，实现了人员伤亡、工程重大险情“双零”目标，经济、社会、生态效益显著。

图4 淮河洪水预报调度系统预报调度一体化分析界面（2020 年沂沭泗大洪水）

4 结语

淮河洪水预报调度系统集洪水预报与工程调度为一体，采用跨平台的 B/S 开发架构，实现防洪形势自动分析、河系洪水预报、多模式洪水调度、方案成果分析决策等多种功能，在系统安全性、稳定性、敏捷性、通用性、跨平台和国产化等方面具备显著优势。

系统建成后，在 2020 年淮河流域性较大洪水和沂沭河大洪水中接受了实际考验。应用结果表明：系统为 2020 年淮河流域性洪水防御工作提供了有力的分析计算和决策支持工具，通过科学预报调度，洪水过程中人员无一伤亡，水库无一跨坝，主要堤防未出现重大险情，有效减轻了洪涝灾害损失。但在实际应用中也暴露出一些问题，如系统的智能化水平、预报调度过程的可视化和成果的多样化等仍需提档升级。今后须针对淮河洪水预报调度系统中的短板，继续加强系统建设，不断完善系统功能。