基于开源GIS的分布式全要素水文预报系统研究

张卫东 唐淼 唐善东 王瑞涛 张顺

摘要：当前水文管理工作的要求越来越高，尤其对旱情、汛情的预报工作具有高质量要求，水文预报工作也需要引入全新的技术。本文首先简要阐述了水文预报系统发展现状，接着重点讨论了开源GIS基础上分布式全要素水文预报系统技术要点，旨在加强我国的抗旱防汛能力，保证水文工作正常进行。

关键词：开源GIS;全要素;分布式水文预报系统

引言

当前我国水利工程建设水平越来越高，对于水文相关的自然灾害起到了一定防控作用;但洪灾和旱灾仍然是目前我国所面临的主要自然灾害，对此需要加强水文预报系统的建设。在水文预报系统中引入开源GIS技术可以有效提高水文预报的准确性，为我国的自然灾害防控工作进一步提供助力。

1.水文预报系统发展现状

1.1水文自动测报系统阶段

在水文自动测报系统建设阶段，该系统主要使用遥测技术对各项水文信息进行预报，例如使用各项遥测设备对降水量、降水水位进行测试，根据具体数据分析洪灾发生的可能性，以做到提前进行洪水预报。上世纪八十年代，我国在DOS系统上开发出的小型洪水预报自动化系统就是这一阶段的代表性技术产物。这一阶段水文预报系统还处于起步阶段，但对我国防汛防旱工作也起到了基础性的帮助作用。

1.2联机作业预报系统阶段

在联机作业预报系统发展阶段，水文预报系统不仅重视数据的测量与分析，也更加注重信息的采集与传输，旨在在不同作业设备中建立起高效率的信息传输系统，保证各项机器之间的联系[1]。水文预报系统中联机的实现极大程度地加强了各个工作环节的联系性与预报工作的整体性，极大程度强化了水文预报工作的效率，同时也一定程度上减少了预报工作在信息传输方面的人力物力消耗。

1.3实时校正预报系统阶段

在实时校正预报系统发展阶段，水文预报系统充分利用了现代控制理论，更加重视对于预报结果的校正工作，相比前两个发展阶段准确性得到了更强的保证。上世纪末我国研发的“水情信息及洪水预测预报业务系统”可以很好地展示出水文预报系统在这一阶段的发展特征。在这一发展阶段，水文预报系统实现了自我纠正，提高了预测数据的科学性。

1.4交互式预报系统阶段

在交互式预报系统发展阶段，水文预报系统允许人工干预，进一步拓宽了自己的工作信息来源，且预报系统与人们的实际需求也更加贴近，方便人们对预报结果进行充分理解。在这一阶段，交互式预报系统充分使用了图形交互处理技术，可以实现水文状况的连续多次预报;且多种先进的系统和技术也得到了引入，例如Web系统、GIS技术。

2.开源GIS基础上分布式全要素水文预报系统技术要点

2.1多元信息融合同化技术

多元信息融合同化技术并非单指一种技术手段，而是指雷达、卫星、地面站测量等多种技术的整合，本身具有一定包容性和多元性。该项技术由于功能多样化，因此可以满足降水、土壤水、地表水、地下水等多种水资源的测量需求，为GIS基础上的分布式全要素水文预报系统提供全面的数据来源。例如，通过使用卫星遥感技术，就可以得出一定区域内地表水的分布情况，帮助开源GIS技术根据水源分布数据计算洪涝灾害发生的可能性，为水文预报工作提供准确的信息支持。除去包容性较强以外，多元信息融合同化技术也具有较高的测量精度，可以准确地汇报出单位地区单位时间内的降水量，保证水文预报工作的准确性。多元信息融合统合技术在开源GIS下分布式全要素水文预报系统中可以得到多方面应用，对于水文预测工作具有重要意义。

2.2分布式水文预报技术

我国的地质条件较为复杂，不同区域的地质特征差异较大，河流的河床形态、周边地貌、周边土壤类型等都具有差别，不能使用同一套水文预报技术与标准，因此就需要运用分布式水文预报技术。分布式水文预报技术首先可以依托GIS技术对不同地区的水文资料进行收集和整理，不仅可以明确不同地区的地理信息，还可以查明社会经济情况、居民分布等人文信息，为水文预报工作拓宽信息来源。其次分布式水文预报技术可以按照流域划分不同区域的水文状况，并对其进行分別测量，将水文预报工作细分，保证不同地区的水文预报技术能够切实适应该地区的实际情况。最后，分布式水文技术还可以清晰地测算出各个流域河流的汇流时间，进而明确洪灾与旱灾可能发生的时间段，提高水文预报工作的准确性。

2.3高性能计算、大数据技术

引入GIS技术之后，分布式全要素水文预报系统拥有了更强的计算能力，可以更好地完成一系列高技术运算工作，并充分运用大数据技术，提高水文预报工作的准确性。一方面，可以采用大数据技术对水文预报区域的历史洪灾发生时间、旱灾发生时间、最大降水量、河流最大流量等数据进行调查，并使用GIS系统对各项数据进行分析，为今后的水预报工作提供科学依据[2]。另一方面，可以使用高性能计算技术模拟当地的未来水文状况，例如可以采用根据所得数据建立数学模型的方法，预测未来的降水量、河流流量增减情况等，使水文预报工作更具前瞻性。分布式全要素水文预报系统中GIS技术的应用为系统的计算能力提升带来了更高的可能性，能够强化水文预报工作的专业性和科学性，提高水文预报工作的质量。

2.4风险分析技术

水文状况具有不稳定性，会受到降水、大风、人工因素等多种条件的影响，因此水文预报工作也不可能达到完全准确的程度，必然会存在一些误差和风险，因此需要强化水文预报工作中的风险分析技术，明确各种突发情况的发生概率。首先要充分使用多模式集合预报和概率预报的风险分析技术，在进行水文预报工作时同时采取多种技术和工作方法，并对于不同方法得出的预报结果分别进行概率分析，最大程度地减少水文预报工作的不确定性。其次要坚持风险对冲原理，例如在对水库的水位进行预测时，如发现干扰因素过多，无论如何都会产生测量误差，就要尽可能采取措施减小测量误差，将预测工作中的风险最小化，尽量保证水文预测工作的稳定性，提高水文预测工作的质量。开源GIS技术可以为风险分析工作提供一定数据和技术上的支持，有利于水文预测工作的进行。

2.5水文系统模型开发技术

水文系统模型可以实现对水文状况的分布式、全面性探析，同时与开源GIS技术也具有较好的适应性。可以在系统中开发具有物理机制的分布式水动力学模型，实现水文预测工作中各个影响因素的划分。该模型以水文水利计算为中心，将水文计算工作的主要数据信息需求分为气象状况、流域数据两个方面，通过对气象因素进行调查、对数据库中的流域数据进行调取，得出水文水利计算结果;接着将计算结果输出为各类水文表现，如蒸发量、径流深度、空气相对湿度等;最后通过水文表现对该地区未来的水文状况进行预测，实现了水文预测工作的有序化进行，有利于提高水文预测工作的逻辑性。水文系统模型对于GIS技术使用下的分布式全要素水文预测技术实施具有重要的后备保障意义，可以提高预测结果的合理性。

结语

综上所述，我国水文预报系统已经经历了四个发展阶段，其技术水平经过了一系列提高;在此基础上引入GIS技术可以进一步强化水文预报工作质量，加强水文信息的准确性，为我国的洪灾旱灾防控治理提供数据信息支持，进而保障我国人民的生产生活工作，最终促进我国经济不断发展。

参考文献

[1]侯爱中，胡宏昌，胡智丹等.基于开源GIS的分布式全要素水文预报系统[J].中国水利，2020，06：43-46.

[2]邵建伟，梁忠民，王军等.基于SpringBoot框架的中长期水文预报系统设计与开发[J].水电能源科学，2020，04：6-9+5.