流域河系洪水预报调度一体化研究与应用

黄启有，胡 可，于思洋，江冬青，姚超宇

(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014；2.湖南省水旱灾害防御事务中心，湖南 长沙 410007；3.湖南省水文水资源勘测中心，湖南 长沙 410008)

0 引 言

我国幅员辽阔，960多万km2的土地上主要分布有长江、黄河、珠江、海河、淮河、松花江、辽河七大流域[1]，七大流域中10 000 km2及以上的河流131条，1 000 km2及以上的河流1 288条[2]。这些河流的大部为树状水系，只有部分河流的下游或尾闾地区为河网水系。对于流域管理机构，往往需要对流域河系内的多条河流的众多断面进行洪水预报；同时，由于流域内建有多个具有调节性能的水库，水库调洪对断面的洪水预报有着直接的影响，导致河系洪水的预报较为复杂，牵一发而动全身。对于大流域河系洪水的预报和调度，涉及预报调度一体化、模型云及防洪联合调度等关键技术。长委水文局陈瑜彬等[3]基于现有的洪水预报和水库调度两大业务系统平行式独立建设带来的河流防洪调度业务阻隔，设计开发了一套流域防洪预报调度一体化体系，实现了洪水预报与防洪调度两大业务相关海量数据的快速处理、分享与分析；刘金平等[4]结合区域拓扑连接，对交互式洪水预报系统及关键技术开展了研究，并在淮河洪水预报中开展了应用。随着计算机技术在水利信息化领域应用的大力开展，流域洪水预报调度一体化及防洪减灾方面取得的成果越来越多[5]。

本文以流域树状河系内多断面/水库的洪水预报调度一体化为目标，通过对河系内的预报单元、河段、预报断面、水库等的拓扑化概化，结合洪水预报、水库调度和洪水演进的模型类型及结构，采用参数化配置和模型云计算服务等手段，实现河系洪水预报调度的一体化及无缝耦合。

1 预报调度一体化方法

预报调度一体化由方案创建和一体化计算两部分组成。其中，方案创建主要是包括拓扑概化和拓扑对象的参数化，通过结构化存储，实现河系洪水预报调度一体化方案的自定义和参数化配置创建；一体化计算主要是基于预报单元的洪水预报模型、河段的洪水演进模型，以及单库的防洪调度模型，根据拓扑对象的上下游连接关系，顺序调用模型云的各个计算服务接口，实现全流域的洪水预报调度一体化计算。

1.1 方案创建

1.1.1 拓扑概化

将流域内全部的预报断面和调节水库对象概化为不同类型的节点并分类型赋予其属性，根据节点的上下游关系及是否考虑相邻节点间区间的洪水预报，采用带指向的实线或虚线对相邻节点进行连接代表河段，生成流域内全部预报调度对象节点及节点间河段的拓扑图，如图1所示。

图1 河系拓扑对象概化示意

节点类型有两种：一是预报断面，用1表示，拓扑符号为圆圈带名称注记；另一种是调节水库，用2表示，拓扑图符号为长方体带名称注记。节点属性包括：节点编码、节点名称、节点类型、关联测站编码、上游节点编码、下游节点编码、所属方案编码。带指向的实线，表示该相邻节点间的区间河段含区间预报单元；虚线表示相邻节点间的区间河段不考虑区间洪水预报。

1.1.2 参数化

参数化包括四类：一是预报单元的预报方案及模型参数的参数化；二是断面/水库对象的洪水组成参数化；三是河段洪水演进的模型方案与参数的参数化；四是水库对象的调度方式及模型参数的参数化。

(1)预报单元。将拓扑图中所有的源头节点和实线型河段生成预报单元并关联预报单元的水文模型类型、参数及降雨蒸发站点属性。其中，源头节点指的是拓扑图中干流或支流的最上游的节点，可以为断面或者水库对象，预报单元的模型类型包括但不限于以下几类：新安江模型，用1表示；陕北模型，用2表示；…。预报单元及其关联的模型参数属性包括：预报单元编码、预报单元名称、预报单元面积、雨量站点列表信息、蒸发站点列表信息、模型类型、模型参数。

(2)洪水组成。对于拓扑结构中的断面和水库节点对象，需要关联洪水组成，以便进行洪水过程的叠加得到断面预报的洪水过程或水库的入库流量过程。通过寻找上游对象以及识别上游对象与本节点之间的河段类型，自动创建本节点的洪水组成。对于源头断面或水库，上游无对象，洪水组成仅包含源头断面或水库以上流域的预报单元，其他有上游对象的断面或水库，除了上游对象经河段洪水演算后的来水外，还有区间来水，其中实线河段代表区间的预报单元，虚线河段代表不考虑区间来水。

(3)河段对象。对拓扑图中所有的实线和虚线河段关联河道洪水演进模型类型及参数属性。以马斯京根法为例，模型类型及参数赋值信息如下：模型类型编码(用11表示)，模型名称(“马斯京根法”)，模型参数1(分段数，用n表示)，模型参数2(槽蓄曲线坡度，用KE表示)，模型参数3(流量比重系数，用XE表示)。

(4)水库对象。对拓扑图中所有的调节水库对象节点关联水库的特征曲线和调度方式及调度参数属性。水库节点关联信息包括库容曲线列表、泄流曲线列表、调度方式编码、调度方式名称、调度参数。其中，调度方式编码包括规则调度，用1表示；预泄调度，用2表示；指令调度，用3表示；水位控制调度，用4表示；出库控制调度，用5表示；无调度，用0表示。以规则调度为例，调度参数包括当前水位、当前出库、分级数、每一级的控制水位和控制流量等。

1.1.3 方案存储

一体化方案涉及的预报断面和调节水库数量一般较多，各类模型参数也较多。为了提高B/S系统的处理效率，采用数据库技术对一体化方案进行存储，中间通过json格式的数据交互方式传递，实现拓扑图与方案数据库的转换。

一体化方案采用数据存储，包含的列表有主表、节点配置表、对象参数配置表、预报单元配置表等。主表信息包含方案名称、方案编码、所属流域编码、所属流域名称、创建者；节点配置表包含节点编码、节点名称、节点类型、关联测站编码、上游节点编号、下游节点编号、所属方案编码。对象参数配置表包含：对象编码，对象名称，对象类型(源头断面节点、源头水库节点、其他断面节点、其他水库节点、实线河段、虚线河段)，模型类型，模型参数，等等。预报单元配置表包括：雨量站点编码、雨量站点名称、面积权重、相应河段数、相应蒸发站点编码、所属预报单元编码、所属预报单元名称、预报单元面积、蒸发站点编码、蒸发站点名称。

图2 河系洪水预报调度一体化串行计算流程

1.2 一体化计算

1.2.1 模型云计算服务

“模型云”是将很多个单独的模型算法(计算引擎)分别进行封装，并部署于云端，每个模型均以接口形式对外提供模型计算服务。预报调度一体化主要涉及三类模型，分别是洪水预报模型、水库防洪调度模型、洪水演进模型。考虑到一体化方案数据量相对较大，以及模型计算服务的安全性，数据请求采用带Token的POST请求方式。以新安江模型为例，将16个模型参数、初始值、预报单元面积、雨量站点权重及降雨量时间序列、蒸发站点信息及蒸发量时间序列等作为请求体，结合模型服务的URL地址、请求方式、请求头等向模型云服务后台发起请求，模型计算完成返回用户需要的预报流量过程时间序列。

1.2.2 计算顺序

树状河系下游断面或水库的洪水由上游汇流而来，是一个顺序计算的过程，根据一体化方案计算量的大小及拓扑对象的分层关系，可采用串行或串并行结合的方式。当同一层级中的拓扑对象数量不多时，现有的计算机资源串行和并行计算的效率不会有明显的差别，而当同一层级中的拓扑对象相对较多时，并行处理的方式将在一定程度上提高一体化计算的效率。

(1)串行计算。根据拓扑图中所有节点的上下游关系及节点与节点间河段类型，自上而下按顺序分类型进行分区洪水预报、河道洪水演算、洪水组成叠加、水库调洪计算。以图2为例，一体化计算步骤如下：第1步，源头节点A断面以上流域的预报单元洪水预报计算；第2步，AB断面间的区间预报单元洪水预报计算；第3步，A断面流量演算至B断面；第4步，将第3步的计算结果叠加第2步的计算结果，得到B断面预报流量过程；第5步，将B断面流量演算至C水库；第6步，源头节点F断面以上流域的预报单元洪水预报计算；第7步，F断面流量演算至C水库；第8步，FC断面间的区间预报单元洪水预报计算；第9步，将第5步、第7步、第8步的计算结果进行叠加，得到C水库的预报入库流量过程，并按照约定的调度方式进行C水库的调洪计算，得到C水库的出库流量过程和坝前水位过程；其他以此类推。

(2)串并行结合计算。串并行相结合的计算方式分两种情况：①分层计算，长江流域洪水预报调度一体化即为该方式。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，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[6-10]。②预报单元产汇流计算并行河道汇流计算串行(见图3)。由于河系洪水预报调度一体化中大量的计算主要集中在预报单元的产汇流计算上，第1步，即采用并行的方式，对所有的预报单元，同时进行产汇流计算，得到各个预报单元的预报流量过程；第2步，自上游向下游，进行分段河道洪水演进与叠加计算及水库调洪计算。在第2步的河道汇流中，也可采用分层的方式并行，但意义不大。该串并行结合的方式相较串行方式，具有更高的计算效率。

图3 预报单元产汇流计算并行河道汇流计算串行流程

图4 澧水流域预报调度一体化拓扑示意

2 应用案例

澧水为洞庭湖水系第四大河流，流域面积为18 583 km2，河流全长388 km，总落差1 439 m，河道平均坡度0.113%。澧水流域位于湘西北暴雨高值区内，流域暴雨强度大，洪水陡涨陡落，一次洪水过程大概在3～5 d。

澧水流域预报调度一体化方案包括15个节点对象。其中，断面节点12个，水库节点3个，详见表1。

根据澧水流域预报调度一体化方案，包括预报单元15个，分别是：凉水口以上；凉水口—桑植区间；桑植—张家界区间；淋溪河以上；淋溪河—江垭区间；双枫潭以上；江垭、双枫潭—长潭河区间；雁池以上；雁池—皂市区间；张家界、长潭河、皂市—石门区间；石门—澧县区间；临澧以上；澧县、临澧—津市区间；王家厂以上；津市、王家厂—石龟山区间。

对澧水流域全部的节点和河段根据预报方案进行拓扑概化，如图4所示。

表1 节点对象列表信息

表2 各河段河道洪水演进模型类型及参数

表3 各水库调度方式及调度参数

15个预报单元的洪水预报均选用新安江模型，河段的河道洪水演进选用马斯京根法，江垭、皂市、王家厂3个水库，均按单库调度的方式，可自由选择不同的调度模型。计算方案中河段洪水演进的参数如表2所示，3个水库调度方式如表3所示。

以2020年7月1日08∶00～2020年7月20日08∶00连续降雨为研究对象，通过获取实时水雨情数据，结合模型云后台服务，进行预报调度一体化计算，得到各预报断面和水库的预报调度模拟计算结果。其中，部分断面和水库调洪计算结果见图5、图6。

图5 双枫潭预报断面实测与预报成果对比

图6 皂市水库预报洪水调洪计算过程

3 结 论

本文结合计算机技术，提出了一种大流域河系洪水预报调度一体化方法，通过对流域内的全部预报断面和调节水库对象进行节点概化，根据节点与节点之间的上下游关系，对相邻节点进行河段分段和河段的分类型概化；基于节点及河段的类型等，关联相应的洪水预报、水库调度和洪水演进模型及参数，通过自上而下的分类型顺序计算，进行大流域多预报断面和水库对象的洪水预报调度一体化模拟计算，实现了预报调度计算的一体化及方案的灵活配置，对于大流域河系洪水预报调度系统的建设具有重要的参考价值。