浙江省椒江流域洪水预警预报系统的总体设计

2022-08-20曾钢锋杨德全

水电站机电技术 2022年8期

曾钢锋，杨德全

（台州市水利水电勘测设计院有限公司，浙江台州 318000）

1 引言

椒江流域位于浙江中部沿海，东接台州湾，南西北分别同瓯江、浦阳江、曹娥江等流域相毗邻。流域范围主要包括台州和临海市，总面积6 603 km2。椒江流域地形西高东低，地势自西向东倾斜，流入东海。流经仙居县全部，临海市、天台县、台州市区黄岩区和椒江区的大部，缙云县、磐安县、新昌县的一部分，共8个县(市、区)，23个街道、36个镇、25个乡。

随着全球气候变化的影响加剧，台风、暴雨等水灾害越来越频繁，台州地区近海，台风影响较大，汛期时常发生暴雨、洪水等灾害，对流域人民群众生命财产安全及社会经济发展带来严重威胁。

本文着重对椒江流域的洪水预警预报进行总体设计，包括各个水库枢纽工程系统设计、干流洪水预警预报设计等。

2 总体框架设计

椒江流域洪水预报方案的总体框架是以水雨情的实时监测数据为基础，以地理信息系统为框架，以成熟稳定的计算手段为支撑，建立覆盖椒江流域的水文水动力数学模型，考虑河口风暴潮以及水库、闸站工程群调度[1]，并通过通用数据接口接入实时交互数据，对椒江流域洪水进行预报。本次设计要符合浙江省数字化改革的要求，符合浙江省水利数据资源目录的设计标准[2]。

图1 逻辑结构图

作为台州水管理平台市级自建模块之一，需要按数据资源体系、预报调度模型支撑体系、业务应用体系3大体系开展研发工作。

3 系统详细设计

3.1 数据资源层

数据资源层即数据存储和数据处理平台，基于关系数据库存储结构化观测和预报资料，通过数据采集、文件采集、网络采集和共享各类水文、气象、工情、调度方案等信息，在此之上构建基于时间索引、空间索引和要素索引的大数据服务。本设计涉及的数据资源主要包括3种类型[3]。

（1）基础数据库信息

根据台州市水管理平台实施方案，水管理平台统一负责与省、县两级水利部门纵向协同共享交换，实现与生态环境部门、交通运输部门、自然资源部门、气象部门等跨行业数据共享。实时雨水情数据库、实时工情监测业务动态库、实时监测业务动态库、水文整编数据库、多媒体数据库、地理空间数据库等基础数据库表由台州水管理平台统一建设。作为水管平台的自建模块，直接通过水管平台接口调用所需的数据信息[4]。

（2）测量数据

河道水下地形、大断面、蓄滞洪区地形等基本资料，无需在系统平台发布。物联网实时监测数据通过平台接口直接写入实时工情监测业务动态库。

（3）预报调度方案输出数据

洪水预报计算条件复杂，预报调度计算方案组合繁多，输出数据高达TB量级，高密度、大容量数据不适合放入数据库，拟将输出数据直接保存在计算服务器端，按照调度规则和方案计算时间管理不同方案的输出数据。

3.2 预报模型层

根据椒江流域自然地理和暴雨洪水特性的分析，并考虑水利工程运行的影响，在编制流域控制断面水文预报方案时，模型应遵循实用、先进原则，在满足《水文情报预报规范》（GB/T22482-2008）规定的发布要求的同时，充分利用现有水文资料以及气象预报信息，以提高精度和延长预见期[5]。

模型系统是洪水预报调度平台的支撑体系，根据椒灵江流域河网特性，构建河网洪水预报调度一体化模型，通过WebServices接口为业务应用层提供模型服务。模型内容包括：

（1）多源数据融合的河道、河口和海洋二维水动力耦合模型[6]。

（2）气象水文工情数据驱动的流域洪水演进虚拟仿真模型[7]。

（3）平原河网水文水动力耦合模型[8]。

（4）水利工程联合调度及优化模型等[9]。

针对椒灵江流域的特性，构建全流域耦合模型。上游山区降雨产水作为上游来水边界，下游椒江口潮位作为潮位边界。在椒江流域基础资料搜集完备基础上，椒江干支流等山区采用新安江模型进行产流计算，通过马斯京根法计算汇流至各个水库，通过水库模型的构建，水流调度至椒江干支流一维河网进行洪水演算。大田平原、义城港平原以及东部平原等平原地区采用4种下垫面计算产流，通过单位线的方式汇流至平原一维河网，同时构建闸坝模型对水利工程的影响进行模拟计算，并构建区域二维模型，对流域易涝区的淹没情况进行模拟。模型系统架构如图2所示。

图2 模型系统架构图

模型主要任务是为洪水预报调度模型的构建以及实时运行服务：

（1）洪水预报调度模型

1）构建降雨径流模块。需要更新收集最新下垫面空间分布信息及DEM数据，重新选取率定平原区产流及汇流单位线参数，准确模拟水流交互运动情况；利用最新资料成果对模型关键参数进行率定验证，提高河道水量产汇流计算精度。

2）构建河网水动力模型：细化河网，结合区域水库及闸站实际调度运行规则，开发适用于椒江流域的水量预警预报实时校正技术，开展实例分析，确保预报模拟计算的稳定性，实现河网水位水量的实时预警预报模拟，提高预报精度，支撑闸泵调度规则的自定义配置，实现不同调度运行方案下，水系排涝调度效果。

（2）预报调度模型运行服务平台

平台服务层主要为实现模型有效整合和预报调度模型对上层Web应用的服务支撑功能，模型运行服务平台实现降雨产流模型、水动力模型的整合计算和服务封装；建立基于WebService的服务调用、模型驱动、数据传输功能；开发模型基础资料的管理、GIS应用平台，模型管理运行控制和模型成果展示等模型构建和管理维护工具，实现模型资料前处理，模型概化、构建、参数配置、运行控制、后处理等可视化处理功能，为模型体系的维护、更新、扩充提供后台工具。主要包括4块内容，分别为预报模型服务、GIS应用平台、模型资料管理和模型管理与运行控制。

1）预报模型服务：主要包括预报模型服务进行封装和模型计算用的方案、成果管理数据库开发。

2）GIS应用平台：主要包括模型要素图层查看、地理底图查看、地理信息属性查询、坐标转换、图层配置功能。

3）模型资料管理：包括水文站点管理、模型数据前处理和计算方案管理功能。

4）模型管理与运行控制：主要包括水文、水动力模型选择、构建、参数设置、方案配置管理、计算成果展示、成果统计报表和模拟运行控制等功能。

（3）模型与系统平台关系及预报服务流程

模型为大系统提供模型的调用、参数配置、预报条件定义、成果定制输出等服务。上层应用通过WebService方式调用模型服务，具体流程如图3所示。

图3 WebService预报服务调用方式

1）模型服务申请：上层应用端提交模型计算任务申请，模型返回当前模型状态，提示是否申请成功。

2）模型预处理：模型服务成果登记后，模型将从整编数据库中下载实时校正计算需要的站点水位历史数据、水量历史数据、实时水位数据和实时降雨量等数据。下载静态及动态配置信息。如：专题静态信息、专题动态信息、模型要求集、输出要素集、预报信息点集、预报模型要素等信息。

3）模型预报时间输入：输入预报时间段，模型将对预警预报方案进行检查，确认预报时段的时间有效性。输入预报时间段内的预报降雨条件。

4）预报降雨及调度方案输入：水动力模拟服务方案参数包括气象站点的预报降雨蒸发、控制工程当前工况、防洪调度预案等条件。

5）模型启动运行及成果输出：模型在完成模型计算后，返回计算结束状态。模型输出区域径流、总降雨量、蒸发量；沿海口门、排水水系边界、水利分区等水量统计项；重要断面和代表站点的水位、潮位、水量预报过程；工程防洪排涝调度过程统计数据等。其他断面水位流量成果数据以科学二进制数据格式存储在服务器上，不主动推送至Web应用端，可通过服务器提取解析进行统计分析。

3.3 业务应用层

（1）应用支撑层

支撑层主要提供技术框架支持和关键技术支持，技术框架主要包括负载均衡与分布式计算技术框架、基于MQ的分布式处理框架、展示交互技术框架、微服务架构、地理信息技术框架、数据存储技术框架；支撑关键技术主要包括计算方案管理和模型服务、响应式 WebUI 技术、基于 GPU 的高性能计算和并行计算、归一化数据模型等。

（2）业务应用层

基于应用支撑层提供的框架支持、关键技术以及数据资源体系层提供的多种资料，结合具体业务场景，构建统一注册支持热插拔的业务接口服务集群，让前端交互层只关注接口联调本身而不必在意接口的具体逻辑以及它被部署在哪台服务器上。预报作业主要包括沿海和感潮江道综合潮（水）位预报、椒灵江流域降雨和洪水预报、大中型水库洪水预报、区县洪水预报、三大平原河网内涝预报；调度作业主要包括单库洪水调度、区县洪水调度、流域洪水调度、平原区水库水闸联合调度；通过水文气象、水动力演进和水库水闸等水利工程调度，结合三维 GIS 服务引擎和物联网自动监控设备，实现全流域洪潮涝多因子耦合作用下的洪水风险预报预警。

（3）综合展示层

基于 H5 开发的组件化前端为系统页面的定制化提供了框架层面的支持，借助 WebGIS、SVG 矢量化图形、HTML5、WebGL 前端硬件加速、chart 等图形展示、基于 Cesium 等 3D 展示等技术，提供友好的人机交互界面以及对水文气象工情、风险等信息生动的图形图像渲染。