温州市大中型水库洪水预报调度数字化建设研究

夏志昌，张仁贡，卢林全

（1.温州市水利局，浙江 温州 325002；2.浙江禹贡信息科技有限公司，浙江 杭州 310052；3.阅水科技有限公司，浙江 宁波 315100）

1 引言

温州市地处浙江省东南部，东面濒临东海，台汛期台风活动频繁，台风期常遇暴雨引起洪水灾害，包括水库超汛泄洪威胁下游地区、山洪灾害威胁村镇、内涝积水影响城市等[1]。目前温州市有大中型水库20座，其中大型水库1座，中型水库19座。依据温州市三防工作的要求，近期开展了对温州市大中型水库的洪水预报调度模型建设的调查研究和分析工作，经过深入调查和研究发现，虽然大部分大中型水库建设有洪水预报调度模型及系统，但是存在以下问题：①部分以发电为主的水库，尚未建设洪水预报调度模型与系统，防洪预报预警及洪水调度依靠经验执行。②个别水库建设有单机版洪水预报模型与系统，系统未及时升级更新，数据无法与外部共享，水文、气象等数据未及时接入模型进行计算，部分系统处于已经停用、很少使用或已经不可用等状态[1]。③部分水库模型和系统建设时间较短，系统参数校验不够，洪水预报准确度不够。这些问题的存在，严重影响了大中型水库的防洪安全。为此，本次依托温州水平台数字化改革建设的契机，开展全市大中型水库洪水预报调度模型及系统建设，并将各水库的系统集中到温州市水平台中，形成数据共享、功能协同、场景打造、统一决策等整体效果，提高科学防洪能力。

2 总体框架设计

建设洪水预报调度决策支持系统，是全面提升全市大中型水库洪水预报调度能力，提高大中型水库洪水预报调度科学化、数字化和精细化水平的有效途径[2]。为了确保洪水预报调度系统的建设质量和系统应用的整体性，确保各水库系统单库能有效运行，多库能有效融合，思考和设计总体框架，如图1所示。

图1 总体框架设计

首先，在底层以单个水库为基础，进行以提升防洪预报预警能力为目标的感知体系补短板，包括相关雨量监测、水位监测、流量监测、工情监测、大坝安全监测、视频监控、墒情监测等[3]。然后进行洪水预报预警业务能力的建设，即水库洪水预报预警模型及系统的建设，包括模型建设、参数率定、预报预警、调度操作、调度跟踪、洪水整编等数字化功能研发。

其次，将单个水库洪水预报预警模型及系统数字化建设到温州市水平台中，实现基础数据统一维护、气象预报数据统一提供、工程运管数据统一接入、流域底板数据统一采集[4]。

最后，在汇聚单个水库洪水预报预警模型及系统的基础上，开展全市水库洪水预报预警模型及系统的场景研发工作。通过不断替代升级，形成计算能力持续提升、基础模型预设配置、流域形势全局研判、联合演练统一部署等平台化场景功能。

3 建设内容

通过需求分析，在全市水利数字化改革理念的指导下，针对全市大中型水库洪水预报预警模型及系统的建设主要分为两部分进行，分别为感知体系建设、水库模型场景建设以及全市区域场景建设。

3.1 感知体系建设

大中型水库通过前些年的标准化建设、水文5+1补短板建设等工作，感知体系建设相对完善，本次主要针对提升大中型水库洪水预报预警模型计算的精度，补充汇流、出库及调度数字化相关感知体系建设,实现快速自动采集、传输和处理水库水雨情等信息[5]。通过梳理大致提出了如下几个方面需求提供参考。

①库区采集雨量站原则上依据《水利水电工程水文自动测报系统设计规范》，按照10～30 km/站的密度布设，集雨面积较小的中型水库，应该酌情增加站点，最低不少于3个/库；②水库遥测水位计分辨精度1 cm以上；③溢洪道、泄洪洞等闸门应安装实时流量或准确闸门开度的遥测装置；④泄洪洞闸门应有遥测开度仪，实现闸门水流断面精确测报；⑤水轮发电机组应有功率遥测装置，可转换为发电的出库流量，或水电站全站水轮发电机组发电流量实时监测；⑥其他出库的管道、闸门应有相应的准确闸门开度或流量遥测装置；⑦所有测站采集的水利数据均应接入市级水利数据仓。

3.2 水库模型场景建设

根据温州水库库区的地形地貌，模型一般应用新安江预报模型，对水库历史降雨概况、产汇流特征、流域调度情况进行详细分析论证，针对水库洪水数据，率定水库预报模型参数。模型应具备一定的自学习参数校正能力，能适应各水库本身所在库区条件变化影响。根据洪水预报的结果，按水库泄水建筑物的泄洪能力，调度模型应开发水位控制模式、流量控制模式、流量指令调度模式、开度指令调度模式、规则调度模式等5种调度功能。实现的应用场景框架模型图2所示。

图2 水库应用场景框架模型图

（1）洪水跟踪。按照洪水跟踪分析的需要，本场景应用界面，系统应实现在同一界面下，以概化图的形式，直观展示各流域上下游分区多个工程的洪水调度状态，包括流域概化图、各个水库的水位和泄流、各个主要河道站的水位和流量、各个流域的面雨量过程、历史洪水过程，提供各个工程当前时间点前72 h的实际降雨、出、入库、水位变化实际过程；自动预报模式下，接入温州气象短临网格预报，预报后24 h的降雨、入库及水位预测变化过程，以图表结合的形式显示。可切换到人工输入模式，可以模拟输入降雨（降雨时间、雨量、雨型或无降雨等），预测未来3 d的入库及水位预测变化过程。调度中按“定开度”与“定流量”两种方式进行跟踪调度，满足实际调度场景跟踪需求。

（2）承洪分析。按照任何时点，水库承洪能力分析的决策需求，本场景应用界面，系统应提供，在模型按设定的控制条件下，进行预报调度分析。在自动预报模式下，可计算分析水库未来24 h的承载能力，并提供全过程分析数据。人工输入模式下，可按照各种量级、雨型的预测降雨和设定的调度方式下，分析出水库的承载能力，并提供全过程分析数据；同时，按水库洪水优化调度计算达到边界的水库可承载降雨量，为决策提供参考。系统应有方案保存功能，保存的方案可事后进行反复查阅分析。

（3）预报调度。系统应提供自动预报及模拟预报调度分析功能，其中自动预报应结合市级水平台统一发布的短临降雨数据，实现定时预报计算，将预报结果实时反馈至各级平台，提供决策预警支撑；模拟预报调度分析功能，用户可根据当前情况在人工输入模式下，提供预报调度分析功能。用户根据自动预报降雨或人工模拟配置预测降雨以及调度起始条件，确定水位控制、流量控制、定流量、定开度、规则调度等5种调度方式的决策指标参数，一键由系统完成5种调度模式的调度方案计算，以图、表相结合的形式供用户对比查阅分析；在洪水过程中，用户可以反复试算各种决策偏好的调度方案，对比确定最终确定最优调度方案，为科学决策提供支持。预报调度计算要充分优化，一次计算，响应时间不大于20 s。

（4）洪水后评估。在洪水过后或对历史洪水，系统应具备后评价功能。在本场景应用界面，系统应提供洪水后评价分析功能，该应用功能是按预报成果评价办法，对洪峰流量、峰现时间、洪水总量等相关预报数值与实测数据进行对比分析，以已发生洪水的预报成果对模型预报能力进行在线评价，来分析预报指标的好差，来评定预报模型的成果等级；同时应用还提供调度成果优化分析功能，可以按设定的最高水位、最大流量等优化控制指标，对洪水预报调度成果与理论最优成果进行对比分析，方便用户积累历史经验，指导未来科学调度。在线后评价的成果整体应达到规范规定，评估为甲级的洪水场次应达到90%以上。

（5）历史洪水查询。按照数据查询的应用需要，在本场景应用界面，系统应提供已发生的暴雨和洪水数据相关信息，并在系统中以图、表结合的形式展示降雨、水位、出入库、台风等全过程信息，方便用户快捷查询。

（6）基础信息展示查询。按照基础信息查询的应用需要，在本场景应用界面，系统应提供流域基础信息、水位-面积曲线、水位-库容曲线、溢洪道泄流能力曲线、闸门开度-流量计算、水库运控计划、水文-地理信息等调度相关联的所有工程数据、关联计算、图纸资料等信息，为决策提供在线资料支持。

（7）调度执行信息查询。按照调度执行数据溯源的需求，在本场景应用界面，系统应提供实际水库运行相关数据查询功能，数据时间间隔为1 h，按小时进行详细记录；系统应提供历史任何时间段数据查询功能，方便洪水推演分析和历史信息回顾。具体功能要求如下：

1)小时执行数据查询功能：可查询任1 h水库运行的相关数据，包括各站降雨、水位、溢洪道各闸门泄洪流量、泄洪洞闸门泄洪流量、各机组发电流量、供水管道流量、发电功率、调度指令等。

2)场次查询功能：可选取入库资料的任何时间段进行查阅，包括降雨、水位、出、入库、相关台风等所有资料，以图、表的形式进行关联展示、分析、统计，方便查询。

3)数据修正功能：需基于温州市水平台，对水库的实时水雨情、流量数据进行整编处理，可对水库的所有降雨、水位、出库数据进行导入或修正，方便校对水文资料数据，补录相关信息，为洪水预报调度做好后台数据准备。

（8）水库防洪预演。基于流域防洪数字孪生流域，对已经发生的水情工情精准复演，验证水库防洪模型系统正确性，再对可能发生的预测预报水情进行模拟计算，制定和优化调度方案，提前发现风险或问题，提前采取防风险措施，确保超前、安全、合理、可行。具体功能要求如下：

1）构建水库防洪预演场景：通过对预测预报的水情进行模拟，提早发布预警，确定保护对象及防护标准；确定要纳入调度场景的水文测站以及水库、堤防、闸坝、蓄滞洪区等防洪工程；包括洪水预报的边界条件以及河道、堤防、水库、蓄滞洪区等防洪控制节点的控制运用指标。

2）模拟仿真：由数据底板获取调度目标和节点相关的气象水文资料、经济社会资料、堤防水库蓄滞洪区等工程资料；基于预演场景的调度目标、节点、边界条件等，对洪水过程进行模拟计算；进行水灾害或风险事件的发展变化和水库调度运用过程的可视化模拟。

3）制定和优化调度方案：在模拟计算成果基础上，结合本水库运行状况、经济社会发展现状等，参考水库调度规则、典型历史案例，利用专家经验和智能分析等，优化确定水库调度方案；针对确定的调度方案，提前发现风险和问题，及时采取防风险措施，防风险措施应充分考虑可能出现的最不利情况，守住安全底线，并做到提前制定、超前部署。

（9）水库防洪预案优化。依据预演确定的方案，考虑水库最新工况、经济社会情况，确定水库运用、人员转移等非工程措施并组织实施，确保预案的可操作性。

1）工程调度应用：水库防洪调度应保证水库自身防洪安全的前提下，提出水库运用的时机和方式，明确不同条件下的控制水位和泄量。

2）非工程措施制定：明确值班值守、物料设备配置、查险抢险人员配备、 技术专家队伍组建及受影响人员转移等非工程应对措施。

3）组织实施：落实水库调度运用、物料设备调配、查险抢险、人员转移等措施的执行机构、权限和职责，分类分级明确信息报送内容、方式和要求。

3.3 全市区域场景建设

按照水平台数据管理、应用管理规范，各水库可在自建预报程序时，建设在温州市水平台上，共享各类基础数据和实时数据资源，调用相关通用组件，完成精细化预报模型计算，采用注册制注册至水平台，形成各类预报调度决策支持场景，总体框架如图3所示。

图3 全市区域场景建设框架

从图3可知，各个大中型水库洪水预报预警模型及系统建设到温州市水平台后，将形成统一的“水库安全”应用场景，结果数据统一汇聚到温州市水平台数据仓，最终可以为浙江省水利厅“九龙联动治水”水库安全提供数据支撑。

4 应用支撑

为了实现上述场景，在应用支撑上主要有以下几个方面：

（1）工程基础数据支撑。浙江省全省已经建设了“浙江省水利工程运行管理”平台，多年来全市大中型水库工程基础数据都在该省级平台上统一维护，因此本次建设需要浙江省水利厅“浙江省水利工程运行管理”平台对温州市大中型水库工程基础数据的回流利用，保持“一数一源”的数据统一。

（2）外部数据共享支撑。本次建设需要引入外部门的相关数据，比如气象部门的1 h、6 h/km网格短临预报，24 h/5 km网格短临预报等数据；自然规划局的水利地图数据等。

（3）温州市水平台框架和数据支撑。各个水库洪水预报预警模型及系统需要建设在温州市水平台框架上，数据仓库在温州市水平台数据仓中拓展，数据融合贯通，相互支撑。包括水文数据、流量数据、视频数据、地图数据、工情数据等。同时各库系统的运行平台应具备多组织共同应用的能力，不同组织应用一套基础数据，在应用数据中，可以独立隔离，互不影响；各库系统应能统一部署在市级水平台运行，在市级平台中应实现单组织，多水库的运行能力，可以在不同水库中进行应用切换，互不干扰。

5 结束语

通过本次调研、分析及研究探索，笔者认为有以下2点经验值得回顾。

（1）科学选择数学模型。

水库洪水预报调度系统，一般是指根据流域内实时和预测降雨以及实测流量等数据，按选定的数学模型和出库方案，计算预报入库流量过程和库水位过程的软件系统。预报调度中，依据洪水预报成果和水库调洪能力，按照调度规则和决策要求，演算拟定科学下泄流量过程及相应水库水位变化过程，生成实时防洪调度方案，为决策提供技术依据。根据温州市水文气象特征，水库洪水预报数学模型一般采用“新安江流域水文模型”，对流域历史降雨概况、产汇流特征、水库防洪调度情况进行详细分析论证，针对水库洪水数据，结合优化计算与合理性分析，率定洪水预报模型参数。模型应具备一定的自学习校正能力，能适应各水库所在库区下垫面条件变化的影响。根据洪水预报方案，按水库泄水建筑物泄洪能力，可因地制宜开发不同工况的洪水调度模式，一般应包含水位控制模式、流量控制模式、流量指令调度模式、开度指令调度模式、规则调度模式等。

（2）合理确定系统功能。

①自动采集出库数据。对水库闸门开度、发电引水流量、自由溢流等所有出库流量数据进行全面采集、清洗和输入。②合理率定后台参数。宜采用人工调整与自动优化相结合的模型参数校正调整方式。在新增几个场次洪水过程后，可根据水情、雨情实际变化，对模型参数按照算法和人工干预相结合的方式校正调整，提高预报精度，达到精准、可靠、有效的预报要求。同时，为防止虚假拟合现象，应对参数的灵敏性、合理性、可靠性、系统稳定性进行必要的分析和评估。③科学生成调度方案。洪水预报调度操作界面要简单、高效、友好，根据洪水预报成果，能以人机交互方式生成实时防洪调度方案，提供决策依据。④建立历史洪水数据。对历史洪水数据进行重新整理分析，进行统一编码,形成可靠、有效的历史洪水和调度过程数据。

目前，温州市大中型水库洪水预报预警模型及系统建设正在如火如荼开展之中，本研究与思考也仅仅属于阶段性成果，还有诸多不成熟的地方。随着大中型水库洪水预报预警模型及系统数字化建设的开展，必将不断完善思路和设计方案，希望本次建设成果，能为全市大中型水库防洪能力的提升作贡献，能为保障温州市人民的生命和财产安全作贡献，并为地区级水库综合防洪能力建设积累可借鉴的经验。