智慧水利指导下的云南水情信息化总体构想

付 奔，金晨曦

（云南省水文水资源局，云南 昆明 650106）

0 引言

水文现代化作为智慧水利[1]的应有之意，在全国水文“十四五”规划中，明确提出建立覆盖全面的“空天地”一体化水文监测体系；实现水文全要素、全量程自动监测，水文数据处理、预测预报和分析评价全流程自动化和智能化。水情作为水文工作的窗口，承担着水文服务防汛抗旱减灾及经济社会发展的重要任务，是开展信息化、智能化的前沿和载体，由于工作的特殊性，水情工作对信息化、智慧化具有足够的必要性和依赖性，通过水情的信息化实现水文的信息化，从而助推水利的智慧化。

1 现状问题分析

云南省的水文信息化发展相对落后，远远不能满足不断增长的服务支撑能力和社会发展需求。为了明确问题，做到有的放矢，从信息化思路、数据资源管理、软件需求和硬件建设等 4 个方面对现状问题开展系统的分析与论述。

1.1 信息化思路不清

水文信息化的概念很早就已提出，然后经过多年的发展，对于信息化的目标和定位仍然不是很清晰，如何实现水文信息化众说纷纭，通常情况仅局限于宏观层面、概念阶段，缺乏落地的办法，不具备可操作性。近年来提出“一个库、一张图、一个平台”的水利信息化建设目标，给信息化制定了一个总的目标，然而在实施过程中，往往只有目标，没有办法，难以落地，特别是“一个平台”的建设，由于缺乏基础应用的支撑，从而导致无法实施，有的时候甚至产生了为了集成而集成、为了整合而整合的问题，水文信息化建设缺乏对于基础数据和专业应用的足够研究，缺乏“自下而上、上下统筹”的清晰信息化建设思路，严重阻碍水文事业发展。

1.2 数据资源管理混乱

数据资源是继自然资源之后，最为宝贵的一种资源，近百年的水文数据是开展一切水文工作的前提和基础，然而长期以来对于基础水文数据数字化建设的滞后，导致了现有水文数据存储混乱，数据孤岛、缺失、安全等问题突出，不能实现数据规范化存储和应用，现有数据管理理念及方式已明显不满足现代化、信息化建设的需求，难以支撑系统应用，难以实现对水文数据资源的应用挖掘，未能很好发挥数据价值，造成资源浪费。

1.3 软件需求定位不明

信息化的目标就是提质增效，软件开发就是以需求为导向，通过软件解决工作当中的难题，最大限度减轻人员工作强度、提高效益、规范流程。多年来，在信息化领域进行了大量的建设，投入了大量的资金，构建了许多的数据库，开发了业务、办公、人事、财务等众多软件系统，然而，现在回过头看大量构建的数据库、开发的系统软件真正可以用以解决实际工作，提高工作效率，减轻人员工作强度的又有几个？可能更多时候看到的是“系统开发验收之日，就是系统报废之时”，严重背离了信息化建设的初衷和目的，落入了为了信息化而信息化的怪圈[2]。

1.4 硬件建设简单垒砌

硬件建设缺乏系统思考，缺乏整体设计和规划，对于云计算、云存储方面的应用不够；硬件设备配置盲目求大求全，一味追求高端配置；项目硬件缺乏系统集成，存在重复购置情况，设备使用不充分，闲置率较高；设备整合不完全，潜能未能有效挖掘，未能按照存储、计算、安全等方面的需求，综合考虑配置硬件资源，往往只是针对单一项目、业务的硬件资源垒砌，一定程度上对资金和资源造成浪费[2]。

2 整体思路

云南水情信息化总体构建应该由 3 个部分组成，依次为数据资源构建、专业系统开发、综合平台集成；同时充分结合云南国际河流水文数据保密等具体情况，配套建立健全安全保障、标准规范及运行维护体系，其中，数据资源构建是基础，专业系统开发是重点，综合平台集成是目标；在建设过程中，必须要充分考虑数据的统一性和标准性、系统的实用性和易用性。水情信息化整体思路如图1所示。

2.1 数据资源构建

水文数据资源以 OceanBase 和 Hadoop 大数据生态组件为主，构成企业级的大数据存储、查询、分析的统一平台，能够帮助快速构建海量数据信息处理系统，通过对海量数据信息实时与非实时的分析挖掘，打破地域、职能和部门的数据壁垒。应利用已建系统数据库，根据微服务架构规划，将已建的多源异构数据按照国家和水文行业标准实施数据库整合。整合后的数据库一方面要保证已有业务应用系统的正常运行，另一方面也要在微服务架构下充分为新的业务应用提供支撑，为建设多层次的水文微服务应用及数据共享奠定基础[3]。打造水文数据中心，规范水文数据传输流程，实现数据一数一源。

2.1.1 实时水文数据

开展水文数据集中控制中心的建设，打破部门壁垒，跨部门、行业对水文数据广泛汇集。

1）水文部门。规范水情、站网等实时数据，确保《实时水雨情数据库》《预报专用数据库》《在线整编数据库》等数据库数据质量，运用大数据构建数据实时校核机制，及时对歧义数据过滤，确保入库数据的准确性和实时性。

2）水利部门。全面整合、汇集水利系统已建非工程措施水文数据，重点对水资源监控能力，以及防汛抗旱指挥、山洪灾害预警、水库报汛等系统业务数据进行整合汇集，尽可能增加水文数据覆盖范围，为保证数据质量，建立数据缓冲池，对相关数据清洗、规范后方能入库。

3）外部门。严格按照水文条例，建立水文数据汇交机制，依法推进交通、能源、环境等部门水库，水电站等专用水文站的水文监测资料的实时整编和入库工作，形成水文汇交数据库[4]。

2.1.2 历史水文数据

按照《水文资料整编规范》要求，拓展水文在线整编范围，完善在线整编系统及管理机制，实现对水文数据整编的全覆盖，实时开展数据整编，通过整编定期完成实时数据与历史数据的转化，数据互联互通、及时更替、相互协调。

开展水文数字化工程，全面推进云南百年系列水文资料数字化，对已有水文数据进行数字化处理，强化数据质量控制，用现代化数据库建设思路，满足系统调用的多方面需求，规范存储历史数据。

2.1.3 专用数字地图

在充分利用天地图等基础地图资源的基础上，结合水利普查、山洪灾害、防洪风险图、水旱灾害普查、水资源调查评价等专项研究成果，制作河湖、水利工程、河湖长制、水文站网、防洪风险、水资源、水生态等水文专用数字图层，并且根据基础数字地图及水利发展的变化实时更新相关数据，构建专业化的地图数据资源，打造水文一张图，为系统开发建立基础地图环境。

在对以上数据资源汇集存储的基础上，构建水文统一数据资源库，强化统一数据库的整体设计及向下兼容，构建包括基础、监测、历史、业务、事务、多媒体等数据库的统一数据资源库，对现有基础数据库中的水文数据进行数据抽取、转换，汇入公共基础数据池中，而公共基础数据池则作为综合数据的重要来源实现一数一源的目标，自下而上整合构建水文一个库。

2.2 专业系统开发

按照需求牵引、应用至上、数字赋能、提高能力的要求，突出专业性，加强业务系统开发，通过开发达到提质增效的目的，大幅提升在防汛抗旱、水资源管理领域的服务支撑能力。采用微服务开源框架 ServiceComb 搭建微服务架构，微服务平台提供的微服务是一个细粒度的 SOA，服务的划分基于领域驱动设计，每个微服务只专注自己的职责。每个服务可以进行独立的开发、测试和交付，拥有独立的运维、管控接口的能力，业务系统通过对接平台实现统一的管理。

2.2.1 智能化洪水预报系统

通过智能化洪水预报系统建设提高洪水预报智能化水平，强化江河、水工程等的洪水早期预警，影响评价，模拟与风险分析等体系，推进水旱灾害防治体系和防治能力现代化。

1）开发思路。a.基于高精度 DEM 等数据，建设基础数据融合软件；b.建设降水信息融合软件，通过静止气象卫星、天气雷达和地面水文站雨量数据融合反演，生成标准化的历史、实时及预报降雨数据集；c.建设水工程和水文站处理软件，对现有报汛的大中型水库及水文站的实时和历史水情数据进行质控融合，生成标准化的水情数据集；d.建设洪水预报专用信息管理和服务软件，管理多源信息融合成果和提供调用服务；e.建设洪水预报模型库方法库管理软件，改造现有洪水预报系统所建的集总式洪水预报模型和方法，增加分布式水文、水动力学模型及参数率定方法。

2）主要功能。包括预报方案构建、参数率定、自动预报、交互式预报、成果综合分析发布、系统管理服务等功能。

2.2.2 水文中长期预报系统

水文中长期预报系统用于解决 7 d 以上中长期水文预报的需求，科学高效开展降雨、水位、流量、蒸发、墒情等水文要素的趋势预测及中长期预报，达到实时滚动发布未来不同时间尺度的预报成果，进一步延长预见期，为服务防汛抗旱、水资源管理提供中长期决策咨询服务。

1）开发思路。基于历史水文数据，引入与水文气象要素有着密切物理联系且动态变化的大气、海洋、遥相关等环流指标，集成数理统计、物理成因、人工智能三大类方法，按操作、计算和展示等流程，建立中长期水文预报系统。开展结合传统统计和新型人工智能及大数据分析技术的综合应用，充分挖掘水文要素自身规律、物理成因和智能学习的预报技术，评估各种方法性能，配置权重系数，最终形成集合预报，实现适应变化环境的智慧中长期水文预报。

2）功能模块。包括数据分析、预报模型、方案管理、预报集成优选及发布、数据及成果上报汇总管理、成果可视化展示等核心模块。

2.2.3 预报调度一体化服务系统

预报调度一体化服务系统构建流域水工程联合调度的水文分析和预测预报体系，实现水文预报与气象、水工程的耦合，深化水文预报与服务对象的关联；统筹考虑全省重要水库、防洪对象及干支流控制断面为节点的六大流域联合预报系统，实现预报方案全覆盖；充分利用数据挖掘、机器学习等新技术和方法，初步实现对重要河湖洪水过程的模拟推演和数字流场映射，实现预报调度一体化。

1）开发思路。建设洪水预报软件，依据流域实时降雨、水位、流量及气象网格化数值预报等信息以自动或交互模式实现洪水预报计算及相关分析功能，包括水文（位）站预报、水库入库流量（库水位）预报等。可任意选择多模型、多方法、多源预见期降雨进行并行作业预报，并具有基于机器学习的误差智能校正、人机交互分析和不同方案预报成果对比展示等功能。建设防洪调度软件用于汛期洪水调度决策支持，通过数据服务读取实时雨水情、基础数据库等，研判流域防洪情势，调用防洪调度模型，智能推选调度决策方案，选择重要防洪调度节点，利用水动力学模拟，构建面向重要防洪区域的洪水模拟仿真体系，实现其二三维等可视化表达。

2）功能模块。包括监视与评价、洪水预报、水量预测、防洪调度、水量调度、洪水调度模拟仿真及其他功能等七大部分模块[5]。

2.2.4 山洪灾害动态预警系统

充分考虑前期土壤含水量动态变化，进一步依据降水量预报结果延长预见期，小流域水文雨量监测与防护对象形成点-线-面联动的新一代山洪灾害预警系统。

1）开发思路。山洪灾害动态预警软件实现主要任务是基于山洪灾害调查评价项目、动态预警指标分析研究、不同预见期的降水量预报的成果及云南省实时雨水情信息，使用大数据、云计算、水文预警预报模型等，在山洪灾害防治项目开发的云南省山洪灾害气象预警软件基础上，计算全省 3 km×3 km 格点土壤含水率，实现未来 7，3，2，1 d 等不同时段以小流域为单元的区域山洪灾害动态风险预警，基于实测暴雨，实现受山洪威胁的河道、沿河村落、集镇、风景旅游区等实时山洪灾害动态预警，并根据山洪预警标准化和社会化发布技术研究成果，形成山洪预警标准化产品并对外发布。

2）功能模块。包括基础信息及雨水情查询管理，以及基于实测降水及来水的山洪灾害动态、基于预报降水的小流域山洪灾害动态风险、山洪灾害动态预警成果标准化制作等模块和系统集成 5 项建设内容[6]。

2.2.5 旱情监测预警系统

建立全省水文旱情监测预报体系，实现旱情监测要素的全覆盖收集汇总，构建旱情评价指标体系，实现准确、高效、及时发布实时水文旱情等级；结合中长期水文预报，构建旱情预测预报基础和工作机制，为全省抗旱减灾提供技术支撑。

1）开发思路。构建云南省旱情监测预报系统，建设过程中融合多源大数据和人工智能计算优势，实现对降水、流量、蒸发、墒情、水库蓄水、受灾程度等旱情监测要素的全覆盖收集汇总，基于多源数据获取，充分掌握土地利用、土壤类型、作物分布、灌溉情况等各种与旱情相关的下垫面信息，充分利用遥感影像数据，对现有国内外干旱评价指标的全部程序化应用，实现灌溉和非灌溉农业、林地、草地、生态湿地等旱情的综合评估。基于Copula 函数构建水文综合干旱指数，实现准确、高效、及时地发布实时水文旱情等级。结合中长期水文预报，开展不同时间尺度的旱情趋势预测，对重要河道实现旱情精细化预报。

2）功能模块。包括旱情数据查询、统计分析、对比研究、趋势预测，以及干旱指数分析、综合干旱评价等主要功能。

2.2.6 应急溃坝洪水预报预警系统

应急溃坝洪水预报预警系统是针对堰塞湖、水库溃坝、河道溃堤等突发水事件，快速开展突发地流域特征提取、应急洪水预报调度、溃坝洪水计算及洪水演进淹没分析等应急水文预报分析，并在短时间内提出相应分析成果，为应对突发水事件提供科学技术支撑[7]。

1）开发思路。系统基于数字高程地图，加工生成河网水系，具有数据资源新、分辨率高、覆盖范围广的特点，可以用于云南省任意地点的应急水文分析。通过地图标定或经纬度输入水事件突发地位置等方式，提供系统菜单，提取突发地的海拔高程、流域边界、坝上水位淹没水面边界及水位库容曲线等流域特征信息，建立云南省分布式水文模型参数库，依据突发地经纬度及流域边界，提取分布式水文模型产汇流参数，生成应急水文预报方案，并基于实时监测和数值预报的降雨信息，实时预报突发的洪水过程，并依据突发地水位库容信息开展水位分析计算。基于 SimpleDamBreak 溃坝模型，依据流域特征信息，通过设定突发地大坝高度、溃决宽度及坝体质地，分析计算溃坝洪水过程。通过设定突发地下游计算范围及输出断面，系统自动形成二维水力学模拟方案，分析计算下游所设定范围最大洪水淹没深度、洪水演进时间的分布图和断面洪峰水位流量统计表。

2）功能模块。包括应急水情监测、应急水文预报、溃坝计算、流域特征提取、河道演进、灾情评估和其他功能等模块的开发设计。

2.3 综合平台集成

智能化情报预报综合业务系统是基于大数据、云平台和微服务的水情综合平台建设，围绕“一个中心，多个应用系统”的核心思想，采用云计算、大数据分析与水情业务工作的结合，基于微服务架构逐步优化已开发业务应用中同类、共性的功能模块，通过资源、应用整合及综合展示，实现数据的统一汇集及应用，整合相关应用系统，达到对系统的单点登录、统一管理、有效结合的目的。提供全天候、全覆盖、全方位的技术支撑和数据服务，从而实现智慧水利的目标。

在大数据、云计算、微服务技术的基础上，以一张图的设计理念搭建智能化水情综合平台，按照一揽子覆盖水情全业务的思想，从监测、预报、预警、服务、管理多角度全面提升工作自动化和智能化水平，实现水情情报、预报日常工作的无人化，大幅提高水情管理和服务能力。用文字、表格、统计图、专题图、视频监控等多种展示方式，将防汛抗旱、水资源管理等信息集中在一张图上进行综合展示和分析，实现多水文业务的统一调度管理，综合展示水文各项专题和各类实时监测等信息。

实现移动-PC 终端的无缝对接，强化移动办公属性，各系统平台功能均能实现移动 App 的制作推送，在移动端均能实现各项基础业务功能并查询展示，实现一部手机水情通。

3 结语

水情信息化建设是实现水文现代化的基础、是实现水利智慧化的重要组成，是推动水文事业发展的必然要求，只有通过信息化、智慧化建设提升水文服务支撑能力，才能适应新时代对水文行业发展的要求。通过水情信息化的总体设计，为今后云南水情建设提供依据，但由于受制于现状条件及认知水平的限制，目前的设计和构想，在今后的建设实践过程当中肯定会发生偏差，这就需要根据新的形势、要求不断修正完善建设思路，既要有自始至终贯彻整合、统一的思路，更要有对基础应用做深做透的决心，牢固树立问题、目标和需求导向的建设思路，紧紧围绕水文勘测、水资源分析评价、水文情报预报等主责主业，聚焦工作当中的难点和痛点，充分利用信息化和现代化的手段解决和化解工作当中的问题，提升服务能力，真正实现信息化促进工作提质增效，促进行业发展。