中小河流预警预报软件与关键技术

柳 林，徐 嘉

（海河水利委员会水文局，天津 300170）

1 引言

近年来，受气候变化影响，中国中小河流洪水灾害十分严重，暴露出了中国中小河流防洪减灾的突出问题。根据《全国中小河流治理和病险水库除险加固、山洪地质灾害防御和综合治理总体规划》，中国将用5年时间对洪涝灾害易发、保护区人口密集、保护对象重要的5 000多条中小河流重点河段进行集中治理，从整体上提升流域防洪保障水平。到2015年，全国各地将完成中小河流预警预报系统建设，确保有防洪任务的5 186条中小河流发生洪水时能及时预警，为中国中小河流水资源开发利用与保护、防洪减灾及中小水库的安全运行提供决策依据。

中小河流预警预报软件系统以实时水雨情、气象等数据的采集、存储和管理为基础，运用先进的水利技术和信息技术，以河流预警预报业务为核心，整合山洪预警系统和水资源管理系统，建立服务于中小河流的洪水预报、水情查询、站网管理、综合业务管理、预警预报服务、空间服务的信息化作业平台和决策会商支撑环境，确保河流发生洪水时能及时预警，提高洪水预报的精度和预见期，提升水文的服务能力和服务水平。

2 系统总体设计

2.1 设计原则

（1）实用性和可行性。系统以满足河流洪水预警预报为最高要求，一切开发和应用设计以实际业务需求为出发点进行，所开发的软件系统平台要符合本地区暴雨洪水特性及工程特性，满足实际工作需要。

（2）先进性和成熟性。既要采用先进的技术，又要注意思维的合理性、模型的成熟度和方法的正确性，做到先进性与成熟性并重。

（3）可靠性和稳定性。从系统结构、技术措施、系统管理等方面着手，确保系统运行的可靠性和稳定性。

（4）可扩展性及易升级性。为适应应用不断拓展的需要，系统必须有良好的可扩充性。

（5）可管理性和可维护性。整个系统是由多个子系统组成，为了便于系统的日常运行维护和管理，要求所选系统体系结构具有良好的可管理性和可维护性。

2.2 设计思路

在中国洪水预报系统、防汛指挥系统一期工程洪水预报系统的基础上，依据大江大河水情监测、洪水预报的经验成果，结合中小河流的特点，分析研究系统建设的关键问题，以河流预警预报业务为核心，以中小河流水情监测为重点，全面整合山洪预警系统和水资源管理系统，满足水文部门综合业务管理和站网管理需要，为决策支持提供强大的支持环境。

针对省局、地市在水情查询、洪水预报、站网管理、业务管理等方面不同的应用需求，系统在纵向结构上分为省、地市两级建设。

2.3 总体框架

系统总体逻辑框架是系统的核心，充分考虑架构的健壮性、可扩展性、互操作性、稳定性、可移植性和安全性等因素，结合项目的具体建设内容及要求，将系统总体逻辑架构自下至上分为基础设施层、数据资源层、应用支撑层、业务应用层、用户层；同时，运维管理体系、标准规范体系贯穿整个系统，如图1所示。

（1）基础设施。即预警预报系统运行环境，包括应用服务器、数据库服务器、工作站、数据库管理系统、操作系统、GIS系统等基础软硬件产品。

图1 系统总体框架

（2）数据资源。数据资源是软件平台的基础，采用成熟的数据库管理系统对所有资源数据进行存储和管理。包括基础信息数据库、实时水雨情数据库、水文数据库、气象信息库、防洪工程数据库、洪水预报数据库、社会经济数据库、地理空间数据库等。并整合分中心、山洪灾害等以前所建遥测站点数据。

（3）应用支撑平台。应用支撑平台是一个信息集成环境，将分散、异构的应用和信息资源进行聚合，实现结构化数据资源、非结构化文档和互联网资源及各种应用系统跨系统平台的无缝接入和集成，提供一个支持信息访问、传递以及协作的集成化环境，实现对业务应用的高效开发、集成、部署与管理，并根据业务系统的规划需求提供相应的二次开发接口，对相互关联的数据进行相关的事务处理。

（4）业务应用系统。主要包括洪水预报系统、水情查询系统、站网管理系统、综合业务管理系统、智慧预警服务系统、空间服务系统，是中小河流预警预报系统的核心。

（5）门户系统。通过门户来实现对应用的访问，包括访问各种应用资源和数据资源的各种服务。统一集成所有业务和信息服务，为用户提供全部应用的统一入口；同时，结合权限控制，实现个性化信息服务。

（6）运维管理体系。运维管理体系是贯穿系统设计到运行全过程的保障体系，主要包括各个业务应用的系统维护管理、服务维护管理以及网络安全管理。运维管理是关系到系统能否正常运转、发挥效能的关键因素。因此，在系统配置过程中要充分考虑系统建设中和建成后的运行维护问题，采用集中式配置，以降低后续运行维护成本。

（7）标准规范体系。它是指水文监测国家标准和行业标准以及相关规范。标准化和规范化建设是重要的基础性工作，是实现水文信息化建设目标，保证信息交换、共享和应用支持有效性和可行性的重要前提。

2.4 技术架构

在技术路线的选择上，采用了符合SOA体系架构的设计思想及当前业界主流的J2EE技术路线，可以满足跨硬件平台、跨操作系统的要求。技术架构，如图2所示。

图2 技术架构

Java技术由于其跨平台特性、面向对象特性、安全特性等，把数据库访问、企业级Java组件、命名和目录服务、动态页面生成、XML、事务服务等有机地集成在一起，并且提供集群等高级特性，使之特别适合构建复杂的大型应用系统，并保证系统具有很好的可扩展性。

中小河流预警预报软件系统是采用Java开发的B/S 架构系统，可以在绝大部分的硬件设备（IBM、SUN、HP等）、操作系统（Windows、Unix、Linux、So1ar⁃is 等）、中间件（WebLogic、WebSphere、tomcat 等）上运行，支持多种数据库及其数据相互转换。

3 业务系统设计

3.1 洪水预报系统

将洪水预报数学模型的计算分析、预报信息的分布服务联为一体，通过分析研究洪水特点及流域地形地貌特征，采用水文学、水力学、河流动力学等相结合的方法，建立实用的洪水预报经验方案和数学预报模型。在实际应用中，以实时雨情、水情、工情、气象等各类实时信息作为输入，通过启动预报模型和方法，对洪峰水位（流量）、洪水过程、洪量等洪水要素进行实时预报，为防汛减灾指挥部门提供决策依据。洪水预报软件，如图3所示。

图3 洪水预报软件

洪水预报系统功能主要包括预报方案库管理、预报模型库管理、历史洪水数据库管理、预报方案参数率定、实时预报、中长期洪水预报、区县洪水预报，实现中小河流洪峰及涨、退水过程预报，针对某一站点可以选择所有模型进行试算，并选择最优方案；实现洪水预报模型、预报方案的管理；结合预报模型对中长期洪水进行年、月、旬预报；实现断面的实时洪水预报。具体功能模块，如图4所示。

图4 洪水预报系统功能模块

3.2 水情查询系统

以水情数据库、地理信息数据库为支撑，以Web GIS 及各种图表为信息展示方式，以信息管理（包括雨情、水情、墒情等）、信息查询、常用业务分析为主要内容，提供雨情、水情、墒情等方面直观的信息查询、图形显示、报表输出及辅助决策分析服务。水情查询系统构成，如图5所示。

图5 水情查询系统构成

其建设内容包括：①建设雨情、水情以及各种水情业务信息的质量监控子系统；②建设实时气象、数值预报、实时雨情、实时水情等各种水情信息的监视和查询子系统；③建设综合全面的信息分析子系统，对实时雨情、水情等各种水情业务信息从空间和时间上进行多维的对比分析处理；④建设面向空间层次体系的数据结构，对实时雨情、水情等各种水情业务信息以空间多维形式展示；⑤建设产品制作子系统，包括各类文档报表制作以及雨情、水情等各种水情业务信息的信息发布。

3.3 测站管理系统

建立统一的站网基础数据共享平台，利用数据库管理和GIS空间分析技术，建立涵盖所有水文站网管理、可进行站网布局与自然和社会经济关系分析的管理信息系统，为站网调整和建设服务。站网管理系统提供多种信息管理，主要包括基础类信息管理、站网规划、站点分布图、站点查询统计、站点设备配置、站点编码管理、年极值系列维护、极值系列统计、资料整编等。

3.4 综合业务管理系统

用于处理日常办公文档、值班业务、短信息、系统用户和权限管理、数据库管理和维护的信息综合管理服务平台，协助工作人员便捷、高效完成日常公文处理、数据管理、用户管理等系统管理维护工作。该系统结合水情值班实际，以实用为目的，充分满足水情值班人员的日常工作需要。综合业务管理系统构成，如图6所示。

3.5 智慧预警服务系统

建立一套先进的中小河流预警分析、预警信息发布和应急响应管理系统，为防御灾害、确保人民群众生命财产安全提供信息和技术支撑。预警服务系统对实时水雨情数据、预报数据，结合相关的模型参数进行分析，根据不同的预警级别分别给出相关提示信息，并结合经济社会信息数据自动分析影响范围、预警对象等，发送预警信息，动态跟踪预警信息的发送结果及反馈等信息。智慧预警服务系统构成，如图7所示。

图6 综合业务管理系统构成

图7 智慧预警服务系统构成

其主要包括以下建设内容：①建立预警模型数据库，包括测站预警指标模型、流域预警指标模型；②开发一套预警信息分析系统，包括数据读取、指标分析、预警分级、生成预警信息、预警列表、预警图示和测站预警指标模型管理等功能，系统支持单站临界雨量分析、区域山洪临界雨量分析、内插法分析、比拟法分析、灾害与降雨频率分析、动态临界雨量分析等；③开发一套预警信息发布管理系统，包括预警部门信息管理、预警人员信息管理、预警信息发布、预警反馈信息管理、历史记录管理、预警终端设备管理、预警信息获取、短信队列管理、自动发送短信和自定义短信等功能。

3.6 空间服务系统

通过运用3S技术，实现水利信息数据的空间存储管理、空间查询、专题地图制作和输出、洪水淹没模型建立、空间分析等，从而使空间服务系统起到辅助决策的作用，为水利部门和领导提供科学的决策依据。空间服务系统构成，如图8所示。

系统功能主要包括：专题图制作、空间查询、缓冲区分析、在线标绘图形输出、影像数据管理、三维展示等。

4 关键预报模型技术

4.1 集总式模型

水文预报模型是随着计算机技术应用和发展而产生的一种对流域内发生的水文过程进行模拟的技术，通过一系列数学方程来模拟水文自然过程。预报模型是洪水预报系统的核心，洪水预报系统就是紧紧围绕预报模型、管理和运行预报模型，展现预报模型运行结果。

目前，中小河流预警预报系统已经涵盖模型构件35个，包括国内常用的模型[如三水源蓄满产流模型（SMS_3）、单一线降雨径流相关法（P_RWLL）、多线降雨径流相关法（P_RZHJR）、萨克拉门托模型（SAC）、三水源滞后演算法（LAG_3）、分段马斯京根河道演算法（MSK）、经验单位线（UH_B）、汇流系数法（UH_C）、扩散波模型（KSB）]以及各级流域机构、省水文部门依据预报对象特定情况开发的特定断面经验模型（如长江水利委员会水文局开发的螺山站经验预报模型、黄河水利委员会水文局开发的花园口站经验预报模型、湖北省水文局开发的沙市站经验预报模型等）。

4.2 分布式水文模型

中小河流洪水具有突发性强、流速快、预见期短以及分布广的特点，因此中小河流洪水预报与常规水文预报的思路有所不同。

中小河流洪水易发区一般水文资料较少，集总式模型比分布式水文模型对资料的要求要高，给模型参数率定和检验带来困难。

传统的集总式模型往往是将研究区域当作一个总体来考虑其与外界的物质能量交换，很难给出流域内部的水文过程描述。分布式水文模型与传统的集总式水文模型相比，充分考虑了流域空间变异性，针对中小河流突发性洪水特点，通过利用高精度数字高程模型（DEM）生成数字流域，构建分布式产汇流模型，进而获得每个子流域出口断面的洪水预报数据，能够更加客观科学地揭示流域内的水文循环过程。基于气象卫星、天气雷达、地面雨量站点相结合的多源信息融合技术，应用气象模型与分布式水文模型耦合的模式可以相对准确地预测中小河流洪水易发区未来几个小时降雨，并用未来降雨进行水文模拟计算，可以有效提高中小河流洪水预报的预见期。

4.3 相关图法经验模型

系统目前支持降水径流相关法、相应水位（流量）法等。

4.3.1 水位流量关系

流量的测算比较复杂，不可能也没有必要通过连续观测来直接点绘流量过程线；而水位的观测比较容易，且水位随时间的变化过程较易获得。水文站一般是通过一定次数的流量测验，根据实测的水位和流量的对应资料建立水位与流量的关系曲线。通过水位流量关系曲线，可以把水位变化过程转换成相应的流量变化过程。

图8 空间服务系统构成

4.3.2 降水径流相关法（API）

降雨径流相关法是以流域产流的物理机制为基础，以主要影响因素作参变量，建立降雨量（P）与产流量（R）之间的相关关系。降雨径流相关法常配合单位线进行区间径流模拟及预报。常用的参变量有前期雨量指数（Pa）（反映前期土湿）、季节或月份、周次（反映洪水发生时间）和降雨历时（T）或降雨强度等，也有反映雨型、暴雨中心位置等因素的参变量。常用的是三变量相关图。以次降雨量（P）为纵坐标，以相应的径流深R（Rs）为横坐标，可按对应的P、R（Rs）在图上绘一个点，并把它的Pa值注在点旁，然后按点群分布的趋势，照顾大多数点，绘出以Pa为参数的等值线，即为P－Pa－R（Rs）三变量相关图法。降水径流相关法，如图9所示。

4.3.3 相应水位（流量）法

相应水位（流量）法是用已知河段上断面的水位（流量），预报河段下断面的水位（流量）的方法。同时，对于多支流河段相应水位（流量）预报可采用合成流量法，即下游站的预报流量与上游干支流相应流量之和形成的。

图9 降水径流相关法

5 结语

中小河流预警预报软件系统的建设，可以全面提高中小河流水文监测和预警预报能力，为决策人员提供很好的支持；逐步建立集信息管理与服务、信息统计分析与专业应用和决策支持于一体的水文信息服务体系，为各地区经济社会发展和综合治理提供全方位的水文信息服务。