长江流域水文气象信息服务体系设计与实践

秦 昊，王立海，陈瑜彬，顾 丽

（长江水利委员会水文局，湖北 武汉 430010）

0 引言

随着长江流域综合治理能力的不断提升及社会关注度的增加，对水文气象信息服务的要求也日益提高。建设一套完善的水文气象信息服务体系，向流域管理机构、关键枢纽工程、地方政府及社会公众，提供细致规范、针对性强的水文气象信息服务产品，对保障长江流域大江大河防汛抗旱、水库群联合调度，以及水资源管理与保护[1]等工作具有很强的现实意义。

目前，通过互联网、数据挖掘等信息化方法，水文气象相关部门建成了各类不同的信息服务系统，如长江流域气象服务综合业务系统[2]、洪水预警预报系统[3]、泥沙远程监测云平台[4]、水库自动化监测调度系统[5]等，信息共享与分析能力取得了较大的提高。这些系统往往比较独立，针对不同的领域，提供专业的信息服务。

近年来，长江流域水库群信息共享平台[6]、水情 App 及预报调度系统[7]等服务相继建设，为全方位、多角度的水文气象信息服务提供了基础，本研究通过梳理各系统之间的关系，按照数据处理的流程，详细分析长江流域水文气象信息服务体系，以期为其他流域的信息服务建设提供参考 。

1 体系架构

水文气象信息服务体系涵盖长江流域水文气象服务的信息收集、产品制作、资料管理及对外发布等业务的全流程，为长江流域水旱灾害预报预警、水工程调度、水资源管理与保护及相关涉水部门，提供全面、专业、定制化的水文气象信息服务。体系架构如图 1 所示。

图1 长江流域水文气象信息服务体系架构

水文气象信息服务体系包含的 5 个方面内容具体分析如下：

1）数据存储。为整个信息服务体系提供基础的存储能力，信息类型包括结构化和非结构化数据。

2）信息交换。负责信息的收集与共享，通过水情信息交换系统、水库群信息共享系统、气象信息专网等渠道，实现长江流域雨水情实时信息的收集及对外数据的共享。

3）内部作业平台。为水文气象服务产品制作提供有力的生产工具，包括以下 3 个系统：a．数据处理系统。主要为信息服务提供数据支撑能力，实现各时间尺度水文气象站点特征值的统计、面雨量的生成、雨量图的绘制，以及气象模式预报产品的制作等功能。b．预报调度系统。作为目前主要的业务系统，在长江流域水文气象信息综合展示的基础上，通过预报演算、专家交互式调度分析和会商决策，生成水文气象预报、水资源预测、洪水预警、编号洪水及各类雨水情分析材料，为防洪调度、水资源管理与保护提供支撑。c．水资源管理系统。主要提供用水总量控制和河流水质保护等功能。

4）对外服务平台。作为水文气象产品的发布系统，包括信息交换、水库群信息共享、水资源信息共享、信息推送和预警发布等系统，以及长江水情手机应用（即长江水情 App），根据服务对象及方式的不同，提供定制化的水文气象信息服务。

5）信息管理平台。主要负责水文气象信息产品（如文档类、图片类、数据类产品）的管理，实现产品上传、分类管理、对外发布等功能。信息管理平台作为体系架构的中间层，提供完善的数据存储和访问接口；内部作业平台通过调用信息管理平台获取实况数据，保存计算结果；对外服务平台通过信息管理平台实现产品服务，确保数据的唯一性和可溯性。

2 体系业务功能

2.1 信息收集

长江流域水文气象信息来源广泛，类型多样。以长江流域实时雨水情信息为例，信息主要来源为各相关部门测站信息报送， 2021年全流域共计报送站点近 3 万个，包括各省（自治区、直辖市）水文部门报汛站 7 000 余个、水库部门报汛站 1 000 余个、长江水利委员会水文局报汛站 250 余个、气象部门报送雨量站点 2 万余个。

长江流域水文气象信息结构化数据按照数据类型分类，包括基础、监测、历史等数据；按照专业门类划分，包括雨水情、泥沙、工情、水生态、墒情、水质等信息。非结构化数据类型较多，格式复杂，包括气象模式预报文件、雷达原始文件、卫星云图、水库调度方案、调度规划、视频流、地理信息等。

雨水情实时数据主要通过交换系统进行数据的收集与共享，通过在各级水文部门和干支流水库梯级调度中心部署交换系统节点，可以实现点对点的实时和预报数据的交换。气象分析材料、水库调度、地理等非结构化数据由于种类多样，主要通过文件共享的方式进行数据传输。

所有信息及服务产品统一存储于数据仓库内，其中结构化信息采用数据库存储，非结构化数据采用文件系统存储。

2.2 信息管理

信息管理功能为上层的内部作业和对外服务平台提供数据及服务产品的资源统一管理，主要由信息存储、溯源、管理，以及产品资源注册、对外服务接口等功能组成，所有的数据和产品都由信息管理平台进行分发，包括数据、文档、图片等，起到数据中台的作用。长江流域水文气象服务体系中信息处理流程如图 2 所示。

图2 信息处理流程

整个水文气象产品从制作到发布分为以下 5 个步骤：

1）内部作业平台通过调用信息管理平台中的数据接口，从数据存储中抽取各类水文气象信息，进行展示。

2）内部用户如预报员、防汛组成员、防汛会商用户等，通过内部作业平台中展示的信息进行水情气象情势研判，并根据需要制作各类服务产品。

3）内部用户在制作完相应服务产品并提交审核后，即可在信息管理平台中进行产品资源注册。

4）所有注册的产品都会生成唯一的统一资源标识符（URI）。针对数据类产品，如水文气象预报，将会直接通过交换系统将预报数据发送到指定部门的数据库中；对于各类雨水情分析材料等文档类产品，系统会生成服务接口链接，供对外服务平台调用。

5）外部用户可通过访问对外服务平台，或者通过推送的方式，获取定制化的水文气象信息服务。

信息管理平台的核心是产品资源注册系统，注册过程分为人工和自动注册 2 种。在数据处理系统中由系统自动生成的产品，如雨量图、模式预报产品图等会自动完成注册程序；其他用户编写的服务产品，如分析材料等由人工完成注册工作。

用户在系统管理平台注册时，会记录下产品的类型、生成时间、生成用户、产品名称等有关的元数据，用于归类存档、数据溯源和 URI 的生成。系统会根据上述元数据，利用 Hash 算法，按照 URI 的文法规则，生成唯一的 URI，供对外服务平台通过服务接口获取特定产品。

2.3 产品制作

产品制作功能主要由数据处理、预报调度及水资源管理等系统提供。

2.3.1 数据处理系统

数据处理系统主要为雨水情形势研判提供自动化的数据产品服务，具体包括日、旬、月、年不同时间尺度的测站特征值计算，长江流域各分区面雨量、合成流量计算，以及实况面雨量图、距平图、气象模式预报产品图等各类水文气象产品的生成功能。

数据处理系统的工作流程如图 3 所示。各类原始数据存储于原始数据库中，数据处理系统通过定时任务或者人工操作的方式，从原始数据库抽取数据，调用各类产品生成计算单元，生成对应的服务产品，并提交信息管理平台完成产品的注册。

图3 数据处理系统工作流程

数据处理系统提供完善的任务管理能力，可以针对每一类计算单元指定自动运行的时间、次数及故障告警，确保产品能够成功生成。

2.3.2 预报调度系统

长江洪水预报调度系统覆盖长江流域主要防洪地区，集洪水预报与防洪调度于一体，采用 B/S 系统结构设计。预报调度系统在充分利用现有水文气象预报技术手段、长江流域各种调度研究成果的基础上，通过对洪水预报方案的修订和补充，江河湖库调度模型的研究，整合了长江防洪、雨水情、调度等各种资源和信息，建立基于流域地图的各类信息融合展示平台，实现了自动预报计算、交互式调度、雨水情监视、防洪形势分析等功能，是长江防洪调度指挥决策的有力分析计算工具[8]。

在长江流域水文气象信息服务体系中，长江洪水预报调度系统作为主要的内部作业系统，主要功能包括水文气象预报、会商分析材料、调度方案及各类重要雨水情报告的制作，是预报人员进行各类材料编写的信息服务平台。

预报调度系统除了实现信息汇总展示外，还提供各类文档的标准化模板，可以定制化地自动生成水情公报、雨水情综述、汛期简报等材料，通过选择文档类型及关注区域，自动检索相关数据，完成材料的生成，减少预报员的重复性工作。

2.3.3 水资源管理系统

水资源管理系统主要实现用水总量控制和河流水质保护等功能。水资源管理单元是流域内的行政区，与以往的水文学河流控制断面概念不同，必须与国家行政区分级管理体制相适应。

1）用水总量控制。用水总量控制方面的管理目标是合理分水与管住用水。通过水资源管理系统，能够获取河流的水量信息，包括各种特征水文年（保证率）、现状及预测预报等水量信息，数据主要由测站监测信息提供。分水信息包括河流的生产、生活、生态用水分配，以及流域内各行政区单元的用水总量分配限额等信息，由专业咨询机构编制，上级主管部门批准，其信息通过交换系统及跨部门共建共享机制获得。为了服务管住用水的目标，水文或第三方服务机构通过对河流行政区进出口断面、取水口的水量监测等，获取行政区域（河流外）的实际用水量、退水量及耗水量信息，为行政区用水总量控制的实施、考核与评价提供信息支持。

2）河流水质保护。河流水质保护方面的管理目标是控制入河污染与改善河湖水质，前者是事前事中的根本措施，后者是事后的评价结果。根据水质管理目标及水文统计概率，可以计算不同保证率下的河流水量及纳污容量。由此，可以依据不同保证率的河流纳污容量计算相应的入河污染物总量限额，再按规则将入河污染物总量限额分解到各相关行政区。各相关行政区入河污染物总量限额的确立，为具体的排污许可管理提供了坚实可靠的基础。此外，目前信息管理平台已经能够提供河流控制断面的水量及输沙量信息（也称为河流通量监测信息）。经过数据建模与处理，可以提供流域内行政区单元的径流量（产流量）及产沙量信息，为河流水质保护提供客观量化的指标。

2.4 对外服务

2.4.1 水库群信息共享系统

受工作体制、管理机制及安全性和保密性等多方面因素影响，长江流域大中型及所属水库部门的雨水情信息无法直接互连互通，无法满足水库联合调度等工作需要。水库群信息共享平台通过在各水库部门建立数据转存系统，打破了信息壁垒，实现了水库的实时运行情况、发电调度等计划文档的信息共享，以及查询及资料检索等功能。目前，水库群信息共享系统已经成为对外服务窗口，向长江流域各省水利部门、中部战区、国家电网、电力集团、水库部门等共计 56 家单位提供定制化的雨水情服务。

水库群信息共享系统主要提供实况监控、信息填报、气象和水情信息服务及通知公告等功能。部分功能分析如下：

1）实况监控功能。主要展示流域内雨水情信息，利用各类数据可视化手段，通过图、表和 GIS地图等方式展现全流域收集到的各类数据，同时对数据进行深加工与分析，提取有价值的信息辅助决策分析。

2）信息填报功能。信息填报功能作为信息交换的补充，在不具备网络环境时，可以人工上报报汛信息、调度计划、水库超汛限运行情况等。

3）雨水情信息服务功能。提供定制化的文档和图像等产品的检索、查询、下载等功能。

水库群信息共享系统通过信息管理平台获取相关产品信息，调用对外服务接口，进行分门别类的展示，为不同的用户提供专业的水文气象信息服务。

水库群信息共享系统提供细粒度的权限控制功能，根据目标对象的不同，提供不同的水情气象产品，控制粒度具体到测站的数据类别，即对不同用户展示不同的站点信息及服务产品。

2.4.2 长江水情 App

长江水情 App 是专门为从事长江流域各项水利工作的用户开发的一款手机 App，支持安卓和 iOS 操作系统，适配主流的手机型号。截至 2021年底，长江水情 App 注册用户已达到 1 000 人，包括长江流域站点实时与历史信息查询、各类气象水情分析数据检索、水库运行状况查询、手机报汛、实时雨水情综述、热点水情信息推送、防汛巡查记录、站点及巡查事件定位，以及雨水情预报及相关分析材料查询等功能，基本覆盖了日常工作所需的各类信息，信息展示界面示例如图 4 所示。

图4 长江水情 App 信息展示界面

长江水情 App 作为移动端操作平台，提供泛在化的水文气象信息服务，便于用户随时随地掌握当前的雨水情形势。同时，App 提供站点巡查功能，用户在现场查勘时，可以通过定位及时了解周边状况，并拍摄照片视频，联动预报调度系统，便于会商时及时掌握现场状况。

此外，长江水情 App 也是信息推送系统的组成部分，用于接收定制化的雨水情消息，包括热点雨水情、重要雨水情报告、洪水编号、洪水预警、汛情短信等消息。

2.4.3 信息推送系统

信息推送系统作为水文气象产品的主要对外发布手段，实现覆盖面广、定制化、多渠道的信息发布功能，包括以下信息推送服务：

1）针对专业用户的信息服务。主要通过短信、邮件、传真及长江水情 App 的方式进行推送，信息内容包括干支流水情、短中长期降雨、延伸期、长期等预报，重要雨水情报告、综合分析，以及汛情简报、水资源预测等。

2）针对公众的信息服务。主要通过门户网站、长江水情公众号及相关媒体进行推送，信息内容包括洪水预警、编号，以及热点水情等。

信息推送系统利用统一的推送后台，将信息管理平台中的雨水情数据及各类信息服务产品，按照不同的用户要求，进行定制化的推送。其中：短信、邮件和传真按照预先定义的名单，通过专用渠道发送；手机终端，则通过后台推送和智能推送相结合的方式完成。

基于场景感知的雨水情信息智能推送是利用移动设备获取的位置信息，结合地图服务获取的数据，按照不同的用户类型，将各类水情信息，智能推送到用户的终端中，实现包括雨水情实时信息查看，测站特性、特征值检索，河道断面查看，降雨、水文预报查看，超警信息监控等功能，以满足不同用户的需求。

雨水情信息智能推送技术涉及硬件、终端 2 个设备和地图及雨水情 2 个服务，推送流程如图 5 所示。

图5 基于场景感知的雨水情推送流程图

具体推送过程如下：

1）用户在终端设备打开相应软件，并授权软件允许获取用户的地理信息；

2）终端设备通过卫星、基站、Wi-Fi 热点等方式，确定用户所在的地理位置；

3）终端设备将获取的位置信息，发送给地图定位服务，地图服务将地图信息，以及周边地形、站点等地理信息返回给终端设备。

4）终端设备根据地图服务返回的结果，将用户、周边站点及地理信息发送到雨水情服务。雨水情服务根据测站信息，在雨水情数据库中查找相关站点的实时信息，同时根据地理位置和用户信息，有针对性地推荐用户感兴趣的当地水文相关信息。

5）信息发送到用户终端设备后，在相应的软件中进行直观的展示，包括各类图表、图片、视频及报警的展示。

2.4.4 预警发布系统

预警信息发布主要根据《长江水情预警发布管理办法（试行）》的有关规定进行编制与发布。

预警的发布主要通过全国水情预警汇集系统进行对外发布，同时，也会利用信息推送系统，将预警信息推送到门户网站、手机终端、手机短信，便于不用用户及时掌握信息。

2.4.5 水资源信息共享系统

考虑到水文气象信息在水资源管理与保护中的重要作用，以汉江流域为例，建设了水资源信息共享系统。共享系统以实时水情水量数据的采集、存储、共享和管理为基础，运用先进信息技术，以汉江流域水资源调度业务为核心，实现短中长期水量预测、可供水量分析、实时水量调度方案制作、调度方案评估、调度成果管理、应急调度管理等业务功能，构建覆盖整个汉江流域干流及主要支流的水资源调度方案体系；分析汉江流域水资源调度方案及相关调度研究成果，提出实时水量调度的实现方式；研究建立各水库、河流、取用水工程、跨流域引调水工程等水资源调度方案，为汉江流域水资源调度提供信息化作业平台和决策会商支撑环境，并将各类成果与流域相关省市共享，为汉江流域水资源合理调度提供决策依据。

水资源信息共享系统监视功能展示了各水量控制断面、水质断面、水功能区、重要水库工程、取用水工程、引调水工程、流域内各行政区、取用水户等基础信息，并针对最小生态流量、取用水指标等项目进行预警。

汉江流域水资源信息共享系统实现了各省级行政区的年度用水计划建议的填报管理功能，包括用水计划申报，以及调度计划制定、评估、管理、核定等功能。综合考虑各省级行政区上报的年度用水、控制性水库调度等计划，主要水利水电工程最小下泄流量指标，同时考虑生态和下游生活、工业、灌溉、航运等用水需求初始及约束条件，配置汉江流域水资源调度模型，进行水量调度计算，动态生成多种水量调度计划方案。系统根据各水资源监控管理节点水量调度计划方案，自动生成全流域年度水量调度计划报告。此外，各省级水行政主管部门可以通过水资源信息共享系统查看与填报相关的用水计划、调度计划和已用水量等数据与报告，实现流域内各省之间的信息共享。

3 体系应用

长江流域水文气象信息服务体系得益于信息化的发展，从最早的发报传真方式，发展到目前的各项自动化平台，经过了多次产品的更新迭代。现在的整套系统从 2014年开始建设，到 2018年各平台逐步建成，形成了完整的全场景水文气象信息服务矩阵，成功经受了多次大洪水的考验。

在 2020年的长江流域性大洪水中，长江流域水文气象信息服务体系发挥了重要的数据共享和决策支撑作用，及时为从事长江流域防汛抗洪的各类用户提供精准、高效、便捷的信息服务：

1）专业信息服务方面。截至 2020年9月底，共发布干支流水情预报 380 期（其中干流水情、汉江、荆江三口等的预报分别为 273，73，34 期）、短中长期降雨预报 341 期（其中短中期、延伸期、长期预报分别为 205，130，6 期），发布重要雨水情报告及分析材料 204 期（其中重要雨水情报告、雨水情综合分析、汛情简报、水资源预测分别为 57，130，5，12 期），发布编号洪水 8 期（其中长江干流、乌江、嘉陵江等编号洪水分别为 5，1，2 期），共发布洪水预警 35 期（其中洪水蓝色、黄色、橙色、红色预警分别为 1，13，17，4 期），及时推送实况提示、雨水情分析等各类短信共计 4.81 万余条，通过长江水情 App 推送热点水情等各类消息共计 16.6 万余人次。

2）公众信息服务方面。汛期，长江水情公众号共发布相关专题报道 30 余篇，多篇文章阅读量破万，并通过其他媒体广泛传播。在微博平台，有关长江流域 2020年洪水新闻屡次登顶热搜，其中关于“长江 2020年第 2 号洪水”话题阅读量达到3 083.6 万次，超过 1.5 万人参与讨论，为公众了解长江流域汛情及防汛工作提供了平台。

4 结语

长江流域水文气象信息服务体系基于全场景信息制作推送模式，打通了内部作业平台和对外服务平台的信息传输，包含了完整的信息接收、处理、产品制作到对外服务的工作链条，利用信息管理平台对各类数据资源和作业系统生成的产品进行统一管理，实现了信息服务的智能生成和推送，在减轻人力成本的同时，提供了细致化、个性化、专业化的水文气象信息产品服务，在 2020年及历次长江流域大洪水中，发挥了积极的作用。

今后，将进一步完善信息服务体系的各项功能建设，扩展水质、水环境等基础数据，实现流域水文气象全要素的信息汇集，加强水资源管理与保护方面的服务能力，增加洪水灾害风险图管理、城市洪涝灾害预警等信息服务内容，开展旱情预警研究，推动水资源管理创新，促进经济社会绿色可持续发展。