基于小流域水情测报系统的雨水情监控及预警程序的开发与应用

肖杨 李戴玉 罗立军 李晓龙

关键词：小流域水情测报系统；雨水情监控；预警程序；开发与应用

1引言

本文主要针对小流域水情测報系统雨水情监控及预警程序的开发与应用进行详细分析。结合实际项目案例——某抽水蓄能电站，分析项目目的及意义，发展现状，研究技术路线，剖析项目主要内容，阐述了项目的实际开发与应用，最终结合上述论述，阐明项目开发应用效果，旨在为相关业界人士提供参考。

2概述

2.1项目目的及意义

近年来，极端、恶劣天气的出现频率不断增加，局部强降雨和短历日寸降雨次数越来越多，造成的破坏在小流域上表现得极其显著。由于小流域面积小、水流汇流时间短，在强降雨期间，形成的洪水不但不能预见，而且峰高量大，严重影响了汛期工程建设安全，甚至会对相关工作人员的生命造成威胁。过去在进行防汛值班工作时，相关工作者需全天候待命，守在机房的智能监控系统前，持续监控和值守雨水情数据，相关工作量大、效率较低，对人力和物力资源造成了严重浪费。因此，本文以长江流域某支流小流域为例，以现有水情测报系统数据库为基础，借助B/S构架，开发一个以Java编程语言为主的Windows桌面应用程序，利用程序界面，直观展示雨水情数据，对相关数据进行实时更新，采取自动声音、文字报警方式，对雨量和水位预警阈值进行设定，为相关预警信息的快速发布提供技术支持。

2.2发展现状

目前，小水电流域雨水情遥测站点稀少或未建，缺少可靠的雨水情监测、预报、预警，数字化、自动化水平较低，且小水电防洪标准较低，随着强降雨等气象与地质灾害频发、多灾并发，小水电遭遇暴雨洪水、泥石流等自然灾害的风险加大。

2.2.1存在的问题

（1）小水电雨水情测报方面。目前，各流域电站主要通过自主建设或利用水文与气象部门建设的雨量站、水位站、水文站进行落地降雨测报与计算、河段实际水位测报与流量计算等，应用较为成熟，但依赖建设的流域遥测站系统。

（2）小水电水文预报方面。目前，各小水电站的预测预报仅能以实时降水数据进行实时预报，其预报范围较小，预报精度还需进一步提高，未考虑未来天气影响情况，特别是对于短历时的山洪小流域强降雨，其预报时效较差，预测预报相对滞后，难以指导预警发布和支持辅助决策。

（3）小水电经济调度方面。小水电站若通过传统水利信息化模式，建设流域遥测站系统进行雨水情测报预报，存在投资大、维护难、数据不全面、预见期短等突出问题，各电站难以承担。

为实现对小水电的流域雨水情监测、洪水预报、防洪减灾预警以及经济运行，研究开发基于水文气象大数据的小水电站水情预报系统，服务支撑小水电水文预报、防洪减灾、经济运行等业务，提高小水电水能利用率增发电量，提升小水电防洪减灾保障水平，实现小水电提质增效。

2.2.2解决方式

（1）降水计算。在预报模型中，对实测降雨及预报降雨过程采用网格化处理，根据网格化数据，计算并提供各小水电站及其流域实况降水与历史降水数据。

（2）水文预报。基于水电站基础信息以及流域拓扑关系，利用流域降水数据，开发配置通用型分布式水文模型，基于已构建的分布式水文模型，通过输入不同的降水数据对水电站进行来水预报计算。

（3）减灾预警。利用历史降水数据计算得到近年来断面的洪水过程及多年平均流量。然后通过排频法计算洪峰对应的频率，按照洪水预警规则进行预警，保障小水电运行安全。

（4）经济调度。基于水文预报预测计算水电站发电量，并研究制定小水电不同来水状况的运行规则与方案，指导小水电运行调度，提升经济运行效率。

3技术路线

通过多学科交叉应用，基于水电站的基础信息和流域拓扑关系，利用地理信息、气象信息技术等对小水电站流域进行网格细化；利用气象、水文信息及技术提供电站及其流域落地降水计算、降水与水文预报；基于水文预报成果，利用优化调度探索开发小水电经济调度模型；基于云平台、B/S架构研发系统平台，依托浏览器提供在线服务、开发微信小程序等，实现不受地域的数据查询和展示。

通过集成应用现有流域雨水情测报预报资源，并利用卫星遥感、地理信息系统、先进气象预报与水文预报技术，构建基于水文气象大数据的小水电水情预报及调度系统，实现对小水电站流域降雨及来水的监测预报，进而实现防洪减灾预警、经济运行等业务需要。

4项目研究内容

本项目申请提供一种水情测报系统，能够将各水情测报站点测量的水情数据汇总在一起，对水情数据进行集群化、系统化统一管理，同时利用大数据技术手段进行预报分析，为水电站依据水情数据进行会商分析、错峰调度以及防洪决策提供了有力的支持。

水情测报系统包括实况降水、气象预报、来水预报、防灾减灾、经济调度模块以及水情服务器，实况降水主要是接入小水电流域内自建物联监测站点的监测数据；通过对降水数据的统计分析，形成降水点面数据、极值数据、暴雨中心等，并进行综合展示。气象预报接入气象局发布的数值降雨预报数据、天气预报数据、雷达反射数据、卫星云图数据等，并通过页面进行综合展示。来水预报主要是依托构建的分布式洪水预报模型，可为小型水库、水电站提供较长预见期的洪水预报服务。防灾减灾主要是根据预报的数据，进行相应的预警。采用本系统能够对水情数据进行集群化、系统化的统一管理，为水电站依据水情数据进行会商分析、错峰调度以及防洪决策提供了有力的支持。

5项目开发及实际案例研究

5.1小流域水情测报系统雨水情监控以及预警程序的开发

5.1.1结构模式

对雨水情系统程序设计完成后，其运行须将水情数据库作为主要依据，当业务模块将指令向具体程序下达后，其便会在服务器中连接数据，同时对相关数据进行获得，之后其通过自动计算，深入研究预警阈值，并将最终结果显示在前端UI界面。

雨水情系统能够将人机交互平台的各项功能直观呈现在用户面前，在系统启动后，其完全进入自动化运行状态，进而降低工作人员的操作频率、工作强度，为防洪防汛工作争取更多反应时间，确保工作效率大幅度提高。

5.1.2功能模块

（1）登录模块与程序配置模块。

雨水情系统程序设计完成后，登录模块，使用验证用户账号、类型、密码相融合模式，唯有将用户密码正确输入，才可以具备进入程序主界面的权利。雨水情系统程序可以针对不同类型用户，选择主界面开放权限。

雨水情系统程序配置模块主要由两部分组成，即数据库配置与参数配置。其中，数据库配置可以使程序在水平测报系统外部网络中的使用更加不便，并使外部网络PC在外部网络端口完全开放的情况下，通过安装相关程序实现远程监控，及时为调度指挥中心和使用单位人员提供相关信息。

（2）数据监控模块。

雨水状况系统程序的主要接口是数据监测模块。当数据库验证成功且所有配置均顺利连接时，按下启动按钮即可进行实时监控。监测系统启动后，将准确显示所有实时数据信息，包括雨、水和氣象数据，并通过雨、水数据的二次处理，实日寸显示不同时段的水位变化趋势和降水量。

在对数据监控模块的程序参数进行设置日寸，工作人员可以借助自定义设置功能，调节系统自动获取数据的频率。

（3）数据查询模块。

本雨水情系统能够对遥测站任意时间段历史数据的查询给予支持，并且配备相关数据的动态图标，甚至能够将查询到的数据以Excel表格的方式导出[1-2]。

（4）气象预报模块。

基于气象及相关数值预报资源，利用先进气象技术、WebGIS等为小水电站提供流域降水预报，包括天气预报、降水分布图、雷达、云图等。

（5）水情预报模块。

在预报模块中，根据上游水利枢纽入库和出库洪水、历年洪水资料情况，分别配置出各种洪水预报方案，如降雨径流模型中的水源模型、API模型，河道汇流中的马斯京根模型和合成流量法。可以几种方法多种预报方案同时应用，互相比较，以获得更为准确可靠的预报成果。同时，可以利用小水电测报及人工计算统计的流量数据进行模型调参，为水电站提供高精度的实时、短临、趋势洪水预报。

（6）防洪减灾预警模块。

利用计算断面的地理信息及当时洪峰预警等级（红、橙、黄、蓝）上图，并可以查看点逐小时洪水周期信息；可切换查看历史数据、实时预报、短临预报、趋势预报成果。

（7）经济调度模块。

根据水电站流量一发电量关系，利用水文预报结果，通过界面展示直观指导小水电运行调度，计算提供水电站发电量的预测趋势值。

（8）水情日报、周报模块。

打开水情日报和周报模块后，默认显示的内容是经过程序计算加工后，过去1天和1周之内的雨水情信息。通过对日期选择功能进行操作，可以对过去任何1天、任何1周的信息进行查询。

5.2小流域水情测报系统雨水情监控以及预警程序的应用

5.2.1开发软件的选择

在对小流域水情测报系统雨水情监控以及预警程序进行开发的过程中，主要采用微软公司开发的Idea软件，在Spring boot框架的基础上，利用Java编程语言完成系统开发。

Java是一种能够完全面向目标对象的编程语言，具有较强针对性，其中包含大量Windows控件模块，因此，程序的设计较为简单，但其具有的数据访问功能较强，能够与本文设计的开发程序高度契合[3]。

5.2.2预警等级的确定

根据实时预报、短临预报、趋势预报的来水过程及洪峰、洪峰时间。再利用历史降水计算得到近年来断面的洪水过程及多年平均流量。然后通过排频法计算洪峰对应的频率；计算预警等级预警规则如下：

2年一遇≤当前洪峰周期<5年一遇：小洪水（蓝色预警）

5年一遇≤当前洪峰周期<20年一遇：中洪水（黄色预警）

20年一遇≤当前洪峰周期<50年一遇：小洪水（橙色预警）

50年一遇≤当前洪峰周期：特大洪水（红色预警）

5.2.3洪水演进模拟

根据流域内所有计算断面对应的河道地理数据、逐小时加载每条河流当前小时洪水频率：通过时间轴的播放实现洪水在河网中的演进效果。

6项目开发与应用效果

本文设计的雨水情程序，通过科学设置监控频率，及运行阈值，全面且高效实现雨水情信息的自动控制及预警目标，最大限度缓解值班工作者的工作压力，将工作效率全面提升。网格化的处理，将地理信息、气象信息、水文信息等各类数据进行深入融合，实现了任意网格原子信息分离和数据关联，为大数据融合、分布式独立计算、精细化分析提供基础条件。水情预报模块能够在无资料区域，自动匹配流域水文参数，实现流域范围内任意区域径流过程的预报，可以很好解决无资料地区的洪水预报问题。经济调度模块能够结合水电站流量一发电量关系，计算提供水电站发电量预测趋势值，指导小水电运行调度，对未来3天的发电量进行趋势预判。