溫州市大中型水庫洪水預報調度數字化建設研究

夏志昌，張仁貢，盧林全

（1.溫州市水利局，浙江 溫州 325002；2.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310052；3.閱水科技有限公司，浙江 寧波 315100）

1 引言

溫州市地處浙江省東南部，東面瀕臨東海，臺汛期臺風活動頻繁，臺風期常遇暴雨引起洪水災害，包括水庫超汛泄洪威脅下游地區、山洪災害威脅村鎮、內澇積水影響城市等[1]。目前溫州市有大中型水庫20座，其中大型水庫1座，中型水庫19座。依據溫州市三防工作的要求，近期開展了對溫州市大中型水庫的洪水預報調度模型建設的調查研究和分析工作，經過深入調查和研究發現，雖然大部分大中型水庫建設有洪水預報調度模型及系統，但是存在以下問題：①部分以發電為主的水庫，尚未建設洪水預報調度模型與系統，防洪預報預警及洪水調度依靠經驗執行。②個別水庫建設有單機版洪水預報模型與系統，系統未及時升級更新，數據無法與外部共享，水文、氣象等數據未及時接入模型進行計算，部分系統處于已經停用、很少使用或已經不可用等狀態[1]。③部分水庫模型和系統建設時間較短，系統參數校驗不夠，洪水預報準確度不夠。這些問題的存在，嚴重影響了大中型水庫的防洪安全。為此，本次依托溫州水平臺數字化改革建設的契機，開展全市大中型水庫洪水預報調度模型及系統建設，并將各水庫的系統集中到溫州市水平臺中，形成數據共享、功能協同、場景打造、統一決策等整體效果，提高科學防洪能力。

2 總體框架設計

建設洪水預報調度決策支持系統，是全面提升全市大中型水庫洪水預報調度能力，提高大中型水庫洪水預報調度科學化、數字化和精細化水平的有效途徑[2]。為了確保洪水預報調度系統的建設質量和系統應用的整體性，確保各水庫系統單庫能有效運行，多庫能有效融合，思考和設計總體框架，如圖1所示。

圖1 總體框架設計

首先，在底層以單個水庫為基礎，進行以提升防洪預報預警能力為目標的感知體系補短板，包括相關雨量監測、水位監測、流量監測、工情監測、大壩安全監測、視頻監控、墑情監測等[3]。然后進行洪水預報預警業務能力的建設，即水庫洪水預報預警模型及系統的建設，包括模型建設、參數率定、預報預警、調度操作、調度跟蹤、洪水整編等數字化功能研發。

其次，將單個水庫洪水預報預警模型及系統數字化建設到溫州市水平臺中，實現基礎數據統一維護、氣象預報數據統一提供、工程運管數據統一接入、流域底板數據統一采集[4]。

最后，在匯聚單個水庫洪水預報預警模型及系統的基礎上，開展全市水庫洪水預報預警模型及系統的場景研發工作。通過不斷替代升級，形成計算能力持續提升、基礎模型預設配置、流域形勢全局研判、聯合演練統一部署等平臺化場景功能。

3 建設內容

通過需求分析，在全市水利數字化改革理念的指導下，針對全市大中型水庫洪水預報預警模型及系統的建設主要分為兩部分進行，分別為感知體系建設、水庫模型場景建設以及全市區域場景建設。

3.1 感知體系建設

大中型水庫通過前些年的標準化建設、水文5+1補短板建設等工作，感知體系建設相對完善，本次主要針對提升大中型水庫洪水預報預警模型計算的精度，補充匯流、出庫及調度數字化相關感知體系建設,實現快速自動采集、傳輸和處理水庫水雨情等信息[5]。通過梳理大致提出了如下幾個方面需求提供參考。

①庫區采集雨量站原則上依據《水利水電工程水文自動測報系統設計規范》，按照10～30 km/站的密度布設，集雨面積較小的中型水庫，應該酌情增加站點，最低不少于3個/庫；②水庫遙測水位計分辨精度1 cm以上；③溢洪道、泄洪洞等閘門應安裝實時流量或準確閘門開度的遙測裝置；④泄洪洞閘門應有遙測開度儀，實現閘門水流斷面精確測報；⑤水輪發電機組應有功率遙測裝置，可轉換為發電的出庫流量，或水電站全站水輪發電機組發電流量實時監測；⑥其他出庫的管道、閘門應有相應的準確閘門開度或流量遙測裝置；⑦所有測站采集的水利數據均應接入市級水利數據倉。

3.2 水庫模型場景建設

根據溫州水庫庫區的地形地貌，模型一般應用新安江預報模型，對水庫歷史降雨概況、產匯流特征、流域調度情況進行詳細分析論證，針對水庫洪水數據，率定水庫預報模型參數。模型應具備一定的自學習參數校正能力，能適應各水庫本身所在庫區條件變化影響。根據洪水預報的結果，按水庫泄水建筑物的泄洪能力，調度模型應開發水位控制模式、流量控制模式、流量指令調度模式、開度指令調度模式、規則調度模式等5種調度功能。實現的應用場景框架模型圖2所示。

圖2 水庫應用場景框架模型圖

（1）洪水跟蹤。按照洪水跟蹤分析的需要，本場景應用界面，系統應實現在同一界面下，以概化圖的形式，直觀展示各流域上下游分區多個工程的洪水調度狀態，包括流域概化圖、各個水庫的水位和泄流、各個主要河道站的水位和流量、各個流域的面雨量過程、歷史洪水過程，提供各個工程當前時間點前72 h的實際降雨、出、入庫、水位變化實際過程；自動預報模式下，接入溫州氣象短臨網格預報，預報后24 h的降雨、入庫及水位預測變化過程，以圖表結合的形式顯示。可切換到人工輸入模式，可以模擬輸入降雨（降雨時間、雨量、雨型或無降雨等），預測未來3 d的入庫及水位預測變化過程。調度中按“定開度”與“定流量”兩種方式進行跟蹤調度，滿足實際調度場景跟蹤需求。

（2）承洪分析。按照任何時點，水庫承洪能力分析的決策需求，本場景應用界面，系統應提供，在模型按設定的控制條件下，進行預報調度分析。在自動預報模式下，可計算分析水庫未來24 h的承載能力，并提供全過程分析數據。人工輸入模式下，可按照各種量級、雨型的預測降雨和設定的調度方式下，分析出水庫的承載能力，并提供全過程分析數據；同時，按水庫洪水優化調度計算達到邊界的水庫可承載降雨量，為決策提供參考。系統應有方案保存功能，保存的方案可事后進行反復查閱分析。

（3）預報調度。系統應提供自動預報及模擬預報調度分析功能，其中自動預報應結合市級水平臺統一發布的短臨降雨數據，實現定時預報計算，將預報結果實時反饋至各級平臺，提供決策預警支撐；模擬預報調度分析功能，用戶可根據當前情況在人工輸入模式下，提供預報調度分析功能。用戶根據自動預報降雨或人工模擬配置預測降雨以及調度起始條件，確定水位控制、流量控制、定流量、定開度、規則調度等5種調度方式的決策指標參數，一鍵由系統完成5種調度模式的調度方案計算，以圖、表相結合的形式供用戶對比查閱分析；在洪水過程中，用戶可以反復試算各種決策偏好的調度方案，對比確定最終確定最優調度方案，為科學決策提供支持。預報調度計算要充分優化，一次計算，響應時間不大于20 s。

（4）洪水后評估。在洪水過后或對歷史洪水，系統應具備后評價功能。在本場景應用界面，系統應提供洪水后評價分析功能，該應用功能是按預報成果評價辦法，對洪峰流量、峰現時間、洪水總量等相關預報數值與實測數據進行對比分析，以已發生洪水的預報成果對模型預報能力進行在線評價，來分析預報指標的好差，來評定預報模型的成果等級；同時應用還提供調度成果優化分析功能，可以按設定的最高水位、最大流量等優化控制指標，對洪水預報調度成果與理論最優成果進行對比分析，方便用戶積累歷史經驗，指導未來科學調度。在線后評價的成果整體應達到規范規定，評估為甲級的洪水場次應達到90%以上。

（5）歷史洪水查詢。按照數據查詢的應用需要，在本場景應用界面，系統應提供已發生的暴雨和洪水數據相關信息，并在系統中以圖、表結合的形式展示降雨、水位、出入庫、臺風等全過程信息，方便用戶快捷查詢。

（6）基礎信息展示查詢。按照基礎信息查詢的應用需要，在本場景應用界面，系統應提供流域基礎信息、水位-面積曲線、水位-庫容曲線、溢洪道泄流能力曲線、閘門開度-流量計算、水庫運控計劃、水文-地理信息等調度相關聯的所有工程數據、關聯計算、圖紙資料等信息，為決策提供在線資料支持。

（7）調度執行信息查詢。按照調度執行數據溯源的需求，在本場景應用界面，系統應提供實際水庫運行相關數據查詢功能，數據時間間隔為1 h，按小時進行詳細記錄；系統應提供歷史任何時間段數據查詢功能，方便洪水推演分析和歷史信息回顧。具體功能要求如下：

1)小時執行數據查詢功能：可查詢任1 h水庫運行的相關數據，包括各站降雨、水位、溢洪道各閘門泄洪流量、泄洪洞閘門泄洪流量、各機組發電流量、供水管道流量、發電功率、調度指令等。

2)場次查詢功能：可選取入庫資料的任何時間段進行查閱，包括降雨、水位、出、入庫、相關臺風等所有資料，以圖、表的形式進行關聯展示、分析、統計，方便查詢。

3)數據修正功能：需基于溫州市水平臺，對水庫的實時水雨情、流量數據進行整編處理，可對水庫的所有降雨、水位、出庫數據進行導入或修正，方便校對水文資料數據，補錄相關信息，為洪水預報調度做好后臺數據準備。

（8）水庫防洪預演。基于流域防洪數字孿生流域，對已經發生的水情工情精準復演，驗證水庫防洪模型系統正確性，再對可能發生的預測預報水情進行模擬計算，制定和優化調度方案，提前發現風險或問題，提前采取防風險措施，確保超前、安全、合理、可行。具體功能要求如下：

1）構建水庫防洪預演場景：通過對預測預報的水情進行模擬，提早發布預警，確定保護對象及防護標準；確定要納入調度場景的水文測站以及水庫、堤防、閘壩、蓄滯洪區等防洪工程；包括洪水預報的邊界條件以及河道、堤防、水庫、蓄滯洪區等防洪控制節點的控制運用指標。

2）模擬仿真：由數據底板獲取調度目標和節點相關的氣象水文資料、經濟社會資料、堤防水庫蓄滯洪區等工程資料；基于預演場景的調度目標、節點、邊界條件等，對洪水過程進行模擬計算；進行水災害或風險事件的發展變化和水庫調度運用過程的可視化模擬。

3）制定和優化調度方案：在模擬計算成果基礎上，結合本水庫運行狀況、經濟社會發展現狀等，參考水庫調度規則、典型歷史案例，利用專家經驗和智能分析等，優化確定水庫調度方案；針對確定的調度方案，提前發現風險和問題，及時采取防風險措施，防風險措施應充分考慮可能出現的最不利情況，守住安全底線，并做到提前制定、超前部署。

（9）水庫防洪預案優化。依據預演確定的方案，考慮水庫最新工況、經濟社會情況，確定水庫運用、人員轉移等非工程措施并組織實施，確保預案的可操作性。

1）工程調度應用：水庫防洪調度應保證水庫自身防洪安全的前提下，提出水庫運用的時機和方式，明確不同條件下的控制水位和泄量。

2）非工程措施制定：明確值班值守、物料設備配置、查險搶險人員配備、 技術專家隊伍組建及受影響人員轉移等非工程應對措施。

3）組織實施：落實水庫調度運用、物料設備調配、查險搶險、人員轉移等措施的執行機構、權限和職責，分類分級明確信息報送內容、方式和要求。

3.3 全市區域場景建設

按照水平臺數據管理、應用管理規范，各水庫可在自建預報程序時，建設在溫州市水平臺上，共享各類基礎數據和實時數據資源，調用相關通用組件，完成精細化預報模型計算，采用注冊制注冊至水平臺，形成各類預報調度決策支持場景，總體框架如圖3所示。

圖3 全市區域場景建設框架

從圖3可知，各個大中型水庫洪水預報預警模型及系統建設到溫州市水平臺后，將形成統一的“水庫安全”應用場景，結果數據統一匯聚到溫州市水平臺數據倉，最終可以為浙江省水利廳“九龍聯動治水”水庫安全提供數據支撐。

4 應用支撐

為了實現上述場景，在應用支撐上主要有以下幾個方面：

（1）工程基礎數據支撐。浙江省全省已經建設了“浙江省水利工程運行管理”平臺，多年來全市大中型水庫工程基礎數據都在該省級平臺上統一維護，因此本次建設需要浙江省水利廳“浙江省水利工程運行管理”平臺對溫州市大中型水庫工程基礎數據的回流利用，保持“一數一源”的數據統一。

（2）外部數據共享支撐。本次建設需要引入外部門的相關數據，比如氣象部門的1 h、6 h/km網格短臨預報，24 h/5 km網格短臨預報等數據；自然規劃局的水利地圖數據等。

（3）溫州市水平臺框架和數據支撐。各個水庫洪水預報預警模型及系統需要建設在溫州市水平臺框架上，數據倉庫在溫州市水平臺數據倉中拓展，數據融合貫通，相互支撐。包括水文數據、流量數據、視頻數據、地圖數據、工情數據等。同時各庫系統的運行平臺應具備多組織共同應用的能力，不同組織應用一套基礎數據，在應用數據中，可以獨立隔離，互不影響；各庫系統應能統一部署在市級水平臺運行，在市級平臺中應實現單組織，多水庫的運行能力，可以在不同水庫中進行應用切換，互不干擾。

5 結束語

通過本次調研、分析及研究探索，筆者認為有以下2點經驗值得回顧。

（1）科學選擇數學模型。

水庫洪水預報調度系統，一般是指根據流域內實時和預測降雨以及實測流量等數據，按選定的數學模型和出庫方案，計算預報入庫流量過程和庫水位過程的軟件系統。預報調度中，依據洪水預報成果和水庫調洪能力，按照調度規則和決策要求，演算擬定科學下泄流量過程及相應水庫水位變化過程，生成實時防洪調度方案，為決策提供技術依據。根據溫州市水文氣象特征，水庫洪水預報數學模型一般采用“新安江流域水文模型”，對流域歷史降雨概況、產匯流特征、水庫防洪調度情況進行詳細分析論證，針對水庫洪水數據，結合優化計算與合理性分析，率定洪水預報模型參數。模型應具備一定的自學習校正能力，能適應各水庫所在庫區下墊面條件變化的影響。根據洪水預報方案，按水庫泄水建筑物泄洪能力，可因地制宜開發不同工況的洪水調度模式，一般應包含水位控制模式、流量控制模式、流量指令調度模式、開度指令調度模式、規則調度模式等。

（2）合理確定系統功能。

①自動采集出庫數據。對水庫閘門開度、發電引水流量、自由溢流等所有出庫流量數據進行全面采集、清洗和輸入。②合理率定后臺參數。宜采用人工調整與自動優化相結合的模型參數校正調整方式。在新增幾個場次洪水過程后，可根據水情、雨情實際變化，對模型參數按照算法和人工干預相結合的方式校正調整，提高預報精度，達到精準、可靠、有效的預報要求。同時，為防止虛假擬合現象，應對參數的靈敏性、合理性、可靠性、系統穩定性進行必要的分析和評估。③科學生成調度方案。洪水預報調度操作界面要簡單、高效、友好，根據洪水預報成果，能以人機交互方式生成實時防洪調度方案，提供決策依據。④建立歷史洪水數據。對歷史洪水數據進行重新整理分析，進行統一編碼,形成可靠、有效的歷史洪水和調度過程數據。

目前，溫州市大中型水庫洪水預報預警模型及系統建設正在如火如荼開展之中，本研究與思考也僅僅屬于階段性成果，還有諸多不成熟的地方。隨著大中型水庫洪水預報預警模型及系統數字化建設的開展，必將不斷完善思路和設計方案，希望本次建設成果，能為全市大中型水庫防洪能力的提升作貢獻，能為保障溫州市人民的生命和財產安全作貢獻，并為地區級水庫綜合防洪能力建設積累可借鑒的經驗。