基于小流域水情測報系統(tǒng)的雨水情監(jiān)控及預(yù)警程序的開發(fā)與應(yīng)用

肖楊 李戴玉 羅立軍 李曉龍

關(guān)鍵詞：小流域水情測報系統(tǒng)；雨水情監(jiān)控；預(yù)警程序；開發(fā)與應(yīng)用

1引言

本文主要針對小流域水情測報系統(tǒng)雨水情監(jiān)控及預(yù)警程序的開發(fā)與應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)合實際項目案例——某抽水蓄能電站，分析項目目的及意義，發(fā)展現(xiàn)狀，研究技術(shù)路線，剖析項目主要內(nèi)容，闡述了項目的實際開發(fā)與應(yīng)用，最終結(jié)合上述論述，闡明項目開發(fā)應(yīng)用效果，旨在為相關(guān)業(yè)界人士提供參考。

2概述

2.1項目目的及意義

近年來，極端、惡劣天氣的出現(xiàn)頻率不斷增加，局部強降雨和短歷日寸降雨次數(shù)越來越多，造成的破壞在小流域上表現(xiàn)得極其顯著。由于小流域面積小、水流匯流時間短，在強降雨期間，形成的洪水不但不能預(yù)見，而且峰高量大，嚴(yán)重影響了汛期工程建設(shè)安全，甚至?xí)ο嚓P(guān)工作人員的生命造成威脅。過去在進(jìn)行防汛值班工作時，相關(guān)工作者需全天候待命，守在機(jī)房的智能監(jiān)控系統(tǒng)前，持續(xù)監(jiān)控和值守雨水情數(shù)據(jù)，相關(guān)工作量大、效率較低，對人力和物力資源造成了嚴(yán)重浪費。因此，本文以長江流域某支流小流域為例，以現(xiàn)有水情測報系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，借助B/S構(gòu)架，開發(fā)一個以Java編程語言為主的Windows桌面應(yīng)用程序，利用程序界面，直觀展示雨水情數(shù)據(jù)，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時更新，采取自動聲音、文字報警方式，對雨量和水位預(yù)警閾值進(jìn)行設(shè)定，為相關(guān)預(yù)警信息的快速發(fā)布提供技術(shù)支持。

2.2發(fā)展現(xiàn)狀

目前，小水電流域雨水情遙測站點稀少或未建，缺少可靠的雨水情監(jiān)測、預(yù)報、預(yù)警，數(shù)字化、自動化水平較低，且小水電防洪標(biāo)準(zhǔn)較低，隨著強降雨等氣象與地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)、多災(zāi)并發(fā)，小水電遭遇暴雨洪水、泥石流等自然災(zāi)害的風(fēng)險加大。

2.2.1存在的問題

（1）小水電雨水情測報方面。目前，各流域電站主要通過自主建設(shè)或利用水文與氣象部門建設(shè)的雨量站、水位站、水文站進(jìn)行落地降雨測報與計算、河段實際水位測報與流量計算等，應(yīng)用較為成熟，但依賴建設(shè)的流域遙測站系統(tǒng)。

（2）小水電水文預(yù)報方面。目前，各小水電站的預(yù)測預(yù)報僅能以實時降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行實時預(yù)報，其預(yù)報范圍較小，預(yù)報精度還需進(jìn)一步提高，未考慮未來天氣影響情況，特別是對于短歷時的山洪小流域強降雨，其預(yù)報時效較差，預(yù)測預(yù)報相對滯后，難以指導(dǎo)預(yù)警發(fā)布和支持輔助決策。

（3）小水電經(jīng)濟(jì)調(diào)度方面。小水電站若通過傳統(tǒng)水利信息化模式，建設(shè)流域遙測站系統(tǒng)進(jìn)行雨水情測報預(yù)報，存在投資大、維護(hù)難、數(shù)據(jù)不全面、預(yù)見期短等突出問題，各電站難以承擔(dān)。

為實現(xiàn)對小水電的流域雨水情監(jiān)測、洪水預(yù)報、防洪減災(zāi)預(yù)警以及經(jīng)濟(jì)運行，研究開發(fā)基于水文氣象大數(shù)據(jù)的小水電站水情預(yù)報系統(tǒng)，服務(wù)支撐小水電水文預(yù)報、防洪減災(zāi)、經(jīng)濟(jì)運行等業(yè)務(wù)，提高小水電水能利用率增發(fā)電量，提升小水電防洪減災(zāi)保障水平，實現(xiàn)小水電提質(zhì)增效。

2.2.2解決方式

（1）降水計算。在預(yù)報模型中，對實測降雨及預(yù)報降雨過程采用網(wǎng)格化處理，根據(jù)網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，計算并提供各小水電站及其流域?qū)崨r降水與歷史降水?dāng)?shù)據(jù)。

（2）水文預(yù)報。基于水電站基礎(chǔ)信息以及流域拓?fù)潢P(guān)系，利用流域降水?dāng)?shù)據(jù)，開發(fā)配置通用型分布式水文模型，基于已構(gòu)建的分布式水文模型，通過輸入不同的降水?dāng)?shù)據(jù)對水電站進(jìn)行來水預(yù)報計算。

（3）減災(zāi)預(yù)警。利用歷史降水?dāng)?shù)據(jù)計算得到近年來斷面的洪水過程及多年平均流量。然后通過排頻法計算洪峰對應(yīng)的頻率，按照洪水預(yù)警規(guī)則進(jìn)行預(yù)警，保障小水電運行安全。

（4）經(jīng)濟(jì)調(diào)度。基于水文預(yù)報預(yù)測計算水電站發(fā)電量，并研究制定小水電不同來水狀況的運行規(guī)則與方案，指導(dǎo)小水電運行調(diào)度，提升經(jīng)濟(jì)運行效率。

3技術(shù)路線

通過多學(xué)科交叉應(yīng)用，基于水電站的基礎(chǔ)信息和流域拓?fù)潢P(guān)系，利用地理信息、氣象信息技術(shù)等對小水電站流域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化；利用氣象、水文信息及技術(shù)提供電站及其流域落地降水計算、降水與水文預(yù)報；基于水文預(yù)報成果，利用優(yōu)化調(diào)度探索開發(fā)小水電經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型；基于云平臺、B/S架構(gòu)研發(fā)系統(tǒng)平臺，依托瀏覽器提供在線服務(wù)、開發(fā)微信小程序等，實現(xiàn)不受地域的數(shù)據(jù)查詢和展示。

通過集成應(yīng)用現(xiàn)有流域雨水情測報預(yù)報資源，并利用衛(wèi)星遙感、地理信息系統(tǒng)、先進(jìn)氣象預(yù)報與水文預(yù)報技術(shù)，構(gòu)建基于水文氣象大數(shù)據(jù)的小水電水情預(yù)報及調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)對小水電站流域降雨及來水的監(jiān)測預(yù)報，進(jìn)而實現(xiàn)防洪減災(zāi)預(yù)警、經(jīng)濟(jì)運行等業(yè)務(wù)需要。

4項目研究內(nèi)容

本項目申請?zhí)峁┮环N水情測報系統(tǒng)，能夠?qū)⒏魉闇y報站點測量的水情數(shù)據(jù)匯總在一起，對水情數(shù)據(jù)進(jìn)行集群化、系統(tǒng)化統(tǒng)一管理，同時利用大數(shù)據(jù)技術(shù)手段進(jìn)行預(yù)報分析，為水電站依據(jù)水情數(shù)據(jù)進(jìn)行會商分析、錯峰調(diào)度以及防洪決策提供了有力的支持。

水情測報系統(tǒng)包括實況降水、氣象預(yù)報、來水預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)、經(jīng)濟(jì)調(diào)度模塊以及水情服務(wù)器，實況降水主要是接入小水電流域內(nèi)自建物聯(lián)監(jiān)測站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)；通過對降水?dāng)?shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，形成降水點面數(shù)據(jù)、極值數(shù)據(jù)、暴雨中心等，并進(jìn)行綜合展示。氣象預(yù)報接入氣象局發(fā)布的數(shù)值降雨預(yù)報數(shù)據(jù)、天氣預(yù)報數(shù)據(jù)、雷達(dá)反射數(shù)據(jù)、衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)等，并通過頁面進(jìn)行綜合展示。來水預(yù)報主要是依托構(gòu)建的分布式洪水預(yù)報模型，可為小型水庫、水電站提供較長預(yù)見期的洪水預(yù)報服務(wù)。防災(zāi)減災(zāi)主要是根據(jù)預(yù)報的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)警。采用本系統(tǒng)能夠?qū)λ閿?shù)據(jù)進(jìn)行集群化、系統(tǒng)化的統(tǒng)一管理，為水電站依據(jù)水情數(shù)據(jù)進(jìn)行會商分析、錯峰調(diào)度以及防洪決策提供了有力的支持。

5項目開發(fā)及實際案例研究

5.1小流域水情測報系統(tǒng)雨水情監(jiān)控以及預(yù)警程序的開發(fā)

5.1.1結(jié)構(gòu)模式

對雨水情系統(tǒng)程序設(shè)計完成后，其運行須將水情數(shù)據(jù)庫作為主要依據(jù)，當(dāng)業(yè)務(wù)模塊將指令向具體程序下達(dá)后，其便會在服務(wù)器中連接數(shù)據(jù)，同時對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲得，之后其通過自動計算，深入研究預(yù)警閾值，并將最終結(jié)果顯示在前端UI界面。

雨水情系統(tǒng)能夠?qū)⑷藱C(jī)交互平臺的各項功能直觀呈現(xiàn)在用戶面前，在系統(tǒng)啟動后，其完全進(jìn)入自動化運行狀態(tài)，進(jìn)而降低工作人員的操作頻率、工作強度，為防洪防汛工作爭取更多反應(yīng)時間，確保工作效率大幅度提高。

5.1.2功能模塊

（1）登錄模塊與程序配置模塊。

雨水情系統(tǒng)程序設(shè)計完成后，登錄模塊，使用驗證用戶賬號、類型、密碼相融合模式，唯有將用戶密碼正確輸入，才可以具備進(jìn)入程序主界面的權(quán)利。雨水情系統(tǒng)程序可以針對不同類型用戶，選擇主界面開放權(quán)限。

雨水情系統(tǒng)程序配置模塊主要由兩部分組成，即數(shù)據(jù)庫配置與參數(shù)配置。其中，數(shù)據(jù)庫配置可以使程序在水平測報系統(tǒng)外部網(wǎng)絡(luò)中的使用更加不便，并使外部網(wǎng)絡(luò)PC在外部網(wǎng)絡(luò)端口完全開放的情況下，通過安裝相關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時為調(diào)度指揮中心和使用單位人員提供相關(guān)信息。

（2）數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊。

雨水狀況系統(tǒng)程序的主要接口是數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊。當(dāng)數(shù)據(jù)庫驗證成功且所有配置均順利連接時，按下啟動按鈕即可進(jìn)行實時監(jiān)控。監(jiān)測系統(tǒng)啟動后，將準(zhǔn)確顯示所有實時數(shù)據(jù)信息，包括雨、水和氣象數(shù)據(jù)，并通過雨、水?dāng)?shù)據(jù)的二次處理，實日寸顯示不同時段的水位變化趨勢和降水量。

在對數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊的程序參數(shù)進(jìn)行設(shè)置日寸，工作人員可以借助自定義設(shè)置功能，調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動獲取數(shù)據(jù)的頻率。

（3）數(shù)據(jù)查詢模塊。

本雨水情系統(tǒng)能夠?qū)b測站任意時間段歷史數(shù)據(jù)的查詢給予支持，并且配備相關(guān)數(shù)據(jù)的動態(tài)圖標(biāo)，甚至能夠?qū)⒉樵兊降臄?shù)據(jù)以Excel表格的方式導(dǎo)出[1-2]。

（4）氣象預(yù)報模塊。

基于氣象及相關(guān)數(shù)值預(yù)報資源，利用先進(jìn)氣象技術(shù)、WebGIS等為小水電站提供流域降水預(yù)報，包括天氣預(yù)報、降水分布圖、雷達(dá)、云圖等。

（5）水情預(yù)報模塊。

在預(yù)報模塊中，根據(jù)上游水利樞紐入庫和出庫洪水、歷年洪水資料情況，分別配置出各種洪水預(yù)報方案，如降雨徑流模型中的水源模型、API模型，河道匯流中的馬斯京根模型和合成流量法。可以幾種方法多種預(yù)報方案同時應(yīng)用，互相比較，以獲得更為準(zhǔn)確可靠的預(yù)報成果。同時，可以利用小水電測報及人工計算統(tǒng)計的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型調(diào)參，為水電站提供高精度的實時、短臨、趨勢洪水預(yù)報。

（6）防洪減災(zāi)預(yù)警模塊。

利用計算斷面的地理信息及當(dāng)時洪峰預(yù)警等級（紅、橙、黃、藍(lán)）上圖，并可以查看點逐小時洪水周期信息；可切換查看歷史數(shù)據(jù)、實時預(yù)報、短臨預(yù)報、趨勢預(yù)報成果。

（7）經(jīng)濟(jì)調(diào)度模塊。

根據(jù)水電站流量一發(fā)電量關(guān)系，利用水文預(yù)報結(jié)果，通過界面展示直觀指導(dǎo)小水電運行調(diào)度，計算提供水電站發(fā)電量的預(yù)測趨勢值。

（8）水情日報、周報模塊。

打開水情日報和周報模塊后，默認(rèn)顯示的內(nèi)容是經(jīng)過程序計算加工后，過去1天和1周之內(nèi)的雨水情信息。通過對日期選擇功能進(jìn)行操作，可以對過去任何1天、任何1周的信息進(jìn)行查詢。

5.2小流域水情測報系統(tǒng)雨水情監(jiān)控以及預(yù)警程序的應(yīng)用

5.2.1開發(fā)軟件的選擇

在對小流域水情測報系統(tǒng)雨水情監(jiān)控以及預(yù)警程序進(jìn)行開發(fā)的過程中，主要采用微軟公司開發(fā)的Idea軟件，在Spring boot框架的基礎(chǔ)上，利用Java編程語言完成系統(tǒng)開發(fā)。

Java是一種能夠完全面向目標(biāo)對象的編程語言，具有較強針對性，其中包含大量Windows控件模塊，因此，程序的設(shè)計較為簡單，但其具有的數(shù)據(jù)訪問功能較強，能夠與本文設(shè)計的開發(fā)程序高度契合[3]。

5.2.2預(yù)警等級的確定

根據(jù)實時預(yù)報、短臨預(yù)報、趨勢預(yù)報的來水過程及洪峰、洪峰時間。再利用歷史降水計算得到近年來斷面的洪水過程及多年平均流量。然后通過排頻法計算洪峰對應(yīng)的頻率；計算預(yù)警等級預(yù)警規(guī)則如下：

2年一遇≤當(dāng)前洪峰周期<5年一遇：小洪水（藍(lán)色預(yù)警）

5年一遇≤當(dāng)前洪峰周期<20年一遇：中洪水（黃色預(yù)警）

20年一遇≤當(dāng)前洪峰周期<50年一遇：小洪水（橙色預(yù)警）

50年一遇≤當(dāng)前洪峰周期：特大洪水（紅色預(yù)警）

5.2.3洪水演進(jìn)模擬

根據(jù)流域內(nèi)所有計算斷面對應(yīng)的河道地理數(shù)據(jù)、逐小時加載每條河流當(dāng)前小時洪水頻率：通過時間軸的播放實現(xiàn)洪水在河網(wǎng)中的演進(jìn)效果。

6項目開發(fā)與應(yīng)用效果

本文設(shè)計的雨水情程序，通過科學(xué)設(shè)置監(jiān)控頻率，及運行閾值，全面且高效實現(xiàn)雨水情信息的自動控制及預(yù)警目標(biāo)，最大限度緩解值班工作者的工作壓力，將工作效率全面提升。網(wǎng)格化的處理，將地理信息、氣象信息、水文信息等各類數(shù)據(jù)進(jìn)行深入融合，實現(xiàn)了任意網(wǎng)格原子信息分離和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，為大數(shù)據(jù)融合、分布式獨立計算、精細(xì)化分析提供基礎(chǔ)條件。水情預(yù)報模塊能夠在無資料區(qū)域，自動匹配流域水文參數(shù)，實現(xiàn)流域范圍內(nèi)任意區(qū)域徑流過程的預(yù)報，可以很好解決無資料地區(qū)的洪水預(yù)報問題。經(jīng)濟(jì)調(diào)度模塊能夠結(jié)合水電站流量一發(fā)電量關(guān)系，計算提供水電站發(fā)電量預(yù)測趨勢值，指導(dǎo)小水電運行調(diào)度，對未來3天的發(fā)電量進(jìn)行趨勢預(yù)判。