基于小流域水情測報(bào)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(bào)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(duì)小流域水情測報(bào)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(shí)際項(xiàng)目案例——某抽水蓄能電站，分析項(xiàng)目目的及意義，發(fā)展現(xiàn)狀，研究技術(shù)路線，剖析項(xiàng)目主要內(nèi)容，闡述了項(xiàng)目的實(shí)際開發(fā)與應(yīng)用，最終結(jié)合上述論述，闡明項(xiàng)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(xiàng)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(qiáng)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(shí)間短，在強(qiáng)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)?duì)相關(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(shí)，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(duì)人力和物力資源造成了嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，本文以長江流域某支流小流域?yàn)槔?，以現(xiàn)有水情測報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，借助B/S構(gòu)架，開發(fā)一個(gè)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(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，采取自動(dòng)聲音、文字報(bào)警方式，對(duì)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(diǎn)稀少或未建，缺少可靠的雨水情監(jiān)測、預(yù)報(bào)、預(yù)警，數(shù)字化、自動(dòng)化水平較低，且小水電防洪標(biāo)準(zhǔn)較低，隨著強(qiáng)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(xiǎn)加大。

2.2.1存在的問題

（1）小水電雨水情測報(bào)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(bào)與計(jì)算、河段實(shí)際水位測報(bào)與流量計(jì)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(bào)方面。目前，各小水電站的預(yù)測預(yù)報(bào)僅能以實(shí)時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，其預(yù)報(bào)范圍較小，預(yù)報(bào)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(duì)于短歷時(shí)的山洪小流域強(qiáng)降雨，其預(yù)報(bào)時(shí)效較差，預(yù)測預(yù)報(bào)相對(duì)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(bào)預(yù)報(bào)，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(shí)現(xiàn)對(duì)小水電的流域雨水情監(jiān)測、洪水預(yù)報(bào)、防洪減災(zāi)預(yù)警以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(bào)系統(tǒng)，服務(wù)支撐小水電水文預(yù)報(bào)、防洪減災(zāi)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(shí)現(xiàn)小水電提質(zhì)增效。

2.2.2解決方式

（1）降水計(jì)算。在預(yù)報(bào)模型中，對(duì)實(shí)測降雨及預(yù)報(bào)降雨過程采用網(wǎng)格化處理，根據(jù)網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，計(jì)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(bào)?；谒娬净A(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(duì)水電站進(jìn)行來水預(yù)報(bào)計(jì)算。

（3）減災(zāi)預(yù)警。利用歷史降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)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(jì)算洪峰對(duì)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(yùn)行安全。

（4）經(jīng)濟(jì)調(diào)度?；谒念A(yù)報(bào)預(yù)測計(jì)算水電站發(fā)電量，并研究制定小水電不同來水狀況的運(yùn)行規(guī)則與方案，指導(dǎo)小水電運(yùn)行調(diào)度，提升經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(duì)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(jì)算、降水與水文預(yù)報(bào)；基于水文預(yù)報(bào)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(tái)、B/S架構(gòu)研發(fā)系統(tǒng)平臺(tái)，依托瀏覽器提供在線服務(wù)、開發(fā)微信小程序等，實(shí)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(bào)預(yù)報(bào)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(bào)與水文預(yù)報(bào)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(bào)及調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小水電站流域降雨及來水的監(jiān)測預(yù)報(bào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)防洪減災(zāi)預(yù)警、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等業(yè)務(wù)需要。

4項(xiàng)目研究內(nèi)容

本項(xiàng)目申請(qǐng)?zhí)峁┮环N水情測報(bào)系統(tǒng)，能夠?qū)⒏魉闇y報(bào)站點(diǎn)測量的水情數(shù)據(jù)匯總在一起，對(duì)水情數(shù)據(jù)進(jìn)行集群化、系統(tǒng)化統(tǒng)一管理，同時(shí)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)手段進(jìn)行預(yù)報(bào)分析，為水電站依據(jù)水情數(shù)據(jù)進(jìn)行會(huì)商分析、錯(cuò)峰調(diào)度以及防洪決策提供了有力的支持。

水情測報(bào)系統(tǒng)包括實(shí)況降水、氣象預(yù)報(bào)、來水預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)、經(jīng)濟(jì)調(diào)度模塊以及水情服務(wù)器，實(shí)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(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)；通過對(duì)降水?dāng)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，形成降水點(diǎn)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(bào)接入氣象局發(fā)布的數(shù)值降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、天氣預(yù)報(bào)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(bào)主要是依托構(gòu)建的分布式洪水預(yù)報(bào)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(bào)服務(wù)。防災(zāi)減災(zāi)主要是根據(jù)預(yù)報(bào)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(huì)商分析、錯(cuò)峰調(diào)度以及防洪決策提供了有力的支持。

5項(xiàng)目開發(fā)及實(shí)際案例研究

5.1小流域水情測報(bào)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(duì)雨水情系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)完成后，其運(yùn)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(huì)在服務(wù)器中連接數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲得，之后其通過自動(dòng)計(jì)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(tái)的各項(xiàng)功能直觀呈現(xiàn)在用戶面前，在系統(tǒng)啟動(dòng)后，其完全進(jìn)入自動(dòng)化運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而降低工作人員的操作頻率、工作強(qiáng)度，為防洪防汛工作爭取更多反應(yīng)時(shí)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(jì)完成后，登錄模塊，使用驗(yàn)證用戶賬號(hào)、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(duì)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(bào)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(shí)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(yàn)證成功且所有配置均順利連接時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕即可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)測系統(tǒng)啟動(dòng)后，將準(zhǔn)確顯示所有實(shí)時(shí)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(shí)日寸顯示不同時(shí)段的水位變化趨勢和降水量。

在對(duì)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(bào)模塊。

基于氣象及相關(guān)數(shù)值預(yù)報(bào)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(bào)，包括天氣預(yù)報(bào)、降水分布圖、雷達(dá)、云圖等。

（5）水情預(yù)報(bào)模塊。

在預(yù)報(bào)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(bào)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?？梢詭追N方法多種預(yù)報(bào)方案同時(shí)應(yīng)用，互相比較，以獲得更為準(zhǔn)確可靠的預(yù)報(bào)成果。同時(shí)，可以利用小水電測報(bào)及人工計(jì)算統(tǒng)計(jì)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(shí)時(shí)、短臨、趨勢洪水預(yù)報(bào)。

（6）防洪減災(zāi)預(yù)警模塊。

利用計(jì)算斷面的地理信息及當(dāng)時(shí)洪峰預(yù)警等級(jí)（紅、橙、黃、藍(lán)）上圖，并可以查看點(diǎn)逐小時(shí)洪水周期信息；可切換查看歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)、短臨預(yù)報(bào)、趨勢預(yù)報(bào)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(bào)結(jié)果，通過界面展示直觀指導(dǎo)小水電運(yùn)行調(diào)度，計(jì)算提供水電站發(fā)電量的預(yù)測趨勢值。

（8）水情日?qǐng)?bào)、周報(bào)模塊。

打開水情日?qǐng)?bào)和周報(bào)模塊后，默認(rèn)顯示的內(nèi)容是經(jīng)過程序計(jì)算加工后，過去1天和1周之內(nèi)的雨水情信息。通過對(duì)日期選擇功能進(jìn)行操作，可以對(duì)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(bào)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(duì)小流域水情測報(bào)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(duì)象的編程語言，具有較強(qiáng)針對(duì)性，其中包含大量Windows控件模塊，因此，程序的設(shè)計(jì)較為簡單，但其具有的數(shù)據(jù)訪問功能較強(qiáng)，能夠與本文設(shè)計(jì)的開發(fā)程序高度契合[3]。

5.2.2預(yù)警等級(jí)的確定

根據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)、短臨預(yù)報(bào)、趨勢預(yù)報(bào)的來水過程及洪峰、洪峰時(shí)間。再利用歷史降水計(jì)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(jì)算洪峰對(duì)應(yīng)的頻率；計(jì)算預(yù)警等級(jí)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(jì)算斷面對(duì)應(yīng)的河道地理數(shù)據(jù)、逐小時(shí)加載每條河流當(dāng)前小時(shí)洪水頻率：通過時(shí)間軸的播放實(shí)現(xiàn)洪水在河網(wǎng)中的演進(jìn)效果。

6項(xiàng)目開發(fā)與應(yīng)用效果

本文設(shè)計(jì)的雨水情程序，通過科學(xué)設(shè)置監(jiān)控頻率，及運(yùn)行閾值，全面且高效實(shí)現(xiàn)雨水情信息的自動(dòng)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(shí)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(dú)立計(jì)算、精細(xì)化分析提供基礎(chǔ)條件。水情預(yù)報(bào)模塊能夠在無資料區(qū)域，自動(dòng)匹配流域水文參數(shù)，實(shí)現(xiàn)流域范圍內(nèi)任意區(qū)域徑流過程的預(yù)報(bào)，可以很好解決無資料地區(qū)的洪水預(yù)報(bào)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(jì)算提供水電站發(fā)電量預(yù)測趨勢值，指導(dǎo)小水電運(yùn)行調(diào)度，對(duì)未來3天的發(fā)電量進(jìn)行趨勢預(yù)判。