基于MICAPS系統(tǒng)的烏江流域梯級電站水文氣象服務(wù)平臺開發(fā)

胡躍文，王俊超，彭 濤，胡祖恒

(1.貴州省氣象學(xué)會，貴州 貴陽 550002；2.中國氣象局武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測預(yù)警湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430074；3.重慶市氣候中心，重慶 401147)

1 引言

烏江流域雖屬典型的山區(qū)中小河流域，但卻是我國長江上游南岸最大的支流，支流眾多，呈羽狀水系分布，橫跨貴州省北部和重慶市東南部，流域的人口密度比全國人口密度的平均值高，流域分布不少水電站，流域水電站發(fā)電量占貴州全網(wǎng)總水電量的70%。貴州省的第一大河就是烏江，屬長江上游右岸支流，發(fā)源于貴州省的威寧縣，流經(jīng)貴州黔北地區(qū)，重慶市酉陽、彭水，在重慶的涪陵匯入長江。烏江干流長1 037 km，流域面積為8.79萬km2。目前烏江流域貴州境內(nèi)建有11個大型水電站，洪家渡、東風(fēng)、烏江渡、構(gòu)皮灘等水電站為烏江流域著名的水電站。

烏江流域具有地勢高差大、自然景觀垂直變化明顯的特征，該地形地貌導(dǎo)致自然災(zāi)害，諸如干旱、暴雨洪澇等時有發(fā)生，嚴(yán)重威脅流域沿線電站的安全發(fā)電、電網(wǎng)正常運輸，也嚴(yán)重影響了西電東輸工程和沿線人民群眾生命財產(chǎn)安全，如2009年夏秋至2010年春，由于少雨高溫天氣，貴州大部地區(qū)出現(xiàn)罕見的夏秋及冬春連續(xù)干旱，2011年貴州再次出現(xiàn)嚴(yán)重干旱，造成烏江流域各水電站不能正常發(fā)電，2011年水電減少發(fā)電約140億kW，西電東輸受到嚴(yán)重影響，送電量比計劃減少約100億kW，人畜飲水困難，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。2014年貴州出現(xiàn)的暴雨洪澇災(zāi)害屬全國重災(zāi)省份，入汛期以后，多次出現(xiàn)大范圍暴雨天氣過程，造成全省多條河流超警戒水位，烏江流域多個縣市發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇，損失嚴(yán)重，全省洪澇災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)182億元，高于近5 a來161.5億元的平均值。由此可見，開發(fā)建立烏江流域精細(xì)化水文氣象服務(wù)系統(tǒng)，能為相關(guān)單位提供優(yōu)質(zhì)氣象服務(wù)，助力地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)工作。

自2011年以來，正式實施中國氣象局山洪地質(zhì)災(zāi)害防治氣象保障工程項目，多地的氣象部門、科研機構(gòu)已經(jīng)開展了觀測系統(tǒng)、預(yù)報預(yù)測與風(fēng)險評估系統(tǒng)、中小流域防汛精細(xì)化預(yù)報、預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)工作[1-5]。本文基于烏江流域防汛抗旱工作對水文氣象精細(xì)化服務(wù)的需求，開發(fā)了基于MICAPS3.1的流域梯級電站水文氣象服務(wù)平臺，并開展水文模擬試驗，從而建立烏江流域水文監(jiān)測與預(yù)報模型；以氣象監(jiān)測預(yù)報預(yù)警和水文地理信息為基礎(chǔ)，開發(fā)烏江流域精細(xì)化水文氣象服務(wù)產(chǎn)品。

2 MICAPS3.1簡介

2.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

MICAPS3.1系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)包含系統(tǒng)基本模塊BASIC和系統(tǒng)主框架。BASIC提供地圖投影、繪圖控制等功能；系統(tǒng)主框架提供系統(tǒng)主窗口、菜單和工具欄控制，鼠標(biāo)事件轉(zhuǎn)發(fā)等功能。系統(tǒng)還提供一些數(shù)據(jù)讀取和基本分析算法函數(shù)，編譯為DLL，供各模塊使用。

開放式框架結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)中得到了運用，標(biāo)準(zhǔn)化接口應(yīng)用在各功能組件，可以綜合控制數(shù)據(jù)處理和顯示；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)得到了標(biāo)準(zhǔn)化處理，并實現(xiàn)了接口管理統(tǒng)一，可進(jìn)行交互控制，完成了和系統(tǒng)的參數(shù)配置、輸出管理和處理后臺的作用等功能；按照業(yè)務(wù)科研需求，系統(tǒng)中可使用版本控制等框架軟件，并進(jìn)行自由組合，在軟件當(dāng)中也可自由應(yīng)用。

系統(tǒng)的公共資源管理、圖形繪制區(qū)域設(shè)置與圖層基本屬性定義由系統(tǒng)核心框架主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)需要進(jìn)行其他操作功能時，可操作系統(tǒng)，對相關(guān)的功能模塊進(jìn)行擴展；啟動操作系統(tǒng)，對相關(guān)的模塊組件進(jìn)行掃描安裝，并注冊到系統(tǒng)中，工具欄按鈕也可以啟動這個模塊，這樣，通過后期加載功能擴展的方式，系統(tǒng)啟動的速度不受影響。

2.2 系統(tǒng)二次開發(fā)

MICAPS第三版微機版采用Microsoft Visual Studio .NET 2005(SP1)作為開發(fā)工具，二次開發(fā)需要使用相同的開發(fā)工具，因此，二次開發(fā)需要的基本要求是：C#語言；Microsoft Visual Studio .NET 2005(SP1)。

圖1 MICAPS系統(tǒng)二次開發(fā)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of secondary development of MICAPS

系統(tǒng)中已經(jīng)自帶了基本的地圖，顯示區(qū)域也是系統(tǒng)提供，在二次開發(fā)時，這些資源能夠得到充分的運用，根據(jù)需要當(dāng)使用其它功能時，可以在系統(tǒng)提供的功能基礎(chǔ)上進(jìn)行更加個性化的功能開發(fā)；二次開發(fā)模塊可以增加功能菜單、工具條、個性化的顯示區(qū)域，模塊可以進(jìn)行開發(fā)，使之具有交互功能；當(dāng)啟動系統(tǒng)的主窗口時，所有指定路徑下所有子目錄的模塊會由系統(tǒng)自動加載，因此，可以將已完成開發(fā)的個性化模塊放在指定位置，方便系統(tǒng)調(diào)用。

3 烏江流域梯級電站精細(xì)化預(yù)報平臺設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能框架介紹

烏江電站水文氣象服務(wù)平臺功能框架以MICAPS3.1的二次開發(fā)產(chǎn)品為支撐，設(shè)計原則遵循穩(wěn)定性、標(biāo)準(zhǔn)性、規(guī)范性、可擴展性與可配置性，在設(shè)計中采用了自上而下、分層設(shè)計的設(shè)計思路，系統(tǒng)設(shè)計流程見圖2。烏江流域地圖的投影在系統(tǒng)中可以進(jìn)行設(shè)置，通過系統(tǒng)配置完成系統(tǒng)主界面搭建，并設(shè)定烏江流域的一些基礎(chǔ)信息；接著以氣象水文數(shù)據(jù)、雷達(dá)降水的反演、定量預(yù)報降水和洪澇預(yù)報技術(shù)為基礎(chǔ)，接收處理雷達(dá)探測反演的數(shù)據(jù)以及模式輸出，進(jìn)行后處理，使得其符合MICAPS和水文模型支持的數(shù)據(jù)格式；最后，在系統(tǒng)中制作有關(guān)圖形產(chǎn)品，輸出在C/S層面上進(jìn)行交互控制與顯示。

3.2 平臺功能介紹

烏江流域梯級電站精細(xì)化預(yù)報平臺建設(shè)完成后，主界面功能圖左側(cè)由工具欄、綜合圖、屬性設(shè)置和功能設(shè)置組成，細(xì)致分下來還包括資料檢索、系統(tǒng)功能控制、屬性顯示控制與修改等選項，主顯示區(qū)

在主界面右側(cè)(圖3)。按照烏江流域精細(xì)化預(yù)報工作的流程及特點，開發(fā)的系統(tǒng)提供了如下產(chǎn)品。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計流程Fig.2 Flow of system design

圖3 烏江流域梯級電站精細(xì)化預(yù)報平臺主界面功能介紹圖Fig.3 Main interface of the Refined Forecast Platform for Cascade Hydropower Stations in Wujiang River Basin

3.2.1 烏江流域信息配置 在該系統(tǒng)中，可以進(jìn)行流域信息的配置，這些信息主要有烏江流域邊界圖形，烏江流域數(shù)據(jù)類型，線條大小以及線條顏色設(shè)置。流域信息是基于DEM數(shù)據(jù)獲取，利用GIS提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件(邊界數(shù)據(jù)文件、干流數(shù)據(jù)文件、支流數(shù)據(jù)文件、缺省數(shù)據(jù)文件)到指定所選的路徑下，流域基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)文件格式為BLN文件，使用時可自動和手動修改配置文件，使系統(tǒng)操作具備了靈活性和方便性。

3.2.2 MICAPS支持的數(shù)據(jù)格式 有一部分?jǐn)?shù)據(jù)可以直接被MICAPS3.1系統(tǒng)調(diào)用和顯示，諸如地面和高空資料，雷達(dá)和衛(wèi)星反演等數(shù)據(jù)。該類數(shù)據(jù)比較簡單，直接運用MICAPS3.1開發(fā)好的插件，調(diào)用相應(yīng)的顯示模塊即可。

但是，有一部分?jǐn)?shù)據(jù)不能直接被MICAPS3.1系統(tǒng)支持和調(diào)用，比如降水資料是MICAPS三、四類數(shù)據(jù)格式，需要以MICAPS14類格式進(jìn)行等值線形式的顯示；T639模式資料輸出格式是GRIB，在繪圖時需要具備控制文件；WRF模式輸出數(shù)據(jù)有dat，nc等格式，多數(shù)情況下也需要具備CTL文件，對二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式進(jìn)行描述；NCEP再分析資料通常為NetCDF格式，很多文件是自描述文件，可以在Grads或者M(jìn)atlab中直接運用，雷達(dá)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式為SA/SB、CB格式。當(dāng)MICAPS有需求時，需要將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的格式轉(zhuǎn)化。

使用在系統(tǒng)中的烏江流域的降水資料有幾方面的來源：實況的監(jiān)測降水，雷達(dá)反演和估算的降水，模式輸出的降水，流域的臨界面雨量資料。利用主要來源于地面氣象觀測站、加密自動氣象站、水文站等實時監(jiān)測資料的實況降水，可實現(xiàn)流域?qū)崟r降水顯示，數(shù)據(jù)格式為Z文件格式或二進(jìn)制文件格式。短臨預(yù)報系統(tǒng)SWAN提供雷達(dá)估算和反演的降水，結(jié)合流域地理邊界，可實現(xiàn)流域雷達(dá)估算降水顯示，數(shù)據(jù)格式為二進(jìn)制。流域臨界面雨量采用的是水文部門提供的雨量站網(wǎng)的雨量資料，有研究提出了臨界雨量的分析計算方法[6-8]，在使用臨界面雨量之余，還利用氣象站網(wǎng)雨量資料作為補充。

3.2.3 外部功能顯示 文件瀏覽：一些主程序在調(diào)用其余功能時需要打開額外的APP，本文開發(fā)的服務(wù)平臺能讓用戶可以不打開額外的APP即可瀏覽文件，同時可預(yù)覽不同類型的文件。當(dāng)用戶有特定需求時，用戶還可以移動、復(fù)制和刪除這些文件夾或文件。

流域分區(qū)預(yù)報：該功能主要利用ArcGIS軟件基于DEM數(shù)據(jù)將自然流域劃分為幾個區(qū)間進(jìn)行分區(qū)預(yù)報，實現(xiàn)了分區(qū)流域?qū)崨r降水信息(1 h、3 h、6 h、12 h、24 h)以及預(yù)報降水信息(6 h、12 h、24 h、48 h、72 h)實時顯示。

流域水文信息：通過自動雨量站資料、雷達(dá)資料的估算和反演、中尺度暴雨預(yù)報等技術(shù)，可得到較高時空分辨率的降水資料用于水文模式的初始場[9-14]和邊界場，從而實現(xiàn)實時水文氣象預(yù)報。系統(tǒng)具備將處理好的流域水文預(yù)報信息列表成數(shù)據(jù)文件的功能，從而形成圖形產(chǎn)品顯示。洪水的起報時間、達(dá)峰時間、總水量大小、洪峰的流量這些都屬于過程預(yù)報信息，時段預(yù)報信息可以通過選擇過程中任意時段來統(tǒng)計分析包括時段內(nèi)的總來水量、總雨量以及洪峰流量。其中洪水過程中水電站庫容增量(來水量)按下式來計算：

式中V庫容增量為水庫不排水條件下t1至t2時刻庫容增量；V來水量來水量為t1至t2時刻水庫來水量；Qti為ti時刻的流量；t1為初始時刻；t2為截止時刻。

流域?qū)崟r水文監(jiān)測：實時水文監(jiān)測主要包括實時流量信息和實時水位顯示，天數(shù)查詢的控制也能在監(jiān)測中得以實現(xiàn)。水利部的水情網(wǎng)提供了實時的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)目錄可以個性化修改。

4 系統(tǒng)預(yù)報試驗與應(yīng)用

由于資料所限，自2011年6月22日開始利用該系統(tǒng)對烏江全流域、普定引子渡、洪家渡、東風(fēng)、索風(fēng)營、貓?zhí)?、烏江渡、?gòu)皮灘、思林、沙陀、烏江下游進(jìn)行預(yù)報試驗，每日2次對未來32 h流域水情預(yù)報。圖4給出烏江梯級電站烏江流域逐小時實況降水、雷達(dá)反演和估算降水、模式預(yù)報輸出降水及烏江流域分區(qū)預(yù)報降水。

圖4 2011年6月22日08時00分(北京時)洪水過程期間烏江流域各產(chǎn)品降水情況 (a)實況監(jiān)測降水；(b)雷達(dá)估算降水；(c)模式預(yù)報降水；(d)分區(qū)預(yù)報降水Fig.4 The situation of precipitation at 08:00 BT June 22, 2011 in Wujiang Basins in the flood (a) Observed precipitation, (b) Estimated precipitation from radar,(c) Output Precipitation from model, (d) areal forecast precipitation

服務(wù)平臺所用實時水文監(jiān)測數(shù)據(jù)從水利部網(wǎng)站獲取，水文平臺系統(tǒng)自動獲取實時水文數(shù)據(jù)信息(水位和流量)。再依據(jù)降水實況數(shù)據(jù)與模式預(yù)報輸出降水信息，系統(tǒng)的后臺能夠啟動水文模式的預(yù)報程序，從而對流域?qū)嵤┠M和預(yù)報，水文預(yù)報輸出如圖5所示。

圖5 (a)2013年3月24日03時—29日08時烏江渡預(yù)報雨量和流量、(b)流量信息以及實況水位Fig.5 The forecasted precipitation and flow capacity (a), flow capacity and actual water levels (b) in Wujiangdu basin from 03∶00 March 24 to 08∶00 March 29, 2013

5 總結(jié)與展望

該系統(tǒng)在利用MICAPS3.1核心框架和算法的基礎(chǔ)上，對MICAPS3.1原有系統(tǒng)也進(jìn)行了相應(yīng)的算法改進(jìn)和功能添加，并增加了系統(tǒng)功能接口，使得系統(tǒng)具有更好的推廣性，實現(xiàn)了MICAPS系統(tǒng)與流域水文氣象服務(wù)的有效融合，該項目為貴州多個地市級氣象業(yè)務(wù)人員提供水文氣象預(yù)報技術(shù)培訓(xùn)，另外，烏江流域精細(xì)化水文氣象預(yù)報服務(wù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用提升了貴州省水文氣象預(yù)報服務(wù)能力。同時，該項目為貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司提供精細(xì)化氣象服務(wù)產(chǎn)品，為該公司水電科學(xué)調(diào)度、電站安全生產(chǎn)等決策管理提供了重要的參考依據(jù)。目前該平臺已經(jīng)在烏江流域、湖北漳河水庫、漢江丹江口流域等進(jìn)行了推廣。當(dāng)然，當(dāng)前系統(tǒng)只是完成了平臺的搭建，相關(guān)的開發(fā)技術(shù)目前也處于初步試驗，進(jìn)一步的問題還有待未來的工作來解決。下一步的工作目標(biāo)主要有：①服務(wù)平臺的進(jìn)一步應(yīng)用和完善。②加強衛(wèi)星、雷達(dá)產(chǎn)品在流域精細(xì)化預(yù)報中的應(yīng)用。③提高降水預(yù)報與水文模型耦合在流域洪水預(yù)報中的應(yīng)用。