基于開源GIS 的分布式全要素水文預(yù)報系統(tǒng)

侯愛中，胡宏昌，胡智丹，劉志雨

（1.水利部信息中心，100053，北京；2.清華大學(xué)，100083，北京）

新中國成立以來，各種水利工程措施和非工程措施建設(shè)大大減輕了洪水和干旱對我國的影響，不過洪災(zāi)和旱災(zāi)依然是威脅我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全的主要災(zāi)種。中小河流洪水由于突發(fā)性強(qiáng)、預(yù)報預(yù)見期短以及資料缺乏等原因，預(yù)報預(yù)警難度大， 洪水防御困難多。 此外，2000 年以來我國干旱事件頻發(fā)重發(fā)，究其原因，除局部降水減少及水利基礎(chǔ)設(shè)施配套不足等因素之外，干旱監(jiān)測和預(yù)警工作相對薄弱也是一個重要因素，以致目前我國在干旱預(yù)防和應(yīng)對方面主要以“被動抗旱”為主，無法做到“主動防旱”。

水文監(jiān)測預(yù)報預(yù)警是防汛抗旱減災(zāi)工作的重要環(huán)節(jié)。 近年，水文監(jiān)測預(yù)報預(yù)警在減少災(zāi)害損失、保障人民群眾生命財產(chǎn)安全等方面發(fā)揮了重要作用，但我國水文監(jiān)測預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)仍存在不少問題。 單就水文預(yù)報業(yè)務(wù)而言，主要存在以下問題：①水文計算一般局限于單點或者單個斷面的水位、流量、土壤含水量等信息，沒有河道沿線及流域內(nèi)的空間分布信息，無法實時計算洪水淹沒過程和淹沒范圍；②現(xiàn)有方法僅適用于有長系列觀測資料的站點，在觀測資料缺乏或不足的中小流域預(yù)報業(yè)務(wù)開展難度大； ③洪水預(yù)報業(yè)務(wù)開展較多，干旱、地下水等其他預(yù)報業(yè)務(wù)開展較少，且將不同水文要素割裂開來進(jìn)行預(yù)報，沒有考慮內(nèi)在聯(lián)系；④經(jīng)驗性方法（如API、上下游相關(guān)、增退熵曲線等）和概念性方法（新安江、河北雨洪等）應(yīng)用較多，具有物理機(jī)制的水文模型、水動力學(xué)模型應(yīng)用較少，對北方超滲產(chǎn)流地區(qū)的預(yù)報支撐不足； ⑤降雨多是按照單站雨量區(qū)域均值輸入到模型中，無法使用降水雷達(dá)等多源監(jiān)測信息， 無法反映降雨的空間變異性，一定程度上影響了預(yù)報精度。

具有一定物理機(jī)制的分布式水文模型為上述問題提供了一個解決辦法，部分高校、科研院所及生產(chǎn)單位都進(jìn)行過有益嘗試，但是目前國內(nèi)水文部門尚未有一個通用性強(qiáng)、完全基于網(wǎng)格或者子流域、具有水文全要素計算能力的分布式業(yè)務(wù)化預(yù)報系統(tǒng)。 原因有以下幾方面：一是分布式水文模型需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)， 而多數(shù)水文部門沒有這些數(shù)據(jù)；二是水文部門具有深厚專業(yè)技術(shù)背景的人才比較缺乏，完全理解并正確應(yīng)用模型具有一定難度；三是部分人員認(rèn)為分布式水文模型的預(yù)報精度不一定比經(jīng)驗或概念性的模型預(yù)報精度高，因此沒有必要；四是分布式水文模型計算流程較為復(fù)雜，需要較強(qiáng)的計算資源作為支撐。

黨中央、國務(wù)院高度重視防災(zāi)減災(zāi)工作，提出了“兩個堅持”“三個轉(zhuǎn)變”的災(zāi)害風(fēng)險管理和綜合減災(zāi)新理念。 新時期防汛抗旱減災(zāi)工作對水文預(yù)報預(yù)警服務(wù)范圍、內(nèi)容、深度的要求越來越高，主要表現(xiàn)在由主要江河洪水預(yù)報向中小河流洪水預(yù)警延伸，由短期洪水預(yù)報向中長期水文預(yù)測延伸，由防汛抗洪向抗旱服務(wù)、城市防洪、水資源調(diào)度等方面拓展等。 面對防汛抗旱新形勢新要求，水文預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)也需要新發(fā)展。 本文調(diào)研了國內(nèi)外水文預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了分布式水文預(yù)報系統(tǒng)的需求和關(guān)鍵技術(shù)，并初步構(gòu)建了一套基于開源GIS 的模塊化分布式全要素水文循環(huán)模擬系統(tǒng)， 以期為防汛、抗旱、水資源、水環(huán)境等領(lǐng)域的信息化建設(shè)提供參考。

一、水文預(yù)報系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

水文預(yù)報系統(tǒng)在我國的發(fā)展經(jīng)歷了四個階段。

第一階段是水文自動測報系統(tǒng)階段， 從研制水文自動遙測洪水警報、預(yù)報系統(tǒng)開始，使用遙測水文信息（雨量、水位），實現(xiàn)聯(lián)機(jī)洪水預(yù)報作業(yè)，如20 世紀(jì)80 年代中國水利水電科學(xué)研究院在DOS 系統(tǒng)上開發(fā)的一套適用于中小流域的洪水預(yù)報調(diào)度自動化系統(tǒng)。

第二階段是聯(lián)機(jī)作業(yè)預(yù)報系統(tǒng)階段， 其主要特點是集水情信息采集、傳輸、處理和洪水預(yù)報計算為一體， 以便快速完成洪水預(yù)報作業(yè)，如原水利部水文水利調(diào)度中心與意大利諾蒂公司合作， 于1983 年開發(fā)的“VAX 機(jī)聯(lián)機(jī)實時洪水預(yù)報系統(tǒng)”。

第三階段是實時校正預(yù)報系統(tǒng)階段，在洪水預(yù)報系統(tǒng)中引入現(xiàn)代控制理論，實現(xiàn)實時信息和預(yù)報結(jié)果的實時校正，如原水利部水利信息中心1997 年研制的“水情信息及洪水預(yù)測預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)”。

第四階段是交互式洪水預(yù)報系統(tǒng)階段，利用圖形交互處理技術(shù)對洪水預(yù)報中間環(huán)節(jié)進(jìn)行人工干預(yù)，充分利用專家、預(yù)報員的知識和經(jīng)驗進(jìn)行實時交互式預(yù)報， 實現(xiàn)河系連續(xù)預(yù)報，提高洪水預(yù)報精度和水平，如水利部長江水利委員會1995 年開發(fā)的“長江專家交互式洪水預(yù)報系統(tǒng)”、原水利部水利信息中心1998 年起組織研發(fā)的“中國洪水預(yù)報系統(tǒng)”。

與此同時，國內(nèi)一些單位還研發(fā)了Web 環(huán)境下的洪水預(yù)報系統(tǒng)，采用B/S 多層體系結(jié)構(gòu)， 信息集中處理和存貯，以通用Web 瀏覽器作為用戶界面，Web 服務(wù)器存貯和處理信息，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存貯屬性和空間數(shù)據(jù)，達(dá)到同時為多個不同地點用戶迅速服務(wù)的要求，具有良好的跨平臺性和擴(kuò)展性，使洪水預(yù)報系統(tǒng)研發(fā)從模型開發(fā)走向應(yīng)用服務(wù)。

近年，國際水文界出現(xiàn)了許多新理念、新技術(shù)、新方法，美國、歐洲等國家和地區(qū)積極開展早期洪水預(yù)報預(yù)警服務(wù)實踐。 歐盟組織研發(fā)并投入業(yè)務(wù)運行的歐洲洪水感知系統(tǒng)（EFAS），利用多源信息融合、 氣象集合預(yù)報、數(shù)值高程模型、分布式水文模型、地理信息系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感等先進(jìn)信息技術(shù)和氣象水文預(yù)報方法，實時向歐洲各國水文氣象預(yù)報服務(wù)中心發(fā)布中期洪水概率警報，為防汛部門提前做好準(zhǔn)備、及時發(fā)布預(yù)警信息、盡快啟動應(yīng)急響應(yīng)等提供技術(shù)支撐，在2013 年夏季中歐“世紀(jì)洪水”應(yīng)急管理中發(fā)揮了作用。 美國開發(fā)的國家洪水預(yù)警系統(tǒng)采用同化技術(shù)、大氣-陸面耦合模擬技術(shù)、基于網(wǎng)格的分布式產(chǎn)匯流技術(shù)、 集合概率預(yù)報技術(shù)等， 已于2016 年起投入業(yè)務(wù)運行，可提供未來18 h、10 d、30 d 的預(yù)報以及全美267萬條河段流量的實時同化結(jié)果，其空間分辨率可達(dá)1 km， 結(jié)合數(shù)據(jù)同化技術(shù)， 實時同化全美約7000 個站點的河流流量資料， 實現(xiàn)對美國本土267萬條河段流量的模擬和預(yù)報，洪水模擬可小至街道尺度上的洪水水深和泛濫范圍，實現(xiàn)了從洪水要素預(yù)報向洪水影響（經(jīng)濟(jì)社會）預(yù)報的轉(zhuǎn)變。 瑞典氣象和水文研究所利用HYPE（Hydrological Predictions for the Environment）分布式水文模型已經(jīng)實現(xiàn)了全球范圍的徑流模擬。

二、分布式水文預(yù)報系統(tǒng)需求分析及關(guān)鍵技術(shù)

一般來說，分布式水文預(yù)報系統(tǒng)應(yīng)該具備以下幾方面能力：一是可以模擬整個流域內(nèi)的水文循環(huán)過程，包括降雨截留、截留蒸發(fā)、葉面蒸騰、地表蒸發(fā)、土壤水分運動、坡面匯流、潛水出流、河網(wǎng)匯流、水庫調(diào)度等各個水文過程，較為復(fù)雜的還可以加上人工取用水、水質(zhì)模擬、泥沙沖淤等過程；二是可以反映降雨、蒸散發(fā)、土壤水、地下水等面狀水文要素以及河道水位、流量等線狀水文要素的空間分布特征；三是系統(tǒng)計算速度要快。

構(gòu)建分布式水文預(yù)報系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)主要有以下四個方面：

1.多源信息融合同化技術(shù)

降水是水文預(yù)報系統(tǒng)最重要的輸入之一，其精度在很大程度上決定水文預(yù)報的精度；預(yù)報起始時刻的土壤水、地下水等下墊面狀態(tài)信息作為分布式預(yù)報系統(tǒng)的初始值，也極大影響降水與土壤水、地表水、地下水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。 因此，根據(jù)地面站、雷達(dá)、衛(wèi)星遙感等多種手段監(jiān)測到的多源信息，采用數(shù)據(jù)融合、模型同化等方式得到高精度的雨量場、土壤含水量場、地下水場等，對提高分布式系統(tǒng)預(yù)報精度具有極為重要的意義。

2.分布式水文預(yù)報技術(shù)

流域下墊面具有地形地貌不同、土地利用類型不同、 土壤類型不同、植被覆蓋不同等空間變異性，在同一地點不同深度的土壤特性也不盡相同，加上千差萬別的江河湖庫等水流路徑，給水文預(yù)報帶來了極大難度。

3.高性能計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)

若采用基于數(shù)學(xué)物理方程的分布式水文模擬技術(shù)，以及全國范圍的網(wǎng)格式計算，勢必需要可媲美氣象數(shù)值預(yù)報的超大計算量和數(shù)據(jù)量，因此如何有效使用高性能并行計算技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)也是需要著力解決的關(guān)鍵難題。

4.概率預(yù)報、風(fēng)險分析及基于預(yù)報不確定性的水庫優(yōu)化調(diào)度技術(shù)

由于氣象預(yù)報和水文模型都有不確定性，采用不同氣象模式的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品和不同水文模型進(jìn)行多模式多模型集合預(yù)報和概率預(yù)報，是目前常用的減少預(yù)報不確定的方法；對于水庫而言，基于風(fēng)險對沖等原理研究預(yù)報不確定性條件下的水庫優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，在確保防洪安全的情況下提高水庫綜合利用效益，也是需要給予充分重視的新問題。

三、基于GIS 的分布式水文預(yù)報系統(tǒng)

基于具有物理機(jī)制的分布式水文水動力學(xué)模型（HHModel），開發(fā)了一套基于開源GIS 的分布式全要素水文預(yù)報系統(tǒng)（HHFS），結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

考慮兼容性和擴(kuò)展性需求，系統(tǒng)采用了模塊化的開發(fā)框架，將水文計算劃分為坡面產(chǎn)流、坡面匯流、河道匯流、工程調(diào)度、淹沒分析等5 個模塊，模塊之間定義標(biāo)準(zhǔn)接口。 系統(tǒng)輸入主要為網(wǎng)格化的降水產(chǎn)品及多年平均蒸散發(fā)能力（如果有溫、濕、風(fēng)、壓等氣象信息，也可以實時計算蒸散發(fā)能力），模型計算需要的地形地貌、土壤、植被、土地利用類型等基礎(chǔ)信息均來自公開的數(shù)據(jù)庫，詳細(xì)的河流水系及水利工程等信息可以由水利普查成果提供。 系統(tǒng)輸出主要包括實際蒸散發(fā)量、網(wǎng)格化的地表、壤中和地下徑流深、不同深度（10 cm、20 cm、40 cm 等）的土壤含水量及相對濕度、地下水蓄變量、任一河段的水位流量過程、水庫入庫流量及經(jīng)過調(diào)度的出庫流量和水位變化過程、洪水淹沒范圍、深度和時間等產(chǎn)品。

圖1 HHFS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

需要注意的是，由于采用了基于土壤水動力學(xué)理論的水文模型，系統(tǒng)可以模擬降水條件下水分從地表向土壤深層的滲透過程，以及無雨條件下自土壤深層向地表的蒸散發(fā)失水過程，如圖2（a）所示。 基于土壤含水量計算結(jié)果，結(jié)合田間持水量，可以計算土壤相對濕度， 從而可以評估和預(yù)測土壤的干旱程度，如圖2（b）所示。此外，由于采用了基于網(wǎng)格和子流域的匯流算法，系統(tǒng)可以模擬任意大小流域任意網(wǎng)格精度的河道洪水演進(jìn)過程，如圖2（c）所示。 在淹沒分析方面，考慮到一、二維水力學(xué)方法計算效率較低， 系統(tǒng)采用了基于GIS 技術(shù)、適用于大范圍快速計算的淹沒分析計算方法，可以根據(jù)水位計算結(jié)果快速分析洪水的淹沒范圍和深度，如圖2（d）所示。

四、結(jié)論與展望

隨著遙感和地理信息系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)和云平臺技術(shù)、分布式水文水力學(xué)模型技術(shù)、 高性能并行計算技術(shù)、三維仿真和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等的快速發(fā)展，建設(shè)基于云平臺的網(wǎng)格化智能化水文預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)的時機(jī)已經(jīng)成熟?；陂_源GIS 和具有物理基礎(chǔ)的分布式水文水動力學(xué)模型， 初步構(gòu)建了一套分布式全要素水文預(yù)報系統(tǒng)，實現(xiàn)了從單點水文計算向線面連續(xù)計算、 從單一洪水預(yù)報向全水文要素預(yù)報的拓展， 其中的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)可以用于農(nóng)業(yè)旱情評估和預(yù)測， 地下水計算結(jié)果可以用于水資源評估和預(yù)測，洪水淹沒范圍和深度等信息可以用于災(zāi)情評估和預(yù)測。 未來考慮再加上水質(zhì)和泥沙模塊， 以用于水環(huán)境評估和預(yù)測、水土流失評估和預(yù)測等領(lǐng)域。

圖2 HHFS 系統(tǒng)輸出的部分產(chǎn)品示意圖

盡管分布式水文預(yù)報平臺具有很多優(yōu)勢，但不可否認(rèn)，分布式模型固有的 “數(shù)據(jù)需求多”“模型參數(shù)多”“維數(shù)災(zāi)”等問題依然存在，未來可以考慮通過衛(wèi)星遙感、激光測量等方法獲取更高精度的下墊面信息，采用數(shù)據(jù)同化、集合預(yù)報和概率預(yù)報的方法解決預(yù)報初值和不確定性問題，采用高性能并行計算方法解決 “維數(shù)災(zāi)”等問題。 最后，類似系統(tǒng)的建設(shè)是一個比較復(fù)雜的工程，涉及數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、計算、安全、業(yè)務(wù)等水利信息化各個領(lǐng)域的資源整合，技術(shù)難度大、協(xié)調(diào)任務(wù)重，應(yīng)該制定統(tǒng)一的規(guī)劃和實施方案，有組織、有計劃地推動。