長江流域水文氣象信息服務體系設計與實踐

秦 昊，王立海，陳瑜彬，顧 麗

（長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010）

0 引言

隨著長江流域綜合治理能力的不斷提升及社會關注度的增加，對水文氣象信息服務的要求也日益提高。建設一套完善的水文氣象信息服務體系，向流域管理機構、關鍵樞紐工程、地方政府及社會公眾，提供細致規(guī)范、針對性強的水文氣象信息服務產品，對保障長江流域大江大河防汛抗旱、水庫群聯(lián)合調度，以及水資源管理與保護[1]等工作具有很強的現實意義。

目前，通過互聯(lián)網、數據挖掘等信息化方法，水文氣象相關部門建成了各類不同的信息服務系統(tǒng)，如長江流域氣象服務綜合業(yè)務系統(tǒng)[2]、洪水預警預報系統(tǒng)[3]、泥沙遠程監(jiān)測云平臺[4]、水庫自動化監(jiān)測調度系統(tǒng)[5]等，信息共享與分析能力取得了較大的提高。這些系統(tǒng)往往比較獨立，針對不同的領域，提供專業(yè)的信息服務。

近年來，長江流域水庫群信息共享平臺[6]、水情 App 及預報調度系統(tǒng)[7]等服務相繼建設，為全方位、多角度的水文氣象信息服務提供了基礎，本研究通過梳理各系統(tǒng)之間的關系，按照數據處理的流程，詳細分析長江流域水文氣象信息服務體系，以期為其他流域的信息服務建設提供參考 。

1 體系架構

水文氣象信息服務體系涵蓋長江流域水文氣象服務的信息收集、產品制作、資料管理及對外發(fā)布等業(yè)務的全流程，為長江流域水旱災害預報預警、水工程調度、水資源管理與保護及相關涉水部門，提供全面、專業(yè)、定制化的水文氣象信息服務。體系架構如圖 1 所示。

圖1 長江流域水文氣象信息服務體系架構

水文氣象信息服務體系包含的 5 個方面內容具體分析如下：

1）數據存儲。為整個信息服務體系提供基礎的存儲能力，信息類型包括結構化和非結構化數據。

2）信息交換。負責信息的收集與共享，通過水情信息交換系統(tǒng)、水庫群信息共享系統(tǒng)、氣象信息專網等渠道，實現長江流域雨水情實時信息的收集及對外數據的共享。

3）內部作業(yè)平臺。為水文氣象服務產品制作提供有力的生產工具，包括以下 3 個系統(tǒng)：a．數據處理系統(tǒng)。主要為信息服務提供數據支撐能力，實現各時間尺度水文氣象站點特征值的統(tǒng)計、面雨量的生成、雨量圖的繪制，以及氣象模式預報產品的制作等功能。b．預報調度系統(tǒng)。作為目前主要的業(yè)務系統(tǒng)，在長江流域水文氣象信息綜合展示的基礎上，通過預報演算、專家交互式調度分析和會商決策，生成水文氣象預報、水資源預測、洪水預警、編號洪水及各類雨水情分析材料，為防洪調度、水資源管理與保護提供支撐。c．水資源管理系統(tǒng)。主要提供用水總量控制和河流水質保護等功能。

4）對外服務平臺。作為水文氣象產品的發(fā)布系統(tǒng)，包括信息交換、水庫群信息共享、水資源信息共享、信息推送和預警發(fā)布等系統(tǒng)，以及長江水情手機應用（即長江水情 App），根據服務對象及方式的不同，提供定制化的水文氣象信息服務。

5）信息管理平臺。主要負責水文氣象信息產品（如文檔類、圖片類、數據類產品）的管理，實現產品上傳、分類管理、對外發(fā)布等功能。信息管理平臺作為體系架構的中間層，提供完善的數據存儲和訪問接口；內部作業(yè)平臺通過調用信息管理平臺獲取實況數據，保存計算結果；對外服務平臺通過信息管理平臺實現產品服務，確保數據的唯一性和可溯性。

2 體系業(yè)務功能

2.1 信息收集

長江流域水文氣象信息來源廣泛，類型多樣。以長江流域實時雨水情信息為例，信息主要來源為各相關部門測站信息報送， 2021年全流域共計報送站點近 3 萬個，包括各?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）水文部門報汛站 7 000 余個、水庫部門報汛站 1 000 余個、長江水利委員會水文局報汛站 250 余個、氣象部門報送雨量站點 2 萬余個。

長江流域水文氣象信息結構化數據按照數據類型分類，包括基礎、監(jiān)測、歷史等數據；按照專業(yè)門類劃分，包括雨水情、泥沙、工情、水生態(tài)、墑情、水質等信息。非結構化數據類型較多，格式復雜，包括氣象模式預報文件、雷達原始文件、衛(wèi)星云圖、水庫調度方案、調度規(guī)劃、視頻流、地理信息等。

雨水情實時數據主要通過交換系統(tǒng)進行數據的收集與共享，通過在各級水文部門和干支流水庫梯級調度中心部署交換系統(tǒng)節(jié)點，可以實現點對點的實時和預報數據的交換。氣象分析材料、水庫調度、地理等非結構化數據由于種類多樣，主要通過文件共享的方式進行數據傳輸。

所有信息及服務產品統(tǒng)一存儲于數據倉庫內，其中結構化信息采用數據庫存儲，非結構化數據采用文件系統(tǒng)存儲。

2.2 信息管理

信息管理功能為上層的內部作業(yè)和對外服務平臺提供數據及服務產品的資源統(tǒng)一管理，主要由信息存儲、溯源、管理，以及產品資源注冊、對外服務接口等功能組成，所有的數據和產品都由信息管理平臺進行分發(fā)，包括數據、文檔、圖片等，起到數據中臺的作用。長江流域水文氣象服務體系中信息處理流程如圖 2 所示。

圖2 信息處理流程

整個水文氣象產品從制作到發(fā)布分為以下 5 個步驟：

1）內部作業(yè)平臺通過調用信息管理平臺中的數據接口，從數據存儲中抽取各類水文氣象信息，進行展示。

2）內部用戶如預報員、防汛組成員、防汛會商用戶等，通過內部作業(yè)平臺中展示的信息進行水情氣象情勢研判，并根據需要制作各類服務產品。

3）內部用戶在制作完相應服務產品并提交審核后，即可在信息管理平臺中進行產品資源注冊。

4）所有注冊的產品都會生成唯一的統(tǒng)一資源標識符（URI）。針對數據類產品，如水文氣象預報，將會直接通過交換系統(tǒng)將預報數據發(fā)送到指定部門的數據庫中；對于各類雨水情分析材料等文檔類產品，系統(tǒng)會生成服務接口鏈接，供對外服務平臺調用。

5）外部用戶可通過訪問對外服務平臺，或者通過推送的方式，獲取定制化的水文氣象信息服務。

信息管理平臺的核心是產品資源注冊系統(tǒng)，注冊過程分為人工和自動注冊 2 種。在數據處理系統(tǒng)中由系統(tǒng)自動生成的產品，如雨量圖、模式預報產品圖等會自動完成注冊程序；其他用戶編寫的服務產品，如分析材料等由人工完成注冊工作。

用戶在系統(tǒng)管理平臺注冊時，會記錄下產品的類型、生成時間、生成用戶、產品名稱等有關的元數據，用于歸類存檔、數據溯源和 URI 的生成。系統(tǒng)會根據上述元數據，利用 Hash 算法，按照 URI 的文法規(guī)則，生成唯一的 URI，供對外服務平臺通過服務接口獲取特定產品。

2.3 產品制作

產品制作功能主要由數據處理、預報調度及水資源管理等系統(tǒng)提供。

2.3.1 數據處理系統(tǒng)

數據處理系統(tǒng)主要為雨水情形勢研判提供自動化的數據產品服務，具體包括日、旬、月、年不同時間尺度的測站特征值計算，長江流域各分區(qū)面雨量、合成流量計算，以及實況面雨量圖、距平圖、氣象模式預報產品圖等各類水文氣象產品的生成功能。

數據處理系統(tǒng)的工作流程如圖 3 所示。各類原始數據存儲于原始數據庫中，數據處理系統(tǒng)通過定時任務或者人工操作的方式，從原始數據庫抽取數據，調用各類產品生成計算單元，生成對應的服務產品，并提交信息管理平臺完成產品的注冊。

圖3 數據處理系統(tǒng)工作流程

數據處理系統(tǒng)提供完善的任務管理能力，可以針對每一類計算單元指定自動運行的時間、次數及故障告警，確保產品能夠成功生成。

2.3.2 預報調度系統(tǒng)

長江洪水預報調度系統(tǒng)覆蓋長江流域主要防洪地區(qū)，集洪水預報與防洪調度于一體，采用 B/S 系統(tǒng)結構設計。預報調度系統(tǒng)在充分利用現有水文氣象預報技術手段、長江流域各種調度研究成果的基礎上，通過對洪水預報方案的修訂和補充，江河湖庫調度模型的研究，整合了長江防洪、雨水情、調度等各種資源和信息，建立基于流域地圖的各類信息融合展示平臺，實現了自動預報計算、交互式調度、雨水情監(jiān)視、防洪形勢分析等功能，是長江防洪調度指揮決策的有力分析計算工具[8]。

在長江流域水文氣象信息服務體系中，長江洪水預報調度系統(tǒng)作為主要的內部作業(yè)系統(tǒng)，主要功能包括水文氣象預報、會商分析材料、調度方案及各類重要雨水情報告的制作，是預報人員進行各類材料編寫的信息服務平臺。

預報調度系統(tǒng)除了實現信息匯總展示外，還提供各類文檔的標準化模板，可以定制化地自動生成水情公報、雨水情綜述、汛期簡報等材料，通過選擇文檔類型及關注區(qū)域，自動檢索相關數據，完成材料的生成，減少預報員的重復性工作。

2.3.3 水資源管理系統(tǒng)

水資源管理系統(tǒng)主要實現用水總量控制和河流水質保護等功能。水資源管理單元是流域內的行政區(qū)，與以往的水文學河流控制斷面概念不同，必須與國家行政區(qū)分級管理體制相適應。

1）用水總量控制。用水總量控制方面的管理目標是合理分水與管住用水。通過水資源管理系統(tǒng)，能夠獲取河流的水量信息，包括各種特征水文年（保證率）、現狀及預測預報等水量信息，數據主要由測站監(jiān)測信息提供。分水信息包括河流的生產、生活、生態(tài)用水分配，以及流域內各行政區(qū)單元的用水總量分配限額等信息，由專業(yè)咨詢機構編制，上級主管部門批準，其信息通過交換系統(tǒng)及跨部門共建共享機制獲得。為了服務管住用水的目標，水文或第三方服務機構通過對河流行政區(qū)進出口斷面、取水口的水量監(jiān)測等，獲取行政區(qū)域（河流外）的實際用水量、退水量及耗水量信息，為行政區(qū)用水總量控制的實施、考核與評價提供信息支持。

2）河流水質保護。河流水質保護方面的管理目標是控制入河污染與改善河湖水質，前者是事前事中的根本措施，后者是事后的評價結果。根據水質管理目標及水文統(tǒng)計概率，可以計算不同保證率下的河流水量及納污容量。由此，可以依據不同保證率的河流納污容量計算相應的入河污染物總量限額，再按規(guī)則將入河污染物總量限額分解到各相關行政區(qū)。各相關行政區(qū)入河污染物總量限額的確立，為具體的排污許可管理提供了堅實可靠的基礎。此外，目前信息管理平臺已經能夠提供河流控制斷面的水量及輸沙量信息（也稱為河流通量監(jiān)測信息）。經過數據建模與處理，可以提供流域內行政區(qū)單元的徑流量（產流量）及產沙量信息，為河流水質保護提供客觀量化的指標。

2.4 對外服務

2.4.1 水庫群信息共享系統(tǒng)

受工作體制、管理機制及安全性和保密性等多方面因素影響，長江流域大中型及所屬水庫部門的雨水情信息無法直接互連互通，無法滿足水庫聯(lián)合調度等工作需要。水庫群信息共享平臺通過在各水庫部門建立數據轉存系統(tǒng)，打破了信息壁壘，實現了水庫的實時運行情況、發(fā)電調度等計劃文檔的信息共享，以及查詢及資料檢索等功能。目前，水庫群信息共享系統(tǒng)已經成為對外服務窗口，向長江流域各省水利部門、中部戰(zhàn)區(qū)、國家電網、電力集團、水庫部門等共計 56 家單位提供定制化的雨水情服務。

水庫群信息共享系統(tǒng)主要提供實況監(jiān)控、信息填報、氣象和水情信息服務及通知公告等功能。部分功能分析如下：

1）實況監(jiān)控功能。主要展示流域內雨水情信息，利用各類數據可視化手段，通過圖、表和 GIS地圖等方式展現全流域收集到的各類數據，同時對數據進行深加工與分析，提取有價值的信息輔助決策分析。

2）信息填報功能。信息填報功能作為信息交換的補充，在不具備網絡環(huán)境時，可以人工上報報汛信息、調度計劃、水庫超汛限運行情況等。

3）雨水情信息服務功能。提供定制化的文檔和圖像等產品的檢索、查詢、下載等功能。

水庫群信息共享系統(tǒng)通過信息管理平臺獲取相關產品信息，調用對外服務接口，進行分門別類的展示，為不同的用戶提供專業(yè)的水文氣象信息服務。

水庫群信息共享系統(tǒng)提供細粒度的權限控制功能，根據目標對象的不同，提供不同的水情氣象產品，控制粒度具體到測站的數據類別，即對不同用戶展示不同的站點信息及服務產品。

2.4.2 長江水情 App

長江水情 App 是專門為從事長江流域各項水利工作的用戶開發(fā)的一款手機 App，支持安卓和 iOS 操作系統(tǒng)，適配主流的手機型號。截至 2021年底，長江水情 App 注冊用戶已達到 1 000 人，包括長江流域站點實時與歷史信息查詢、各類氣象水情分析數據檢索、水庫運行狀況查詢、手機報汛、實時雨水情綜述、熱點水情信息推送、防汛巡查記錄、站點及巡查事件定位，以及雨水情預報及相關分析材料查詢等功能，基本覆蓋了日常工作所需的各類信息，信息展示界面示例如圖 4 所示。

圖4 長江水情 App 信息展示界面

長江水情 App 作為移動端操作平臺，提供泛在化的水文氣象信息服務，便于用戶隨時隨地掌握當前的雨水情形勢。同時，App 提供站點巡查功能，用戶在現場查勘時，可以通過定位及時了解周邊狀況，并拍攝照片視頻，聯(lián)動預報調度系統(tǒng)，便于會商時及時掌握現場狀況。

此外，長江水情 App 也是信息推送系統(tǒng)的組成部分，用于接收定制化的雨水情消息，包括熱點雨水情、重要雨水情報告、洪水編號、洪水預警、汛情短信等消息。

2.4.3 信息推送系統(tǒng)

信息推送系統(tǒng)作為水文氣象產品的主要對外發(fā)布手段，實現覆蓋面廣、定制化、多渠道的信息發(fā)布功能，包括以下信息推送服務：

1）針對專業(yè)用戶的信息服務。主要通過短信、郵件、傳真及長江水情 App 的方式進行推送，信息內容包括干支流水情、短中長期降雨、延伸期、長期等預報，重要雨水情報告、綜合分析，以及汛情簡報、水資源預測等。

2）針對公眾的信息服務。主要通過門戶網站、長江水情公眾號及相關媒體進行推送，信息內容包括洪水預警、編號，以及熱點水情等。

信息推送系統(tǒng)利用統(tǒng)一的推送后臺，將信息管理平臺中的雨水情數據及各類信息服務產品，按照不同的用戶要求，進行定制化的推送。其中：短信、郵件和傳真按照預先定義的名單，通過專用渠道發(fā)送；手機終端，則通過后臺推送和智能推送相結合的方式完成。

基于場景感知的雨水情信息智能推送是利用移動設備獲取的位置信息，結合地圖服務獲取的數據，按照不同的用戶類型，將各類水情信息，智能推送到用戶的終端中，實現包括雨水情實時信息查看，測站特性、特征值檢索，河道斷面查看，降雨、水文預報查看，超警信息監(jiān)控等功能，以滿足不同用戶的需求。

雨水情信息智能推送技術涉及硬件、終端 2 個設備和地圖及雨水情 2 個服務，推送流程如圖 5 所示。

圖5 基于場景感知的雨水情推送流程圖

具體推送過程如下：

1）用戶在終端設備打開相應軟件，并授權軟件允許獲取用戶的地理信息；

2）終端設備通過衛(wèi)星、基站、Wi-Fi 熱點等方式，確定用戶所在的地理位置；

3）終端設備將獲取的位置信息，發(fā)送給地圖定位服務，地圖服務將地圖信息，以及周邊地形、站點等地理信息返回給終端設備。

4）終端設備根據地圖服務返回的結果，將用戶、周邊站點及地理信息發(fā)送到雨水情服務。雨水情服務根據測站信息，在雨水情數據庫中查找相關站點的實時信息，同時根據地理位置和用戶信息，有針對性地推薦用戶感興趣的當地水文相關信息。

5）信息發(fā)送到用戶終端設備后，在相應的軟件中進行直觀的展示，包括各類圖表、圖片、視頻及報警的展示。

2.4.4 預警發(fā)布系統(tǒng)

預警信息發(fā)布主要根據《長江水情預警發(fā)布管理辦法（試行）》的有關規(guī)定進行編制與發(fā)布。

預警的發(fā)布主要通過全國水情預警匯集系統(tǒng)進行對外發(fā)布，同時，也會利用信息推送系統(tǒng)，將預警信息推送到門戶網站、手機終端、手機短信，便于不用用戶及時掌握信息。

2.4.5 水資源信息共享系統(tǒng)

考慮到水文氣象信息在水資源管理與保護中的重要作用，以漢江流域為例，建設了水資源信息共享系統(tǒng)。共享系統(tǒng)以實時水情水量數據的采集、存儲、共享和管理為基礎，運用先進信息技術，以漢江流域水資源調度業(yè)務為核心，實現短中長期水量預測、可供水量分析、實時水量調度方案制作、調度方案評估、調度成果管理、應急調度管理等業(yè)務功能，構建覆蓋整個漢江流域干流及主要支流的水資源調度方案體系；分析漢江流域水資源調度方案及相關調度研究成果，提出實時水量調度的實現方式；研究建立各水庫、河流、取用水工程、跨流域引調水工程等水資源調度方案，為漢江流域水資源調度提供信息化作業(yè)平臺和決策會商支撐環(huán)境，并將各類成果與流域相關省市共享，為漢江流域水資源合理調度提供決策依據。

水資源信息共享系統(tǒng)監(jiān)視功能展示了各水量控制斷面、水質斷面、水功能區(qū)、重要水庫工程、取用水工程、引調水工程、流域內各行政區(qū)、取用水戶等基礎信息，并針對最小生態(tài)流量、取用水指標等項目進行預警。

漢江流域水資源信息共享系統(tǒng)實現了各省級行政區(qū)的年度用水計劃建議的填報管理功能，包括用水計劃申報，以及調度計劃制定、評估、管理、核定等功能。綜合考慮各省級行政區(qū)上報的年度用水、控制性水庫調度等計劃，主要水利水電工程最小下泄流量指標，同時考慮生態(tài)和下游生活、工業(yè)、灌溉、航運等用水需求初始及約束條件，配置漢江流域水資源調度模型，進行水量調度計算，動態(tài)生成多種水量調度計劃方案。系統(tǒng)根據各水資源監(jiān)控管理節(jié)點水量調度計劃方案，自動生成全流域年度水量調度計劃報告。此外，各省級水行政主管部門可以通過水資源信息共享系統(tǒng)查看與填報相關的用水計劃、調度計劃和已用水量等數據與報告，實現流域內各省之間的信息共享。

3 體系應用

長江流域水文氣象信息服務體系得益于信息化的發(fā)展，從最早的發(fā)報傳真方式，發(fā)展到目前的各項自動化平臺，經過了多次產品的更新迭代?，F在的整套系統(tǒng)從 2014年開始建設，到 2018年各平臺逐步建成，形成了完整的全場景水文氣象信息服務矩陣，成功經受了多次大洪水的考驗。

在 2020年的長江流域性大洪水中，長江流域水文氣象信息服務體系發(fā)揮了重要的數據共享和決策支撐作用，及時為從事長江流域防汛抗洪的各類用戶提供精準、高效、便捷的信息服務：

1）專業(yè)信息服務方面。截至 2020年9月底，共發(fā)布干支流水情預報 380 期（其中干流水情、漢江、荊江三口等的預報分別為 273，73，34 期）、短中長期降雨預報 341 期（其中短中期、延伸期、長期預報分別為 205，130，6 期），發(fā)布重要雨水情報告及分析材料 204 期（其中重要雨水情報告、雨水情綜合分析、汛情簡報、水資源預測分別為 57，130，5，12 期），發(fā)布編號洪水 8 期（其中長江干流、烏江、嘉陵江等編號洪水分別為 5，1，2 期），共發(fā)布洪水預警 35 期（其中洪水藍色、黃色、橙色、紅色預警分別為 1，13，17，4 期），及時推送實況提示、雨水情分析等各類短信共計 4.81 萬余條，通過長江水情 App 推送熱點水情等各類消息共計 16.6 萬余人次。

2）公眾信息服務方面。汛期，長江水情公眾號共發(fā)布相關專題報道 30 余篇，多篇文章閱讀量破萬，并通過其他媒體廣泛傳播。在微博平臺，有關長江流域 2020年洪水新聞屢次登頂熱搜，其中關于“長江 2020年第 2 號洪水”話題閱讀量達到3 083.6 萬次，超過 1.5 萬人參與討論，為公眾了解長江流域汛情及防汛工作提供了平臺。

4 結語

長江流域水文氣象信息服務體系基于全場景信息制作推送模式，打通了內部作業(yè)平臺和對外服務平臺的信息傳輸，包含了完整的信息接收、處理、產品制作到對外服務的工作鏈條，利用信息管理平臺對各類數據資源和作業(yè)系統(tǒng)生成的產品進行統(tǒng)一管理，實現了信息服務的智能生成和推送，在減輕人力成本的同時，提供了細致化、個性化、專業(yè)化的水文氣象信息產品服務，在 2020年及歷次長江流域大洪水中，發(fā)揮了積極的作用。

今后，將進一步完善信息服務體系的各項功能建設，擴展水質、水環(huán)境等基礎數據，實現流域水文氣象全要素的信息匯集，加強水資源管理與保護方面的服務能力，增加洪水災害風險圖管理、城市洪澇災害預警等信息服務內容，開展旱情預警研究，推動水資源管理創(chuàng)新，促進經濟社會綠色可持續(xù)發(fā)展。