巖灘水庫(kù)徑流量監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

史彩霞，陳劍飛*，李 勇，萬(wàn)家權(quán)，鐘利華，王振國(guó)

（1.廣西壯族自治區(qū)氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，南寧 530001；2.南京信息工程大學(xué)，南京 210044）

前言

水電是清潔可再生能源［1－5］，在推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。紅水河是珠江水系西江的主要干流，水量豐富，落差大，水能蘊(yùn)藏量大。大力發(fā)展紅水河水電能源是廣西能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)之一，而氣象信息服務(wù)在水電能源工程建設(shè)和水電站運(yùn)營(yíng)管理中都發(fā)揮著重要的作用。許多專家［6－16］針對(duì)紅水河在水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)水質(zhì)累積影響、水電站發(fā)電水量平衡、水庫(kù)汛末優(yōu)化調(diào)度策略、暴雨時(shí)期電站優(yōu)化調(diào)度方案、徑流量與降水量變化特征、徑流量預(yù)測(cè)模型等方面做了詳細(xì)分析和研究。巖灘水電站作為紅水河流域廣西電力部門直接調(diào)度的第一個(gè)季調(diào)節(jié)水電站，其庫(kù)區(qū)精準(zhǔn)的徑流量監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)信息對(duì)流域水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度起到重要的作用，有利于提高水庫(kù)群發(fā)電效益和供水安全。因此，將氣象信息與水電調(diào)度的工作緊密相連，以廣西對(duì)流尺度數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品和智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品［17－19］為依托，基于業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一套基于C／S 和B／S 混合架構(gòu)下的巖灘水庫(kù)徑流量監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，通過(guò)此系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)耦合氣象－水文－機(jī)器學(xué)習(xí)的徑流量預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)流量實(shí)況及短臨、短期逐時(shí)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新和訂正預(yù)報(bào)服務(wù)，為巖灘水電站提供更精準(zhǔn)、及時(shí)的庫(kù)區(qū)流量監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，滿足巖灘水電站業(yè)務(wù)需求。

1 資料與處理

（1）地理信息資料

采集鳳山水文站盤(pán)陽(yáng)河上游斷面、甲篆水文站盤(pán)陽(yáng)河下游斷面、綠蘭水文站九曲河中游斷面、羅富水文站羅富河下游斷面、龍灘水電站和巖灘水電站的地理信息，以及巖灘水庫(kù)流域范圍內(nèi)的水系對(duì)應(yīng)的地理信息。利用GIS 技術(shù)將巖灘水庫(kù)流域劃分甲篆庫(kù)區(qū)、羅富庫(kù)區(qū)、巖灘上庫(kù)區(qū)、巖灘中庫(kù)區(qū)和巖灘下庫(kù)區(qū)共五個(gè)流域區(qū)間并提取邊界數(shù)據(jù)。

（2）模式產(chǎn)品資料

利用廣西1km 對(duì)流尺度數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品、廣西智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品、EC 細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品和GRAPES預(yù)報(bào)產(chǎn)品，提取并計(jì)算出每個(gè)時(shí)段內(nèi)巖灘流域面雨量預(yù)報(bào)并生成相應(yīng)數(shù)據(jù)集，為加工制作服務(wù)產(chǎn)品提供驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)支撐。

（3）自動(dòng)氣象站資料

利用GIS 技術(shù)，提取巖灘流域范圍的廣西區(qū)域自動(dòng)站地理信息，利用全國(guó)智能網(wǎng)格逐小時(shí)實(shí)況產(chǎn)品通過(guò)格點(diǎn)與站點(diǎn)的轉(zhuǎn)換規(guī)則獲取逐時(shí)降水資料并形成相應(yīng)數(shù)據(jù)集。

2 巖灘水庫(kù)徑流量監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體框架如圖1，工作方式采用B／S＋C／S混合架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水文氣象信息采集、傳輸和發(fā)布共享；網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)具有良好的可擴(kuò)展性。系統(tǒng)主要包括：水文數(shù)據(jù)自動(dòng)采集程序、氣象數(shù)據(jù)自動(dòng)采集程序、巖灘水庫(kù)徑流量監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)共三大部分。

3 系統(tǒng)主要關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維地圖可視化技術(shù)

WebGL 是免插件、跨平臺(tái)、免費(fèi)、高性能的JavaScript API，可使瀏覽器無(wú)需安裝插件即可直接展示三維場(chǎng)景?；赪ebGL 開(kāi)發(fā)的CesiumJS 是一個(gè)開(kāi)源的輕量級(jí)的三維地圖JavaScript 庫(kù)，提供了豐富全面的地理信息數(shù)據(jù)加載展示接口。它支持WebGL 硬件加速，可跨瀏覽器使用，支持地形、影像、矢量、注記、三維模型、點(diǎn)云等數(shù)據(jù)的展示，可采用開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的WMTS、GeoJSON、地形服務(wù)和3DTiles服務(wù)等作為數(shù)據(jù)源，為后續(xù)開(kāi)發(fā)擴(kuò)展和應(yīng)用提供便利［20－22］。

天地圖是國(guó)家地理信息局提供的在線地圖服務(wù)，可以通過(guò)WMS 服務(wù)形式調(diào)取地圖瓦片服務(wù)以作為本地基礎(chǔ)地圖使用，巖灘水庫(kù)徑流量監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)通過(guò)CesiumJS 提供的WMS 服務(wù)接口調(diào)取在線的天地圖遙感影像服務(wù)并加載，實(shí)現(xiàn)三維地圖場(chǎng)景的加載、無(wú)級(jí)縮放、平移、旋轉(zhuǎn)等。WebGL 可以支持瀏覽器調(diào)用GPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)渲染加速，從而實(shí)現(xiàn)大體量數(shù)據(jù)的快速渲染。通過(guò)在CesiumJS 中自定義WebGL 圖層，依托WebGL 強(qiáng)大高效的數(shù)據(jù)渲染能力，實(shí)現(xiàn)大體量數(shù)據(jù)的高性能加載與展示。系統(tǒng)通過(guò)使用WebGL 自定義Shader 繪圖技術(shù)，在三維地理信息場(chǎng)景內(nèi)實(shí)現(xiàn)廣西智能網(wǎng)格降雨實(shí)況色斑圖、巖灘流域自動(dòng)站站點(diǎn)填值、巖灘水庫(kù)流量預(yù)報(bào)色斑圖、水庫(kù)流量流向圖、流量水系變化圖等水文氣象數(shù)據(jù)多元展示形式的高性能繪制與加載。

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與接口服務(wù)技術(shù)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)分為文件數(shù)據(jù)庫(kù)和MySQL 綜合信息庫(kù)，流量預(yù)報(bào)、降水預(yù)報(bào)／實(shí)況、流域面雨量預(yù)報(bào)／實(shí)況、水電站圖標(biāo)、基礎(chǔ)地理信息等存儲(chǔ)在文件數(shù)據(jù)庫(kù)，流量實(shí)況共享數(shù)據(jù)、用戶信息等存儲(chǔ)在綜合信息庫(kù)。Restful 是web 服務(wù)的一種設(shè)計(jì)風(fēng)格，是http 動(dòng)作與服務(wù)功能結(jié)合的創(chuàng)新，Restful 接口簡(jiǎn)潔、容易理解、約定了規(guī)則［23－24］。系統(tǒng)對(duì)外提供統(tǒng)一的Restful數(shù)據(jù)服務(wù)接口，以方便三維地理信息場(chǎng)景、圖表等前端展示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)取及解析。Restful 數(shù)據(jù)服務(wù)接口在接收到不同的調(diào)取參數(shù)時(shí)，對(duì)文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、解析，形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式進(jìn)行返回，以實(shí)現(xiàn)多元數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化傳輸。

3.3 徑流量預(yù)報(bào)產(chǎn)品生成

每日每小時(shí)50 分，利用廣西1km 對(duì)流尺度數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品、當(dāng)前時(shí)次的水庫(kù)入庫(kù)流量實(shí)況和降水、氣溫、氣壓、風(fēng)速、相對(duì)濕度等實(shí)況，驅(qū)動(dòng)徑流量短臨預(yù)報(bào)模型，生成JSON 格式的未來(lái)3h 逐小時(shí)徑流預(yù)報(bào)產(chǎn)品、流量預(yù)報(bào)產(chǎn)品，以及巖灘流域面雨量短臨預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

每日08 時(shí)，利用最新的EC 細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品、Grapes 預(yù)報(bào)產(chǎn)品和智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品、前24h 逐小時(shí)的水庫(kù)入庫(kù)流量、降水、氣溫、氣壓、風(fēng)速、相對(duì)濕度等實(shí)況，驅(qū)動(dòng)徑流量短期預(yù)報(bào)模型，生成JSON 格式的未來(lái)72h 逐小時(shí)徑流預(yù)報(bào)產(chǎn)品和流量預(yù)報(bào)產(chǎn)品，以及巖灘流域面雨量短期預(yù)報(bào)產(chǎn)品。生成的所有預(yù)報(bào)產(chǎn)品都推送到文件數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4 系統(tǒng)功能模塊建設(shè)

4.1 基于B／S 的巖灘水庫(kù)徑流量監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)

巖灘水庫(kù)徑流量監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用B／S 架構(gòu)，利用JAVA、WEB、CesiumJS 等技術(shù)進(jìn)行功能模塊開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)主要具有實(shí)況監(jiān)測(cè)、產(chǎn)流預(yù)報(bào)、短臨預(yù)報(bào)、流量預(yù)報(bào)、降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)、徑流預(yù)報(bào)檢驗(yàn)、面雨量預(yù)報(bào)訂正、用戶管理等功能模塊。

（1）實(shí)況監(jiān)測(cè)模塊主要三維展示最新的自動(dòng)站降水實(shí)況、上游龍灘水電站出庫(kù)流量和巖灘水電站入庫(kù)流量實(shí)況，同時(shí)可以疊加顯示降水色斑和水系標(biāo)注，并可實(shí)現(xiàn)三維全球影像和二維行政地圖切換顯示。

（2）產(chǎn)流預(yù)報(bào)模塊主要三維展示時(shí)間分辨率為未來(lái)72h 逐小時(shí)空間分辨率為5km 的巖灘區(qū)域產(chǎn)流預(yù)報(bào)，可單獨(dú)顯示水系產(chǎn)流預(yù)報(bào)，并可用方向箭頭顯示產(chǎn)流流向，以及4 個(gè)斷面點(diǎn)產(chǎn)流預(yù)報(bào)，并可以色斑或數(shù)值顯示產(chǎn)流預(yù)報(bào)?？砂? 倍、1.5 倍、2 倍的速率動(dòng)畫(huà)顯示產(chǎn)流預(yù)報(bào)，水電站值班人員可以直觀地了解整個(gè)巖灘流域產(chǎn)流變化情況。

（3）短臨預(yù)報(bào)模塊主要以柱狀圖和曲線圖的形式顯示未來(lái)6h 逐小時(shí)短臨面雨量預(yù)報(bào)、徑流量預(yù)報(bào)和過(guò)去24h 逐小時(shí)面雨量實(shí)況和巖灘入庫(kù)流量實(shí)況、龍灘出庫(kù)流量實(shí)況、區(qū)間流量實(shí)況。

（4）流量預(yù)報(bào)模塊主要以柱狀圖和曲線圖的形式顯示未來(lái)72h 逐小時(shí)面雨量預(yù)報(bào)、徑流量預(yù)報(bào)和過(guò)去7d 逐小時(shí)面雨量實(shí)況和巖灘入庫(kù)流量實(shí)況、龍灘出庫(kù)流量實(shí)況、區(qū)間流量實(shí)況。

（5）降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)?zāi)K主要以圖表形式展示過(guò)去10d 內(nèi)（可任選時(shí)段）智能網(wǎng)絡(luò)、EC、Grapes 三種模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)五個(gè)流域的面雨量預(yù)報(bào)與實(shí)況，以及對(duì)應(yīng)的評(píng)分。

（6）徑流預(yù)報(bào)檢驗(yàn)?zāi)K是通過(guò)自動(dòng)或主動(dòng)選取某個(gè)時(shí)間段，實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)時(shí)間段徑流預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的讀取、分析、處理。通過(guò)echarts 繪制成圖表進(jìn)行展示。默認(rèn)起始時(shí)間至結(jié)束時(shí)間跨度為10d（當(dāng)前時(shí)間至10d 前）?？砂葱枨笞孕胁樵冃枰臅r(shí)間段。點(diǎn)擊查詢，則根據(jù)所選時(shí)間段讀取、分析、處理所需數(shù)據(jù)，并繪制成圖表進(jìn)行展示。鼠標(biāo)滑到圖表上，可以展示當(dāng)前時(shí)刻的具體信息。

（7）面雨量預(yù)報(bào)訂正模塊主要是在地圖對(duì)應(yīng)的五個(gè)流域中實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)3d 面雨量預(yù)報(bào)的訂正。點(diǎn)擊預(yù)報(bào)日期和分流域，則在右側(cè)顯示對(duì)應(yīng)分流域前3d逐日面雨量歷史實(shí)況圖、基于智能網(wǎng)格、EC 和Grapes 模式產(chǎn)品分別生成的未來(lái)24h 面雨量預(yù)報(bào)及前15d 預(yù)報(bào)平均的絕對(duì)誤差評(píng)分圖，作為訂正參考依據(jù)。點(diǎn)擊提交，修改后的面雨量預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)會(huì)在指定目錄下生成一份特殊文件，監(jiān)控程序每5min 對(duì)指定目錄進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)有特殊文件后，自動(dòng)觸發(fā)徑流量預(yù)報(bào)模型程序，重新計(jì)算生成最新的徑流量預(yù)報(bào)產(chǎn)品，并將對(duì)應(yīng)的特殊文件刪除。該模塊主要是提供給預(yù)報(bào)員使用，方便其在客觀預(yù)報(bào)出現(xiàn)偏差時(shí)，進(jìn)行主觀預(yù)報(bào)訂正。

（8）用戶管理模塊主要是針對(duì)系統(tǒng)使用權(quán)限的管理。

4.2 水文數(shù)據(jù)自動(dòng)采集程序建設(shè)

水文數(shù)據(jù)自動(dòng)采集程序是采用C／S 架構(gòu)，利用同步共享技術(shù)采用JAVA 開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)等功能模塊。通過(guò)在電力部門數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上部署數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布模塊，允許外部程序通過(guò)Restful 數(shù)據(jù)服務(wù)接口獲取水文數(shù)據(jù)，并在每次被調(diào)取后清空數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)表。在氣象部門數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上部署數(shù)據(jù)調(diào)取模塊，數(shù)據(jù)調(diào)取模塊通過(guò)定時(shí)任務(wù)觸發(fā)數(shù)據(jù)調(diào)取功能，從電力部門數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布模塊的Restful 接口獲取最新水文數(shù)據(jù)，并在解析后寫(xiě)入氣象部門數(shù)據(jù)庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)水文數(shù)據(jù)同步共享。圖2 為水文數(shù)據(jù)同步流程圖。

4.3 氣象數(shù)據(jù)自動(dòng)采集程序建設(shè)

氣象數(shù)據(jù)自動(dòng)采集程序是采用C／S 架構(gòu)，采用JAVA 技術(shù)開(kāi)發(fā)氣象數(shù)據(jù)采集解析和傳輸?shù)裙δ苣K，采用多線程并行處理技術(shù)，自動(dòng)定時(shí)對(duì)各類模式產(chǎn)品采集，并按照格點(diǎn)與站點(diǎn)、格點(diǎn)與流域轉(zhuǎn)換規(guī)則，自動(dòng)解析出逐時(shí)自動(dòng)站降雨實(shí)況和流域面雨量實(shí)況，推送到文件數(shù)據(jù)庫(kù)。

5 應(yīng)用服務(wù)

巖灘水庫(kù)徑流量監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)已于2021 年12月開(kāi)始投入業(yè)務(wù)試運(yùn)行，每天08 時(shí)發(fā)布未來(lái)3d 流量預(yù)報(bào)產(chǎn)品。2022 年5 月11—13 日、27—28 日、30—31 日廣西發(fā)生三次降雨過(guò)程，受降雨影響，珠江流域西江上游龍灘水庫(kù)5 月30 日11 時(shí)入庫(kù)流量漲至10900m3·s-1，依據(jù)水利部《全國(guó)主要江河洪水編號(hào)規(guī)定》，編號(hào)為“西江2022 年第1 號(hào)洪水”，為今年我國(guó)大江大河首次發(fā)生編號(hào)洪水。巖灘水電站作為紅水河梯級(jí)電站中龍灘水電站的下一級(jí)梯級(jí)電站，受龍灘水電站出庫(kù)流量影響非常大，為做好防洪安全工作，更加迫切需要精細(xì)的徑流量預(yù)報(bào)產(chǎn)品。表1 給出在三次降雨過(guò)程中巖灘水庫(kù)日徑流量相對(duì)誤差情況，從表1 可見(jiàn)，3 次降雨過(guò)程日徑流量預(yù)報(bào)平均相對(duì)誤差為11%，根據(jù)陳劍飛［1］等的模型檢驗(yàn)方法，合格率為85.7%，達(dá)到甲級(jí)預(yù)報(bào)精度。

表1 巖灘水庫(kù)2022 年5 月11—13 日、27—28 日、30—31 日3 次降雨過(guò)程日徑流量預(yù)報(bào)及相對(duì)誤差

6 結(jié)論

本文敘述了巖灘水庫(kù)徑流量監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用的CesiumJS、Restful 等關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)系統(tǒng)構(gòu)建流程和功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“水電＋氣象”的三維場(chǎng)景融合應(yīng)用、水文氣象融合產(chǎn)品共享和訂正預(yù)報(bào)服務(wù)的功能。

巖灘水庫(kù)徑流量監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)試運(yùn)行以來(lái)，為水電部門及時(shí)提供徑流量預(yù)報(bào)等各類產(chǎn)品的共享服務(wù)，使巖灘水電站值班人員及時(shí)掌握其庫(kù)區(qū)精準(zhǔn)的徑流量監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)信息，為水電站在制訂發(fā)電計(jì)劃、優(yōu)化調(diào)度、防災(zāi)減災(zāi)決策工作中提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

徑流量預(yù)報(bào)模型業(yè)務(wù)運(yùn)行還沒(méi)有經(jīng)過(guò)完整的汛期檢驗(yàn)，今后將進(jìn)一步評(píng)估模型算法并對(duì)模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整訂正，以期提高徑流量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，同時(shí)在業(yè)務(wù)中不斷優(yōu)化系統(tǒng)，豐富水文氣象融合產(chǎn)品，從而更進(jìn)一步提升水電氣象服務(wù)能力。