流域河系洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化研究與應(yīng)用

黃啟有，胡 可，于思洋，江冬青，姚超宇

(1.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014；2.湖南省水旱災(zāi)害防御事務(wù)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410007；3.湖南省水文水資源勘測(cè)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410008)

0 引 言

我國(guó)幅員遼闊，960多萬km2的土地上主要分布有長(zhǎng)江、黃河、珠江、海河、淮河、松花江、遼河七大流域[1]，七大流域中10 000 km2及以上的河流131條，1 000 km2及以上的河流1 288條[2]。這些河流的大部為樹狀水系，只有部分河流的下游或尾閭地區(qū)為河網(wǎng)水系。對(duì)于流域管理機(jī)構(gòu)，往往需要對(duì)流域河系內(nèi)的多條河流的眾多斷面進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)；同時(shí)，由于流域內(nèi)建有多個(gè)具有調(diào)節(jié)性能的水庫，水庫調(diào)洪對(duì)斷面的洪水預(yù)報(bào)有著直接的影響，導(dǎo)致河系洪水的預(yù)報(bào)較為復(fù)雜，牽一發(fā)而動(dòng)全身。對(duì)于大流域河系洪水的預(yù)報(bào)和調(diào)度，涉及預(yù)報(bào)調(diào)度一體化、模型云及防洪聯(lián)合調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)。長(zhǎng)委水文局陳瑜彬等[3]基于現(xiàn)有的洪水預(yù)報(bào)和水庫調(diào)度兩大業(yè)務(wù)系統(tǒng)平行式獨(dú)立建設(shè)帶來的河流防洪調(diào)度業(yè)務(wù)阻隔，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套流域防洪預(yù)報(bào)調(diào)度一體化體系，實(shí)現(xiàn)了洪水預(yù)報(bào)與防洪調(diào)度兩大業(yè)務(wù)相關(guān)海量數(shù)據(jù)的快速處理、分享與分析；劉金平等[4]結(jié)合區(qū)域拓?fù)溥B接，對(duì)交互式洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)開展了研究，并在淮河洪水預(yù)報(bào)中開展了應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在水利信息化領(lǐng)域應(yīng)用的大力開展，流域洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化及防洪減災(zāi)方面取得的成果越來越多[5]。

本文以流域樹狀河系內(nèi)多斷面/水庫的洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化為目標(biāo)，通過對(duì)河系內(nèi)的預(yù)報(bào)單元、河段、預(yù)報(bào)斷面、水庫等的拓?fù)浠呕?，結(jié)合洪水預(yù)報(bào)、水庫調(diào)度和洪水演進(jìn)的模型類型及結(jié)構(gòu)，采用參數(shù)化配置和模型云計(jì)算服務(wù)等手段，實(shí)現(xiàn)河系洪水預(yù)報(bào)調(diào)度的一體化及無縫耦合。

1 預(yù)報(bào)調(diào)度一體化方法

預(yù)報(bào)調(diào)度一體化由方案創(chuàng)建和一體化計(jì)算兩部分組成。其中，方案創(chuàng)建主要是包括拓?fù)涓呕屯負(fù)鋵?duì)象的參數(shù)化，通過結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)河系洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化方案的自定義和參數(shù)化配置創(chuàng)建；一體化計(jì)算主要是基于預(yù)報(bào)單元的洪水預(yù)報(bào)模型、河段的洪水演進(jìn)模型，以及單庫的防洪調(diào)度模型，根據(jù)拓?fù)鋵?duì)象的上下游連接關(guān)系，順序調(diào)用模型云的各個(gè)計(jì)算服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)全流域的洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化計(jì)算。

1.1 方案創(chuàng)建

1.1.1 拓?fù)涓呕?/p>

將流域內(nèi)全部的預(yù)報(bào)斷面和調(diào)節(jié)水庫對(duì)象概化為不同類型的節(jié)點(diǎn)并分類型賦予其屬性，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的上下游關(guān)系及是否考慮相鄰節(jié)點(diǎn)間區(qū)間的洪水預(yù)報(bào)，采用帶指向的實(shí)線或虛線對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接代表河段，生成流域內(nèi)全部預(yù)報(bào)調(diào)度對(duì)象節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)間河段的拓?fù)鋱D，如圖1所示。

圖1 河系拓?fù)鋵?duì)象概化示意

節(jié)點(diǎn)類型有兩種：一是預(yù)報(bào)斷面，用1表示，拓?fù)浞?hào)為圓圈帶名稱注記；另一種是調(diào)節(jié)水庫，用2表示，拓?fù)鋱D符號(hào)為長(zhǎng)方體帶名稱注記。節(jié)點(diǎn)屬性包括：節(jié)點(diǎn)編碼、節(jié)點(diǎn)名稱、節(jié)點(diǎn)類型、關(guān)聯(lián)測(cè)站編碼、上游節(jié)點(diǎn)編碼、下游節(jié)點(diǎn)編碼、所屬方案編碼。帶指向的實(shí)線，表示該相鄰節(jié)點(diǎn)間的區(qū)間河段含區(qū)間預(yù)報(bào)單元；虛線表示相鄰節(jié)點(diǎn)間的區(qū)間河段不考慮區(qū)間洪水預(yù)報(bào)。

1.1.2 參數(shù)化

參數(shù)化包括四類：一是預(yù)報(bào)單元的預(yù)報(bào)方案及模型參數(shù)的參數(shù)化；二是斷面/水庫對(duì)象的洪水組成參數(shù)化；三是河段洪水演進(jìn)的模型方案與參數(shù)的參數(shù)化；四是水庫對(duì)象的調(diào)度方式及模型參數(shù)的參數(shù)化。

(1)預(yù)報(bào)單元。將拓?fù)鋱D中所有的源頭節(jié)點(diǎn)和實(shí)線型河段生成預(yù)報(bào)單元并關(guān)聯(lián)預(yù)報(bào)單元的水文模型類型、參數(shù)及降雨蒸發(fā)站點(diǎn)屬性。其中，源頭節(jié)點(diǎn)指的是拓?fù)鋱D中干流或支流的最上游的節(jié)點(diǎn)，可以為斷面或者水庫對(duì)象，預(yù)報(bào)單元的模型類型包括但不限于以下幾類：新安江模型，用1表示；陜北模型，用2表示；…。預(yù)報(bào)單元及其關(guān)聯(lián)的模型參數(shù)屬性包括：預(yù)報(bào)單元編碼、預(yù)報(bào)單元名稱、預(yù)報(bào)單元面積、雨量站點(diǎn)列表信息、蒸發(fā)站點(diǎn)列表信息、模型類型、模型參數(shù)。

(2)洪水組成。對(duì)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的斷面和水庫節(jié)點(diǎn)對(duì)象，需要關(guān)聯(lián)洪水組成，以便進(jìn)行洪水過程的疊加得到斷面預(yù)報(bào)的洪水過程或水庫的入庫流量過程。通過尋找上游對(duì)象以及識(shí)別上游對(duì)象與本節(jié)點(diǎn)之間的河段類型，自動(dòng)創(chuàng)建本節(jié)點(diǎn)的洪水組成。對(duì)于源頭斷面或水庫，上游無對(duì)象，洪水組成僅包含源頭斷面或水庫以上流域的預(yù)報(bào)單元，其他有上游對(duì)象的斷面或水庫，除了上游對(duì)象經(jīng)河段洪水演算后的來水外，還有區(qū)間來水，其中實(shí)線河段代表區(qū)間的預(yù)報(bào)單元，虛線河段代表不考慮區(qū)間來水。

(3)河段對(duì)象。對(duì)拓?fù)鋱D中所有的實(shí)線和虛線河段關(guān)聯(lián)河道洪水演進(jìn)模型類型及參數(shù)屬性。以馬斯京根法為例，模型類型及參數(shù)賦值信息如下：模型類型編碼(用11表示)，模型名稱(“馬斯京根法”)，模型參數(shù)1(分段數(shù)，用n表示)，模型參數(shù)2(槽蓄曲線坡度，用KE表示)，模型參數(shù)3(流量比重系數(shù)，用XE表示)。

(4)水庫對(duì)象。對(duì)拓?fù)鋱D中所有的調(diào)節(jié)水庫對(duì)象節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)水庫的特征曲線和調(diào)度方式及調(diào)度參數(shù)屬性。水庫節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)信息包括庫容曲線列表、泄流曲線列表、調(diào)度方式編碼、調(diào)度方式名稱、調(diào)度參數(shù)。其中，調(diào)度方式編碼包括規(guī)則調(diào)度，用1表示；預(yù)泄調(diào)度，用2表示；指令調(diào)度，用3表示；水位控制調(diào)度，用4表示；出庫控制調(diào)度，用5表示；無調(diào)度，用0表示。以規(guī)則調(diào)度為例，調(diào)度參數(shù)包括當(dāng)前水位、當(dāng)前出庫、分級(jí)數(shù)、每一級(jí)的控制水位和控制流量等。

1.1.3 方案存儲(chǔ)

一體化方案涉及的預(yù)報(bào)斷面和調(diào)節(jié)水庫數(shù)量一般較多，各類模型參數(shù)也較多。為了提高B/S系統(tǒng)的處理效率，采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對(duì)一體化方案進(jìn)行存儲(chǔ)，中間通過json格式的數(shù)據(jù)交互方式傳遞，實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋱D與方案數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)換。

一體化方案采用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，包含的列表有主表、節(jié)點(diǎn)配置表、對(duì)象參數(shù)配置表、預(yù)報(bào)單元配置表等。主表信息包含方案名稱、方案編碼、所屬流域編碼、所屬流域名稱、創(chuàng)建者；節(jié)點(diǎn)配置表包含節(jié)點(diǎn)編碼、節(jié)點(diǎn)名稱、節(jié)點(diǎn)類型、關(guān)聯(lián)測(cè)站編碼、上游節(jié)點(diǎn)編號(hào)、下游節(jié)點(diǎn)編號(hào)、所屬方案編碼。對(duì)象參數(shù)配置表包含：對(duì)象編碼，對(duì)象名稱，對(duì)象類型(源頭斷面節(jié)點(diǎn)、源頭水庫節(jié)點(diǎn)、其他斷面節(jié)點(diǎn)、其他水庫節(jié)點(diǎn)、實(shí)線河段、虛線河段)，模型類型，模型參數(shù)，等等。預(yù)報(bào)單元配置表包括：雨量站點(diǎn)編碼、雨量站點(diǎn)名稱、面積權(quán)重、相應(yīng)河段數(shù)、相應(yīng)蒸發(fā)站點(diǎn)編碼、所屬預(yù)報(bào)單元編碼、所屬預(yù)報(bào)單元名稱、預(yù)報(bào)單元面積、蒸發(fā)站點(diǎn)編碼、蒸發(fā)站點(diǎn)名稱。

圖2 河系洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化串行計(jì)算流程

1.2 一體化計(jì)算

1.2.1 模型云計(jì)算服務(wù)

“模型云”是將很多個(gè)單獨(dú)的模型算法(計(jì)算引擎)分別進(jìn)行封裝，并部署于云端，每個(gè)模型均以接口形式對(duì)外提供模型計(jì)算服務(wù)。預(yù)報(bào)調(diào)度一體化主要涉及三類模型，分別是洪水預(yù)報(bào)模型、水庫防洪調(diào)度模型、洪水演進(jìn)模型?？紤]到一體化方案數(shù)據(jù)量相對(duì)較大，以及模型計(jì)算服務(wù)的安全性，數(shù)據(jù)請(qǐng)求采用帶Token的POST請(qǐng)求方式。以新安江模型為例，將16個(gè)模型參數(shù)、初始值、預(yù)報(bào)單元面積、雨量站點(diǎn)權(quán)重及降雨量時(shí)間序列、蒸發(fā)站點(diǎn)信息及蒸發(fā)量時(shí)間序列等作為請(qǐng)求體，結(jié)合模型服務(wù)的URL地址、請(qǐng)求方式、請(qǐng)求頭等向模型云服務(wù)后臺(tái)發(fā)起請(qǐng)求，模型計(jì)算完成返回用戶需要的預(yù)報(bào)流量過程時(shí)間序列。

1.2.2 計(jì)算順序

樹狀河系下游斷面或水庫的洪水由上游匯流而來，是一個(gè)順序計(jì)算的過程，根據(jù)一體化方案計(jì)算量的大小及拓?fù)鋵?duì)象的分層關(guān)系，可采用串行或串并行結(jié)合的方式。當(dāng)同一層級(jí)中的拓?fù)鋵?duì)象數(shù)量不多時(shí)，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)資源串行和并行計(jì)算的效率不會(huì)有明顯的差別，而當(dāng)同一層級(jí)中的拓?fù)鋵?duì)象相對(duì)較多時(shí)，并行處理的方式將在一定程度上提高一體化計(jì)算的效率。

(1)串行計(jì)算。根據(jù)拓?fù)鋱D中所有節(jié)點(diǎn)的上下游關(guān)系及節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間河段類型，自上而下按順序分類型進(jìn)行分區(qū)洪水預(yù)報(bào)、河道洪水演算、洪水組成疊加、水庫調(diào)洪計(jì)算。以圖2為例，一體化計(jì)算步驟如下：第1步，源頭節(jié)點(diǎn)A斷面以上流域的預(yù)報(bào)單元洪水預(yù)報(bào)計(jì)算；第2步，AB斷面間的區(qū)間預(yù)報(bào)單元洪水預(yù)報(bào)計(jì)算；第3步，A斷面流量演算至B斷面；第4步，將第3步的計(jì)算結(jié)果疊加第2步的計(jì)算結(jié)果，得到B斷面預(yù)報(bào)流量過程；第5步，將B斷面流量演算至C水庫；第6步，源頭節(jié)點(diǎn)F斷面以上流域的預(yù)報(bào)單元洪水預(yù)報(bào)計(jì)算；第7步，F(xiàn)斷面流量演算至C水庫；第8步，F(xiàn)C斷面間的區(qū)間預(yù)報(bào)單元洪水預(yù)報(bào)計(jì)算；第9步，將第5步、第7步、第8步的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊加，得到C水庫的預(yù)報(bào)入庫流量過程，并按照約定的調(diào)度方式進(jìn)行C水庫的調(diào)洪計(jì)算，得到C水庫的出庫流量過程和壩前水位過程；其他以此類推。

(2)串并行結(jié)合計(jì)算。串并行相結(jié)合的計(jì)算方式分兩種情況：①分層計(jì)算，長(zhǎng)江流域洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化即為該方式。采用樹形分層方法保證關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)依據(jù)上下游拓?fù)潢P(guān)系順序計(jì)算，首先根據(jù)樹形結(jié)構(gòu)劃分計(jì)算層次，此時(shí)計(jì)算層數(shù)與樹的深度相同，然后從最高級(jí)葉結(jié)點(diǎn)開始，按照從高到低的原則逐級(jí)計(jì)算至根結(jié)點(diǎn)，其中同一層次的所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)完成相關(guān)計(jì)算，下一層次只能在上一層次結(jié)點(diǎn)全部計(jì)算完畢后開始[6-10]。②預(yù)報(bào)單元產(chǎn)匯流計(jì)算并行河道匯流計(jì)算串行(見圖3)。由于河系洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化中大量的計(jì)算主要集中在預(yù)報(bào)單元的產(chǎn)匯流計(jì)算上，第1步，即采用并行的方式，對(duì)所有的預(yù)報(bào)單元，同時(shí)進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，得到各個(gè)預(yù)報(bào)單元的預(yù)報(bào)流量過程；第2步，自上游向下游，進(jìn)行分段河道洪水演進(jìn)與疊加計(jì)算及水庫調(diào)洪計(jì)算。在第2步的河道匯流中，也可采用分層的方式并行，但意義不大。該串并行結(jié)合的方式相較串行方式，具有更高的計(jì)算效率。

圖3 預(yù)報(bào)單元產(chǎn)匯流計(jì)算并行河道匯流計(jì)算串行流程

圖4 澧水流域預(yù)報(bào)調(diào)度一體化拓?fù)涫疽?/p>

2 應(yīng)用案例

澧水為洞庭湖水系第四大河流，流域面積為18 583 km2，河流全長(zhǎng)388 km，總落差1 439 m，河道平均坡度0.113%。澧水流域位于湘西北暴雨高值區(qū)內(nèi)，流域暴雨強(qiáng)度大，洪水陡漲陡落，一次洪水過程大概在3～5 d。

澧水流域預(yù)報(bào)調(diào)度一體化方案包括15個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)象。其中，斷面節(jié)點(diǎn)12個(gè)，水庫節(jié)點(diǎn)3個(gè)，詳見表1。

根據(jù)澧水流域預(yù)報(bào)調(diào)度一體化方案，包括預(yù)報(bào)單元15個(gè)，分別是：涼水口以上；涼水口—桑植區(qū)間；桑植—張家界區(qū)間；淋溪河以上；淋溪河—江埡區(qū)間；雙楓潭以上；江埡、雙楓潭—長(zhǎng)潭河區(qū)間；雁池以上；雁池—皂市區(qū)間；張家界、長(zhǎng)潭河、皂市—石門區(qū)間；石門—澧縣區(qū)間；臨澧以上；澧縣、臨澧—津市區(qū)間；王家廠以上；津市、王家廠—石龜山區(qū)間。

對(duì)澧水流域全部的節(jié)點(diǎn)和河段根據(jù)預(yù)報(bào)方案進(jìn)行拓?fù)涓呕?，如圖4所示。

表1 節(jié)點(diǎn)對(duì)象列表信息

表2 各河段河道洪水演進(jìn)模型類型及參數(shù)

表3 各水庫調(diào)度方式及調(diào)度參數(shù)

15個(gè)預(yù)報(bào)單元的洪水預(yù)報(bào)均選用新安江模型，河段的河道洪水演進(jìn)選用馬斯京根法，江埡、皂市、王家廠3個(gè)水庫，均按單庫調(diào)度的方式，可自由選擇不同的調(diào)度模型。計(jì)算方案中河段洪水演進(jìn)的參數(shù)如表2所示，3個(gè)水庫調(diào)度方式如表3所示。

以2020年7月1日08∶00～2020年7月20日08∶00連續(xù)降雨為研究對(duì)象，通過獲取實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)，結(jié)合模型云后臺(tái)服務(wù)，進(jìn)行預(yù)報(bào)調(diào)度一體化計(jì)算，得到各預(yù)報(bào)斷面和水庫的預(yù)報(bào)調(diào)度模擬計(jì)算結(jié)果。其中，部分?jǐn)嗝婧退畮煺{(diào)洪計(jì)算結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 雙楓潭預(yù)報(bào)斷面實(shí)測(cè)與預(yù)報(bào)成果對(duì)比

圖6 皂市水庫預(yù)報(bào)洪水調(diào)洪計(jì)算過程

3 結(jié) 論

本文結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，提出了一種大流域河系洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化方法，通過對(duì)流域內(nèi)的全部預(yù)報(bào)斷面和調(diào)節(jié)水庫對(duì)象進(jìn)行節(jié)點(diǎn)概化，根據(jù)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的上下游關(guān)系，對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行河段分段和河段的分類型概化；基于節(jié)點(diǎn)及河段的類型等，關(guān)聯(lián)相應(yīng)的洪水預(yù)報(bào)、水庫調(diào)度和洪水演進(jìn)模型及參數(shù)，通過自上而下的分類型順序計(jì)算，進(jìn)行大流域多預(yù)報(bào)斷面和水庫對(duì)象的洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化模擬計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了預(yù)報(bào)調(diào)度計(jì)算的一體化及方案的靈活配置，對(duì)于大流域河系洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)具有重要的參考價(jià)值。