洪水預報和防汛調度系統(tǒng)中的仿真技術應用

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簡介： 該文以天津防汛決策支持系統(tǒng)的設計開發(fā)為例，首先介紹了該系統(tǒng)的開發(fā)目標、原則與范圍，分析了系統(tǒng)的總體功能與邏輯結構，在此基礎上闡明了系統(tǒng)的核心是建立洪水預報和調度仿真子系統(tǒng)，并對該核心子系統(tǒng)的開發(fā)目標、模型技術、邏輯結構與數(shù)據(jù)流程進行了詳盡的論述。
關鍵字：洪水預報 防汛調度 仿真應用

The emulate technique application in flood forecast and flood-control system

　　Abstract: The thesis introduces the objective, principle and confine of Tianjinflood-control decision support system design and research, andanalyzes its general function and logic structure, discusses the flood forecast and flood-control emulate subsystem of its kernel research, In addition, the research objective, model technology, logic structure and date flow of the kernel subsystem also be elaborated.

　　Keywords：flood forecast flood-control emulate application

　　1、引言

　　天津是我國人口最稠密、經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)之一，同時又是受洪災、澇災、潮災威脅最大的地區(qū)之一。因此，被國家確定為防洪重點城市。

　　在天津市防汛、抗旱及水資源綜合利用的調度中，因相關工程特別是信息系統(tǒng)建設的不盡配套和完善，往往出現(xiàn)交叉和沖突，矛盾尖銳，當汛前需放空水庫迎汛而汛期又無汛蓄不上水時，或汛期需要利用河道排瀝、泄洪，而城市供水又不能中斷時，其矛盾更為突出。這些實際工作中的大量問題必須依靠先進的防汛信息系統(tǒng)特別是防汛決策支持系統(tǒng)的應用才能切實可行地解決。

　　2、天津防汛決策支持系統(tǒng)的開發(fā)目標、原則、范圍與任務

　　2.1、天津防汛決策支持系統(tǒng)的開發(fā)目標

　　在現(xiàn)有各類防汛應用軟件系統(tǒng)的基礎上，通過補充、擴展和集成開發(fā)，初步建成完善、合理的防汛綜合數(shù)據(jù)庫和高效、可靠、實用、先進的信息查詢系統(tǒng)，并完成薊運河系洪水預報及調度仿真系統(tǒng)的研制開發(fā)。該系統(tǒng)應能快速及時準確地提供計算機網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的防汛信息，靈活地以圖文并茂、聲像一體的方式顯示天津市防洪宏觀決策所需要的主要雨水工情信息和防洪形勢，并應用先進的預報調度數(shù)學模型，定量預測薊運河水雨工情的變化對防洪系統(tǒng)洪水情勢的影響，改善防洪調度手段，使防汛調度決策指揮向現(xiàn)代化、信息化再邁上一個新臺階。

　　2.2、天津防汛決策支持系統(tǒng)的開發(fā)原則

　　1)堅持實用性與先進性的統(tǒng)一，在實用條件下力求先進。采用的技術解決方案以及自行開發(fā)的軟件和模型，應在實用的前提下力求技術的高起點和先進性，并應適應未來的技術發(fā)展趨勢，以保證系統(tǒng)具有開放性、可擴充性和較長的使用期。其中洪水預報調度部分的設計，采取國內開發(fā)的模型與從國外引進模型相結合聯(lián)合運用的方式，達到既先進又實用的目的。

　　2)在決策支持策略方面，通過洪水預報和調度仿真模型來支持防汛決策的定量化。加強信息資源的有效利用，以支持經(jīng)驗決策。通過交互式平臺，實現(xiàn)非結構化或半結構化問題向結構化問題的轉換，實現(xiàn)防汛調度預案向實時環(huán)境的過渡；通過多模型、多方法途徑，來支持洪水預報結果的綜合取用和防汛調度的風險決策，以降低防汛決策過程中的不確定性。力求最優(yōu)的減災方案和最大的減災效果。

　　3)充分利用現(xiàn)有的模型、數(shù)據(jù)和應用系統(tǒng)資源，不搞或盡量減少重復建設和開發(fā)。注重系統(tǒng)具有易操作與標準化的特點，兼顧多功能與兼容性。

　　4)系統(tǒng)開發(fā)應遵循全面設計、分步實施、逐步完善的原則。遵循安全性、保密性和共享性的原則，處理好數(shù)據(jù)資源共享與數(shù)據(jù)安全和保密的關系。

　　2.3、天津防汛決策支持系統(tǒng)的開發(fā)范圍

　　由于時間和經(jīng)費限制，天津城市防洪信息系統(tǒng)工程中的決策支持系統(tǒng)設計開發(fā)范圍為：決策支持系統(tǒng)防汛綜合數(shù)據(jù)庫、信息接收處理、信息顯示查詢子系統(tǒng)及系統(tǒng)集成的開發(fā)范圍覆蓋整個天津市；而洪水預報和調度仿真子系統(tǒng)則以集防洪、排澇、供水于一河的薊運河系為典型進行示范開發(fā)。

　　3、天津防汛決策支持系統(tǒng)的總體功能與邏輯結構

　　3.1、天津防汛決策支持系統(tǒng)的總體功能

　　根據(jù)支持對象的信息需求和支持功能要求，可將系統(tǒng)總體功能劃分為三個層次：信息接收處理與信息管理、業(yè)務分析處理、信息服務和會商支持。

　　3.1.1、信息接收處理與信息管理

　　本層次的主要功能為系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫的建立、管理和維護，以及水、雨、工、災情信息的接收、處理和分類入庫；提供雨水工情信息的自動顯示，并輔有自動超警、超保提示、告警功能，使值班人員在不操作或少量操作的情況下，及時了解汛情的位置和密切監(jiān)視汛情的發(fā)展。

　　3.1.2、業(yè)務分析處理

　　通過災害性暴雨預測和洪水預報模型，結合防洪形勢的數(shù)據(jù)挖掘分析，可以得到未來一定時段天氣及水雨情變化的發(fā)展趨勢，為防汛對策的制定提供依據(jù)；借助于防洪調度、洪水演進和災情評估模型，就可以對防洪調度方案進行蓄泄效果的水情仿真，并實現(xiàn)洪水災害的超前預估。

　　3.1.3、信息服務和會商支持

　　信息服務和會商支持功能主要針對綜合數(shù)據(jù)庫和各應用子系統(tǒng)的分析結果(而非面向其分析過程)，通過提供一個綜合分析環(huán)境，對各類信息和各具體分析結果進行篩選、重組和綜合，形象、直觀、簡明地全方位、多側面展示當前防洪形勢和決策問題的宏觀特征。同時重點對防洪調度方案仿真結果進行綜合評價，以增強決策參謀和高層決策者在防洪決策過程中的分析、綜合、洞察和判斷能力。

　　3.2、天津防汛決策支持系統(tǒng)的邏輯結構

　　系統(tǒng)的總體邏輯結構框架可分為三個層次：人機接口層、系統(tǒng)應用層和系統(tǒng)信息支撐層，如圖1所示。

　　4、薊運河實時洪水預報和調度仿真子系統(tǒng)

　　4.1、實時洪水預報和調度仿真子系統(tǒng)的開發(fā)目標

　　針對天津市薊運河系防洪排瀝的實際情況，進行數(shù)據(jù)預處理、支流和區(qū)間洪水預報、水庫和蓄滯洪區(qū)調度運用、防洪系統(tǒng)的洪水演進等軟件的開發(fā)，以及建立模型交互應用平臺；同時以近期實測洪水資料對整個模型進行率定、檢驗、調試和試運行，最終形成以國內外先進專業(yè)軟件為內核、實用性強、功能豐富的實時洪水預報和調度仿真子系統(tǒng)。

　　4.2、實時洪水預報和調度仿真子系統(tǒng)的模型技術

　　4.2.1、子系統(tǒng)的系統(tǒng)架構

　　整個實時洪水預報和調度仿真子系統(tǒng)建立在全局水力學模型的架構之上，但充分發(fā)揮水文學與水力學各自的優(yōu)勢。具體來說采用水文學模型對支流和區(qū)間的產匯流過程進行預測和模擬，以此作為水力學模型的輸入；對水庫調蓄、蓄滯洪區(qū)的運用、河道洪水演進根據(jù)問題性質和實際情況，分別選用蓄水式節(jié)點調蓄、一、二維洪水演進的方法，合理恰當動態(tài)地描述洪水在防洪系統(tǒng)中的流動狀態(tài)。

　　根據(jù)建模經(jīng)驗，擬采用具有模塊結構特點，水文學與水力學方法相結合的建模路線，將集水區(qū)、河道、蓄滯洪區(qū)、水庫、河口潮位、排瀝泵站、涵閘等連接起來進行統(tǒng)一模擬。系統(tǒng)中水庫、蓄滯洪區(qū)、支流和區(qū)間來水以及洼淀產水均采用水文預報方法計算；薊運河河道洪水演進采用水力學一維非恒定流差分算法，考慮河道漫溢、決堤等效應；對于黃莊洼、盛莊洼和太和洼采用蓄水單元處理并聯(lián)入河道一維算法，不進行泛區(qū)內的洪水演進，但考慮洪水吐納以及蓄滯洪區(qū)的調蓄作用；對于青甸洼，考慮到一旦分洪后，水位變幅較大，加之范圍大、內有隔堤，采用二維非恒定流算法，進行泛區(qū)洪水演進，以描述分洪后洪水在泛區(qū)內的動態(tài)演進過程。薊運河防潮閘是系統(tǒng)的下邊界，給出反映潮汐往復流特點的潮位邊界條件。薊運河水情仿真結構見圖2。

　　4.2.2、洪水預報模型技術

　　就洪水預報模型而言，我國南方濕潤地區(qū)降雨徑流過程模擬的技術水平較高，已成功地建成普遍適用的流域水文模型，國外也有一批較為適用的洪水預報模型，這些模型均已投入作業(yè)運行，在防汛調度中發(fā)揮了重要的作用。但是，不管是國外還是國內現(xiàn)有的水文預報模型，其在具有典型北方半干旱地區(qū)流域特性的薊運河流域的適用性均需通過開發(fā)和應用加以驗證。

　　半干旱地區(qū)洪水預報是一個世界性難題，其原因除沒有比較實用于半干旱地區(qū)的洪水預報模型外，降水在時、空分布極度不均勻，更增加預報的困難。洪水預報各環(huán)節(jié)所用的技術問題都影響洪水預報的精度。為此建立薊運河洪水預報系統(tǒng)應注重對處理上述問題所用技術的論證和方案的比選。

　　1997年底，水利部首次舉辦了全國水文預報技術競賽，它展示了近20年來我國研制和應用水文模型的主要成就和經(jīng)驗。參加全國水文預報技術競賽、代表國內外先進、實用的流域水文模型有10個，其中我國自行研制的有5個，有新安江模型、姜灣模型、雙超產流模型、雙衰減曲線模型、河北雨洪模型；從國外引進并加以改進的也有5個，有意大利綜合約束線性系統(tǒng)模型(SCLS)、美國連續(xù)API模型、改進的丹麥降雨徑流模型(NAM)、日本水箱模型、美國薩克門托模型(Sacramento)。為驗證參賽模型的適用性和精度，競賽組織者挑選了全國范圍內6個資料條件好、有一定代表性的流域進行預報驗證，從預報結果來看，對于干旱、半干旱地區(qū)，10個國內外水文模型的預報技術均不甚理想。大會認為，對于干旱、半干旱地區(qū)至今國內外尚難以找到一個適合的流域水文模型。

　　(1)國內模型――新安江模型

　　新安江模型由河海大學趙人俊教授于二十世紀70年代提出，屬集總性的概念模型。它按一層、二層或三層蒸散發(fā)模式計算流域蒸散發(fā)，按蓄滿產流概念計算降雨產生的總徑流，采用流域蓄水曲線考慮下墊面不均勻對產流面積變化的影響。該模型在濕潤和半濕潤地區(qū)有廣泛的應用，并且應用效果良好。

　　(2)國內模型――南京水文所模型(NRIHM)

　　南京水文所模型由水利部南京水文水資源研究所文康教授等專家于二十世紀80年代提出。該模型有三個基本點：第一，產流的條件是i>f，其中i代表供水強度，如雨強、土層內上層向下層的供水率等；f代表損失強度，如土壤下滲率；第二，假定流域下墊面條件均勻，存在一條空間平均的損失率過程（簡稱損失率曲線）；第三，假定流域損失率空間分布主要受控于流域土壤含水量的變化，因而該分布是時變的，并且具有時變的空間定義域，若定義域為全流域，則為全流域分布；否則為部分流域分布。流域空間平均損失率曲線與流域損失率空間分布曲線相結合，構成產流計算模型；根據(jù)i>f的原則進行時段產流量計算。該模型既適用于濕潤地區(qū)，也適用于半濕潤、半干旱地區(qū)的產流計算。

　　(3)國外模型――丹麥水力研究所模型(NAM)

　　NAM是丹麥語“降雨徑流模型”的縮寫，模型最初由丹麥技術大學于1973年提出，后經(jīng)丹麥水力研究所(簡稱DHI)逐步完善。NAM模型也是一個集總性的概念模型。該模型在國外評價較高，國內也在長江中游的洪水預報(包括98年大洪水)、嘉陵江、沱江和岷江的水質研究，淮河整體的水質研究，蘇州河的改

　　造分析研究中得到應用，效果良好。

　　在設計中采用國內外模型并用、合理選用的途徑(例如美國國家洪水預報系統(tǒng)也采用我國的新安江預報模型)來解決洪水預報和調度仿真問題。形成以國內外先進軟件為內核、實用性強、功能豐富的城市防汛決策支持系統(tǒng)。具體來說，洪水預報模型系統(tǒng)包括自主開發(fā)新安江三水源預報模型和南京水文所洪水預報模型，以及引進開發(fā)DHI的NAM洪水預報模型。

　　考慮到流域面上降雨不均勻、下墊面產匯流機理不清、人類活動影響顯著等困難，擬采用適合北方地區(qū)產匯流特征的流域模型，并結合基于雨量等值線的流域面平均雨量計算方法。此外還設計開發(fā)實用有效的實時校正模式、水情趨勢分析模式、多模型預報有效綜合模式，建立洪水預報的交互式平臺，以計算機技術、洪水預報方法與專家經(jīng)驗融為一體的方式實現(xiàn)對預報模型結果的綜合分析和交互校正。

　　4.2.3、洪水演進和調度仿真模型技術

　　就計算水力學的發(fā)展而言，二十世紀70年代初，河道洪水演進的一維非恒定流計算已相當成熟并廣泛應用于洪水波在河網(wǎng)中的流動計算。近年來，二維模型在大范圍泛區(qū)洪水演進中的應用也日益增多，但根據(jù)河網(wǎng)、蓄滯洪區(qū)和堤防地形特征、水流特點以及洪水演進機制，建立一、二維混合非恒定流計算模型，進行整個防洪系統(tǒng)防洪調度的水情仿真，仍是當今各國競相開展、尚待解決的重要防洪課題。

　　(1)國內模型

　　就防洪系統(tǒng)水情仿真模型而言，國內不少單位開發(fā)了一系列非商業(yè)化模型，在防洪規(guī)劃和調度分析中發(fā)揮了實際的效用。

　　水利部南京水文水資源研究所于“八.五”國家重點科技攻關項目中開發(fā)了一、二維混合非恒定流模型。該模型能適應各種復雜條件，進行河網(wǎng)、水庫、蓄滯洪區(qū)和排瀝入?yún)R的洪水演進和調度仿真，能夠反映洪水在河系中的動態(tài)演進過程和評估防汛調度方案的蓄泄效果。該研究成果曾獲97年度國家科技進步二等獎和96年度水利部科技進步一等獎。后經(jīng)過五年的不斷改進完善和運用，已形成了基于GIS電子地圖圖形用戶界面、以一、二維洪水演進模型為內核、功能豐富和適應性強的調度仿真系統(tǒng)。已在長江中下游防洪規(guī)劃、洞庭湖綜合治理、98’長江大洪水災后重建規(guī)劃、珠江東江的綜合治理規(guī)劃等方面得到廣泛應用，獲得滿意的成果。但國內模型在運用于薊運河水系時，存在模型是否適應北方產匯流特性和流域下墊面條件變化的問題，需進行降雨分布不均、流域局部產流和模型參數(shù)優(yōu)化率定等技術處理來提高模型的適應性和預報精度；且在圖形用戶界面、與GIS地理信息系統(tǒng)等高新技術的聯(lián)合應用以及模型的系統(tǒng)性、周密性和通用性等方面與國際先進軟件系統(tǒng)尚有一定的差距。

　　(2)國外模型

　　國外目前已有多種商業(yè)化的一維非恒定流洪水演進模型，廣泛應用于工程實際，其中之一是國際知名水力軟件公司丹麥水力研究所(DHI)研制的一維河渠模擬程序包(MIKE-11)。該模型集河流水網(wǎng)水力學、流域降雨徑流模擬、泥沙輸運和水質模擬于一體，考慮周密、功能全面，配備了友好的圖形用戶界面和豐富的前、后處理功能，可與MIKE-GIS地理信息系統(tǒng)聯(lián)合應用，為河流防洪、渠系灌溉以及水質控制系統(tǒng)的建立提供代表當前發(fā)展水平的核心專業(yè)分析工具。但MIKE-11軟件包中的NAM洪水預報模型，未見在我國北方地區(qū)成功運用的先例，因此該模型是否適應具有典型北方產匯流和流域下墊面條件變化的薊運河水系的洪水預報問題，有待通過開發(fā)應用加以驗證；且MIKE-11軟件包具有河網(wǎng)與蓄滯洪區(qū)洪水演進功能，但不具有二維泛區(qū)演進和一維河網(wǎng)的聯(lián)合模擬功能。

　　本設計以薊運河防洪系統(tǒng)為對象，以引進的MIKE 11及國內開發(fā)的同類模型為核心，結合防汛調度的具體要求，進行洪水演進和防洪調度仿真。薊運河實時預報調度仿真模塊流程見圖3。

　　4.2.4、洼淀產水和排瀝入?yún)R模型技術

　　由于流域內區(qū)間瀝水占有較大比重，必須在模型中恰當?shù)丶右钥紤]，才能使得水情預測更趨于實際。初步考慮建立沿河排瀝水量模塊，即根據(jù)區(qū)間或洼淀的實測降雨過程推求凈產水量過程，然后通過泵站調蓄計算或者洼淀匯流計算確定排瀝入河流量的時程分配和空間分布，并將其作為支流入?yún)R或分布式旁側入流連入一維洪水演進模型。

　　4.3、實時洪水預報和調度仿真子系統(tǒng)的邏輯結構與數(shù)據(jù)流程

　　4.3.1、子系統(tǒng)的邏輯結構

　　實時洪水預報和調度仿真子系統(tǒng)的邏輯結構如圖4所示，子系統(tǒng)中的各模塊既可以組合起來進行薊運河系整體防洪調度仿真計算，也可以單獨使用，如進行某一支流或河段的洪水預報，或單獨進行于橋水庫的預報和調度計算。子系統(tǒng)中各模塊的主要功能概述如下：

　　(1)數(shù)據(jù)預處理模塊

　　該模塊的主要功能是按照各類預報和仿真模型的計算需要，對從防汛信息綜合數(shù)據(jù)庫中提取的數(shù)據(jù)進行格式轉換，并將轉換結果存于指定模型的輸入數(shù)據(jù)文件，供模型的交互式平臺調用。

　　(2)暴雨洪水預報模塊

　　該模塊的主要功能包括于橋水庫洪水預報、支流和區(qū)間洪水預報、洼淀產水預報。其功能為根據(jù)氣象部門的降雨預報或是遙測雨量站的實測降雨量，利用雨洪預報模型計算流域干支流來水、區(qū)間來水、洼淀產水以及于橋水庫入庫洪水等，作為仿真模型的輸入。

　　(3)綜合潮位預測模塊

　　該模塊的主要功能包括基于國家海洋局提供的入海河口的天文潮位預測值，對預報值進行實時校正；

　　對于風暴潮條件下的潮位預測，擬采用國家海洋局發(fā)布的風暴潮增水和風浪增水預報結果，再將天文潮預報水位和風暴潮增水迭加，計算出綜合潮位，以此作為調度仿真系統(tǒng)的下邊界條件。

　　(4)于橋水庫防洪調度模塊

　　該模塊的主要功能是根據(jù)于橋水庫的防洪調度原則，在綜合分析現(xiàn)狀雨洪形勢的基礎上，合理制定水庫實時防洪調度方案，計算出水庫的下泄流量。

　　(5)蓄滯洪區(qū)調度運用模塊

　　根據(jù)薊運河流域主要控制站的實測水位、流量和預報成果，將其與水情特征值比較，分析是否啟用青甸洼、黃莊洼等蓄滯洪區(qū)，確定分洪時機、地點、方式。一旦啟用蓄滯洪區(qū)，進一步考慮排澇匯入的實況，從薊運河整體防洪角度，充分發(fā)揮蓄滯洪區(qū)的調蓄洪水和削減洪峰的作用，合理確定各蓄滯洪區(qū)的蓄洪總量和分洪過程，通過與河段一維洪水演進模塊的耦合，動態(tài)確定進出蓄滯洪區(qū)洪水的吐納過程。對于青甸洼，采用二維洪水演進，以反映洪水在泛區(qū)內的蓄集過程。

　　(6)河道洪水演進模塊

　　該模塊的主要功能是采用水力學一維非恒定流差分算法，詳細模擬洪水在薊運河河道內的演進過程，給出主要控制站的水位流量過程線。若河道水位超出保證水位或堤防潰決，還需給出各河段超出保證水位的分洪流量過程或潰口流量過程。

　　(7)排瀝入?yún)R模塊

　　由上述暴雨洪水預報模塊可計算出相應降雨過程的瀝水量。根據(jù)排瀝調度預案，以預報的瀝水量為輸入，考慮實時外河水位、排水閘運行狀況、泵站的抽排能力等約束條件的變化，通過調蓄計算，推求排瀝入河流量過程。

　　(8)預報和調度仿真系統(tǒng)交互式平臺

　　主要包括預報調度交互式平臺、預報調度模型和方案管理，其功能為：以軟件形式將有關模型、數(shù)據(jù)有機地組織起來，建立各類模型應用的人機交互平臺，使防汛分析人員能針對根據(jù)防汛專家圍繞防洪目標擬定的防汛調度預案進行模型選擇、參數(shù)設置、方案數(shù)據(jù)集生成、模型運行、結果顯示、綜合查詢以及模型管理。

　　4.3.2、子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程

　　洪水預報和調度仿真子系統(tǒng)是決策支持系統(tǒng)的核心功能模塊，涉及眾多的模型計算，需要大量數(shù)據(jù)信息的支持。子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程如圖5所示。

　　5、結束語

　　天津城市防洪信息系統(tǒng)工程完成后，將繼續(xù)按照天津防汛指揮系統(tǒng)工程總體設計的要求，采用與國家防汛指揮系統(tǒng)工程同步建設的方法，在此起步工程的基礎上進行擴展和完善，用五年左右的時間，建成一個以信息采集系統(tǒng)為基礎、通信系統(tǒng)為保障、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)為關鍵、決策支持系統(tǒng)為核心的現(xiàn)代化信息系統(tǒng)。其中防汛決策支持系統(tǒng)建成后將包括信息接受處理子系統(tǒng)、氣象產品應用子系統(tǒng)、城市排瀝信息子系統(tǒng)、防洪及防潮工程信息子系統(tǒng)、洪水預報子系統(tǒng)、防洪調度子系統(tǒng)、會商及汛情監(jiān)視子系統(tǒng)、災情及防洪效益評估子系統(tǒng)、信息服務子系統(tǒng)、風暴潮信息及預報子系統(tǒng)、輔助管理子系統(tǒng)、旱情信息監(jiān)視預測及抗旱效益評估子系統(tǒng)，共12個子系統(tǒng)。在決策支持系統(tǒng)與信息采集、通信傳輸、計算機網(wǎng)絡等系統(tǒng)的協(xié)調作用下，將全面實現(xiàn)天津防汛指揮系統(tǒng)工程的建設總目標。

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