洪水预报和防汛调度系统中的仿真技术应用

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简介： 该文以天津防汛决策支持系统的设计开发为例，首先介绍了该系统的开发目标、原则与范围，分析了系统的总体功能与逻辑结构，在此基础上阐明了系统的核心是建立洪水预报和调度仿真子系统，并对该核心子系统的开发目标、模型技术、逻辑结构与数据流程进行了详尽的论述。
关键字：洪水预报 防汛调度 仿真应用

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

　　天津是我国人口最稠密、经济最发达的地区之一，同时又是受洪灾、涝灾、潮灾威胁最大的地区之一。因此，被国家确定为防洪重点城市。

　　在天津市防汛、抗旱及水资源综合利用的调度中，因相关工程特别是信息系统建设的不尽配套和完善，往往出现交叉和冲突，矛盾尖锐，当汛前需放空水库迎汛而汛期又无汛蓄不上水时，或汛期需要利用河道排沥、泄洪，而城市供水又不能中断时，其矛盾更为突出。这些实际工作中的大量问题必须依靠先进的防汛信息系统特别是防汛决策支持系统的应用才能切实可行地解决。

　　2、天津防汛决策支持系统的开发目标、原则、范围与任务

　　2.1、天津防汛决策支持系统的开发目标

　　在现有各类防汛应用软件系统的基础上，通过补充、扩展和集成开发，初步建成完善、合理的防汛综合数据库和高效、可靠、实用、先进的信息查询系统，并完成蓟运河系洪水预报及调度仿真系统的研制开发。该系统应能快速及时准确地提供计算机网络数据库的防汛信息，灵活地以图文并茂、声像一体的方式显示天津市防洪宏观决策所需要的主要雨水工情信息和防洪形势，并应用先进的预报调度数学模型，定量预测蓟运河水雨工情的变化对防洪系统洪水情势的影响，改善防洪调度手段，使防汛调度决策指挥向现代化、信息化再迈上一个新台阶。

　　2.2、天津防汛决策支持系统的开发原则

　　1)坚持实用性与先进性的统一，在实用条件下力求先进。采用的技术解决方案以及自行开发的软件和模型，应在实用的前提下力求技术的高起点和先进性，并应适应未来的技术发展趋势，以保证系统具有开放性、可扩充性和较长的使用期。其中洪水预报调度部分的设计，采取国内开发的模型与从国外引进模型相结合联合运用的方式，达到既先进又实用的目的。

　　2)在决策支持策略方面，通过洪水预报和调度仿真模型来支持防汛决策的定量化。加强信息资源的有效利用，以支持经验决策。通过交互式平台，实现非结构化或半结构化问题向结构化问题的转换，实现防汛调度预案向实时环境的过渡；通过多模型、多方法途径，来支持洪水预报结果的综合取用和防汛调度的风险决策，以降低防汛决策过程中的不确定性。力求最优的减灾方案和最大的减灾效果。

　　3)充分利用现有的模型、数据和应用系统资源，不搞或尽量减少重复建设和开发。注重系统具有易操作与标准化的特点，兼顾多功能与兼容性。

　　4)系统开发应遵循全面设计、分步实施、逐步完善的原则。遵循安全性、保密性和共享性的原则，处理好数据资源共享与数据安全和保密的关系。

　　2.3、天津防汛决策支持系统的开发范围

　　由于时间和经费限制，天津城市防洪信息系统工程中的决策支持系统设计开发范围为：决策支持系统防汛综合数据库、信息接收处理、信息显示查询子系统及系统集成的开发范围覆盖整个天津市；而洪水预报和调度仿真子系统则以集防洪、排涝、供水于一河的蓟运河系为典型进行示范开发。

　　3、天津防汛决策支持系统的总体功能与逻辑结构

　　3.1、天津防汛决策支持系统的总体功能

　　根据支持对象的信息需求和支持功能要求，可将系统总体功能划分为三个层次：信息接收处理与信息管理、业务分析处理、信息服务和会商支持。

　　3.1.1、信息接收处理与信息管理

　　本层次的主要功能为系统综合数据库的建立、管理和维护，以及水、雨、工、灾情信息的接收、处理和分类入库；提供雨水工情信息的自动显示，并辅有自动超警、超保提示、告警功能，使值班人员在不操作或少量操作的情况下，及时了解汛情的位置和密切监视汛情的发展。

　　3.1.2、业务分析处理

　　通过灾害性暴雨预测和洪水预报模型，结合防洪形势的数据挖掘分析，可以得到未来一定时段天气及水雨情变化的发展趋势，为防汛对策的制定提供依据；借助于防洪调度、洪水演进和灾情评估模型，就可以对防洪调度方案进行蓄泄效果的水情仿真，并实现洪水灾害的超前预估。

　　3.1.3、信息服务和会商支持

　　信息服务和会商支持功能主要针对综合数据库和各应用子系统的分析结果(而非面向其分析过程)，通过提供一个综合分析环境，对各类信息和各具体分析结果进行筛选、重组和综合，形象、直观、简明地全方位、多侧面展示当前防洪形势和决策问题的宏观特征。同时重点对防洪调度方案仿真结果进行综合评价，以增强决策参谋和高层决策者在防洪决策过程中的分析、综合、洞察和判断能力。

　　3.2、天津防汛决策支持系统的逻辑结构

　　系统的总体逻辑结构框架可分为三个层次：人机接口层、系统应用层和系统信息支撑层，如图1所示。

　　4、蓟运河实时洪水预报和调度仿真子系统

　　4.1、实时洪水预报和调度仿真子系统的开发目标

　　针对天津市蓟运河系防洪排沥的实际情况，进行数据预处理、支流和区间洪水预报、水库和蓄滞洪区调度运用、防洪系统的洪水演进等软件的开发，以及建立模型交互应用平台；同时以近期实测洪水资料对整个模型进行率定、检验、调试和试运行，最终形成以国内外先进专业软件为内核、实用性强、功能丰富的实时洪水预报和调度仿真子系统。

　　4.2、实时洪水预报和调度仿真子系统的模型技术

　　4.2.1、子系统的系统架构

　　整个实时洪水预报和调度仿真子系统建立在全局水力学模型的架构之上，但充分发挥水文学与水力学各自的优势。具体来说采用水文学模型对支流和区间的产汇流过程进行预测和模拟，以此作为水力学模型的输入；对水库调蓄、蓄滞洪区的运用、河道洪水演进根据问题性质和实际情况，分别选用蓄水式节点调蓄、一、二维洪水演进的方法，合理恰当动态地描述洪水在防洪系统中的流动状态。

　　根据建模经验，拟采用具有模块结构特点，水文学与水力学方法相结合的建模路线，将集水区、河道、蓄滞洪区、水库、河口潮位、排沥泵站、涵闸等连接起来进行统一模拟。系统中水库、蓄滞洪区、支流和区间来水以及洼淀产水均采用水文预报方法计算；蓟运河河道洪水演进采用水力学一维非恒定流差分算法，考虑河道漫溢、决堤等效应；对于黄庄洼、盛庄洼和太和洼采用蓄水单元处理并联入河道一维算法，不进行泛区内的洪水演进，但考虑洪水吐纳以及蓄滞洪区的调蓄作用；对于青甸洼，考虑到一旦分洪后，水位变幅较大，加之范围大、内有隔堤，采用二维非恒定流算法，进行泛区洪水演进，以描述分洪后洪水在泛区内的动态演进过程。蓟运河防潮闸是系统的下边界，给出反映潮汐往复流特点的潮位边界条件。蓟运河水情仿真结构见图2。

　　4.2.2、洪水预报模型技术

　　就洪水预报模型而言，我国南方湿润地区降雨径流过程模拟的技术水平较高，已成功地建成普遍适用的流域水文模型，国外也有一批较为适用的洪水预报模型，这些模型均已投入作业运行，在防汛调度中发挥了重要的作用。但是，不管是国外还是国内现有的水文预报模型，其在具有典型北方半干旱地区流域特性的蓟运河流域的适用性均需通过开发和应用加以验证。

　　半干旱地区洪水预报是一个世界性难题，其原因除没有比较实用于半干旱地区的洪水预报模型外，降水在时、空分布极度不均匀，更增加预报的困难。洪水预报各环节所用的技术问题都影响洪水预报的精度。为此建立蓟运河洪水预报系统应注重对处理上述问题所用技术的论证和方案的比选。

　　1997年底，水利部首次举办了全国水文预报技术竞赛，它展示了近20年来我国研制和应用水文模型的主要成就和经验。参加全国水文预报技术竞赛、代表国内外先进、实用的流域水文模型有10个，其中我国自行研制的有5个，有新安江模型、姜湾模型、双超产流模型、双衰减曲线模型、河北雨洪模型；从国外引进并加以改进的也有5个，有意大利综合约束线性系统模型(SCLS)、美国连续API模型、改进的丹麦降雨径流模型(NAM)、日本水箱模型、美国萨克门托模型(Sacramento)。为验证参赛模型的适用性和精度，竞赛组织者挑选了全国范围内6个资料条件好、有一定代表性的流域进行预报验证，从预报结果来看，对于干旱、半干旱地区，10个国内外水文模型的预报技术均不甚理想。大会认为，对于干旱、半干旱地区至今国内外尚难以找到一个适合的流域水文模型。

　　(1)国内模型――新安江模型

　　新安江模型由河海大学赵人俊教授于二十世纪70年代提出，属集总性的概念模型。它按一层、二层或三层蒸散发模式计算流域蒸散发，按蓄满产流概念计算降雨产生的总径流，采用流域蓄水曲线考虑下垫面不均匀对产流面积变化的影响。该模型在湿润和半湿润地区有广泛的应用，并且应用效果良好。

　　(2)国内模型――南京水文所模型(NRIHM)

　　南京水文所模型由水利部南京水文水资源研究所文康教授等专家于二十世纪80年代提出。该模型有三个基本点：第一，产流的条件是i>f，其中i代表供水强度，如雨强、土层内上层向下层的供水率等；f代表损失强度，如土壤下渗率；第二，假定流域下垫面条件均匀，存在一条空间平均的损失率过程（简称损失率曲线）；第三，假定流域损失率空间分布主要受控于流域土壤含水量的变化，因而该分布是时变的，并且具有时变的空间定义域，若定义域为全流域，则为全流域分布；否则为部分流域分布。流域空间平均损失率曲线与流域损失率空间分布曲线相结合，构成产流计算模型；根据i>f的原则进行时段产流量计算。该模型既适用于湿润地区，也适用于半湿润、半干旱地区的产流计算。

　　(3)国外模型――丹麦水力研究所模型(NAM)

　　NAM是丹麦语“降雨径流模型”的缩写，模型最初由丹麦技术大学于1973年提出，后经丹麦水力研究所(简称DHI)逐步完善。NAM模型也是一个集总性的概念模型。该模型在国外评价较高，国内也在长江中游的洪水预报(包括98年大洪水)、嘉陵江、沱江和岷江的水质研究，淮河整体的水质研究，苏州河的改

　　造分析研究中得到应用，效果良好。

　　在设计中采用国内外模型并用、合理选用的途径(例如美国国家洪水预报系统也采用我国的新安江预报模型)来解决洪水预报和调度仿真问题。形成以国内外先进软件为内核、实用性强、功能丰富的城市防汛决策支持系统。具体来说，洪水预报模型系统包括自主开发新安江三水源预报模型和南京水文所洪水预报模型，以及引进开发DHI的NAM洪水预报模型。

　　考虑到流域面上降雨不均匀、下垫面产汇流机理不清、人类活动影响显著等困难，拟采用适合北方地区产汇流特征的流域模型，并结合基于雨量等值线的流域面平均雨量计算方法。此外还设计开发实用有效的实时校正模式、水情趋势分析模式、多模型预报有效综合模式，建立洪水预报的交互式平台，以计算机技术、洪水预报方法与专家经验融为一体的方式实现对预报模型结果的综合分析和交互校正。

　　4.2.3、洪水演进和调度仿真模型技术

　　就计算水力学的发展而言，二十世纪70年代初，河道洪水演进的一维非恒定流计算已相当成熟并广泛应用于洪水波在河网中的流动计算。近年来，二维模型在大范围泛区洪水演进中的应用也日益增多，但根据河网、蓄滞洪区和堤防地形特征、水流特点以及洪水演进机制，建立一、二维混合非恒定流计算模型，进行整个防洪系统防洪调度的水情仿真，仍是当今各国竞相开展、尚待解决的重要防洪课题。

　　(1)国内模型

　　就防洪系统水情仿真模型而言，国内不少单位开发了一系列非商业化模型，在防洪规划和调度分析中发挥了实际的效用。

　　水利部南京水文水资源研究所于“八.五”国家重点科技攻关项目中开发了一、二维混合非恒定流模型。该模型能适应各种复杂条件，进行河网、水库、蓄滞洪区和排沥入汇的洪水演进和调度仿真，能够反映洪水在河系中的动态演进过程和评估防汛调度方案的蓄泄效果。该研究成果曾获97年度国家科技进步二等奖和96年度水利部科技进步一等奖。后经过五年的不断改进完善和运用，已形成了基于GIS电子地图图形用户界面、以一、二维洪水演进模型为内核、功能丰富和适应性强的调度仿真系统。已在长江中下游防洪规划、洞庭湖综合治理、98’长江大洪水灾后重建规划、珠江东江的综合治理规划等方面得到广泛应用，获得满意的成果。但国内模型在运用于蓟运河水系时，存在模型是否适应北方产汇流特性和流域下垫面条件变化的问题，需进行降雨分布不均、流域局部产流和模型参数优化率定等技术处理来提高模型的适应性和预报精度；且在图形用户界面、与GIS地理信息系统等高新技术的联合应用以及模型的系统性、周密性和通用性等方面与国际先进软件系统尚有一定的差距。

　　(2)国外模型

　　国外目前已有多种商业化的一维非恒定流洪水演进模型，广泛应用于工程实际，其中之一是国际知名水力软件公司丹麦水力研究所(DHI)研制的一维河渠模拟程序包(MIKE-11)。该模型集河流水网水力学、流域降雨径流模拟、泥沙输运和水质模拟于一体，考虑周密、功能全面，配备了友好的图形用户界面和丰富的前、后处理功能，可与MIKE-GIS地理信息系统联合应用，为河流防洪、渠系灌溉以及水质控制系统的建立提供代表当前发展水平的核心专业分析工具。但MIKE-11软件包中的NAM洪水预报模型，未见在我国北方地区成功运用的先例，因此该模型是否适应具有典型北方产汇流和流域下垫面条件变化的蓟运河水系的洪水预报问题，有待通过开发应用加以验证；且MIKE-11软件包具有河网与蓄滞洪区洪水演进功能，但不具有二维泛区演进和一维河网的联合模拟功能。

　　本设计以蓟运河防洪系统为对象，以引进的MIKE 11及国内开发的同类模型为核心，结合防汛调度的具体要求，进行洪水演进和防洪调度仿真。蓟运河实时预报调度仿真模块流程见图3。

　　4.2.4、洼淀产水和排沥入汇模型技术

　　由于流域内区间沥水占有较大比重，必须在模型中恰当地加以考虑，才能使得水情预测更趋于实际。初步考虑建立沿河排沥水量模块，即根据区间或洼淀的实测降雨过程推求净产水量过程，然后通过泵站调蓄计算或者洼淀汇流计算确定排沥入河流量的时程分配和空间分布，并将其作为支流入汇或分布式旁侧入流连入一维洪水演进模型。

　　4.3、实时洪水预报和调度仿真子系统的逻辑结构与数据流程

　　4.3.1、子系统的逻辑结构

　　实时洪水预报和调度仿真子系统的逻辑结构如图4所示，子系统中的各模块既可以组合起来进行蓟运河系整体防洪调度仿真计算，也可以单独使用，如进行某一支流或河段的洪水预报，或单独进行于桥水库的预报和调度计算。子系统中各模块的主要功能概述如下：

　　(1)数据预处理模块

　　该模块的主要功能是按照各类预报和仿真模型的计算需要，对从防汛信息综合数据库中提取的数据进行格式转换，并将转换结果存于指定模型的输入数据文件，供模型的交互式平台调用。

　　(2)暴雨洪水预报模块

　　该模块的主要功能包括于桥水库洪水预报、支流和区间洪水预报、洼淀产水预报。其功能为根据气象部门的降雨预报或是遥测雨量站的实测降雨量，利用雨洪预报模型计算流域干支流来水、区间来水、洼淀产水以及于桥水库入库洪水等，作为仿真模型的输入。

　　(3)综合潮位预测模块

　　该模块的主要功能包括基于国家海洋局提供的入海河口的天文潮位预测值，对预报值进行实时校正；

　　对于风暴潮条件下的潮位预测，拟采用国家海洋局发布的风暴潮增水和风浪增水预报结果，再将天文潮预报水位和风暴潮增水迭加，计算出综合潮位，以此作为调度仿真系统的下边界条件。

　　(4)于桥水库防洪调度模块

　　该模块的主要功能是根据于桥水库的防洪调度原则，在综合分析现状雨洪形势的基础上，合理制定水库实时防洪调度方案，计算出水库的下泄流量。

　　(5)蓄滞洪区调度运用模块

　　根据蓟运河流域主要控制站的实测水位、流量和预报成果，将其与水情特征值比较，分析是否启用青甸洼、黄庄洼等蓄滞洪区，确定分洪时机、地点、方式。一旦启用蓄滞洪区，进一步考虑排涝汇入的实况，从蓟运河整体防洪角度，充分发挥蓄滞洪区的调蓄洪水和削减洪峰的作用，合理确定各蓄滞洪区的蓄洪总量和分洪过程，通过与河段一维洪水演进模块的耦合，动态确定进出蓄滞洪区洪水的吐纳过程。对于青甸洼，采用二维洪水演进，以反映洪水在泛区内的蓄集过程。

　　(6)河道洪水演进模块

　　该模块的主要功能是采用水力学一维非恒定流差分算法，详细模拟洪水在蓟运河河道内的演进过程，给出主要控制站的水位流量过程线。若河道水位超出保证水位或堤防溃决，还需给出各河段超出保证水位的分洪流量过程或溃口流量过程。

　　(7)排沥入汇模块

　　由上述暴雨洪水预报模块可计算出相应降雨过程的沥水量。根据排沥调度预案，以预报的沥水量为输入，考虑实时外河水位、排水闸运行状况、泵站的抽排能力等约束条件的变化，通过调蓄计算，推求排沥入河流量过程。

　　(8)预报和调度仿真系统交互式平台

　　主要包括预报调度交互式平台、预报调度模型和方案管理，其功能为：以软件形式将有关模型、数据有机地组织起来，建立各类模型应用的人机交互平台，使防汛分析人员能针对根据防汛专家围绕防洪目标拟定的防汛调度预案进行模型选择、参数设置、方案数据集生成、模型运行、结果显示、综合查询以及模型管理。

　　4.3.2、子系统的数据流程

　　洪水预报和调度仿真子系统是决策支持系统的核心功能模块，涉及众多的模型计算，需要大量数据信息的支持。子系统的数据流程如图5所示。

　　5、结束语

　　天津城市防洪信息系统工程完成后，将继续按照天津防汛指挥系统工程总体设计的要求，采用与国家防汛指挥系统工程同步建设的方法，在此起步工程的基础上进行扩展和完善，用五年左右的时间，建成一个以信息采集系统为基础、通信系统为保障、计算机网络系统为关键、决策支持系统为核心的现代化信息系统。其中防汛决策支持系统建成后将包括信息接受处理子系统、气象产品应用子系统、城市排沥信息子系统、防洪及防潮工程信息子系统、洪水预报子系统、防洪调度子系统、会商及汛情监视子系统、灾情及防洪效益评估子系统、信息服务子系统、风暴潮信息及预报子系统、辅助管理子系统、旱情信息监视预测及抗旱效益评估子系统，共12个子系统。在决策支持系统与信息采集、通信传输、计算机网络等系统的协调作用下，将全面实现天津防汛指挥系统工程的建设总目标。

　　参考文献：

　　[1]苑希民.中国城市水利面临的严峻形势[J].中国水利,2001,20:55-56.

　　[2]季冰,朱庆敏.21世纪防洪减灾的展望与对策[J].防汛与抗旱,2001,3:22-23.

　　[3]严建援.管理信息系统[M].太原:山西经济出版社,1999.103-104.

　　[4]姜青舫.实用决策分析[M].贵阳:贵州人民出版社,1987.61-62.

　　[5]杨保群,等.计算机决策优化模型[M].西安:西安交通大学出版社,1992.88-89.

　　[6]武小悦.群决策问题的一种求解方法[J].系统工程,1996,11:75-76.

　　[7]李磊,陈健.决策支持系统在电子政务中的应用[J].计算机世界,2001,18:19-20.

　　[8]黄明,张善荣,马海波.决策支持系统的理论与发展[J].信息系统工程,1995,2:47-48.