黃啟有，胡 可，于思洋，江冬青，姚超宇

(1.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014；2.湖南省水旱災(zāi)害防御事務(wù)中心，湖南 長沙 410007；3.湖南省水文水資源勘測中心，湖南 長沙 410008)

0 引 言

我國幅員遼闊，960多萬km2的土地上主要分布有長江、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。對于流域管理機構(gòu)，往往需要對流域河系內(nèi)的多條河流的眾多斷面進行洪水預(yù)報；同時，由于流域內(nèi)建有多個具有調(diào)節(jié)性能的水庫，水庫調(diào)洪對斷面的洪水預(yù)報有著直接的影響，導(dǎo)致河系洪水的預(yù)報較為復(fù)雜，牽一發(fā)而動全身。對于大流域河系洪水的預(yù)報和調(diào)度，涉及預(yù)報調(diào)度一體化、模型云及防洪聯(lián)合調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)。長委水文局陳瑜彬等[3]基于現(xiàn)有的洪水預(yù)報和水庫調(diào)度兩大業(yè)務(wù)系統(tǒng)平行式獨立建設(shè)帶來的河流防洪調(diào)度業(yè)務(wù)阻隔，設(shè)計開發(fā)了一套流域防洪預(yù)報調(diào)度一體化體系，實現(xiàn)了洪水預(yù)報與防洪調(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)域拓撲連接，對交互式洪水預(yù)報系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)開展了研究，并在淮河洪水預(yù)報中開展了應(yīng)用。隨著計算機技術(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)報調(diào)度一體化為目標，通過對河系內(nèi)的預(yù)報單元、河段、預(yù)報斷面、水庫等的拓撲化概化，結(jié)合洪水預(yù)報、水庫調(diào)度和洪水演進的模型類型及結(jié)構(gòu)，采用參數(shù)化配置和模型云計算服務(wù)等手段，實現(xiàn)河系洪水預(yù)報調(diào)度的一體化及無縫耦合。

1 預(yù)報調(diào)度一體化方法

預(yù)報調(diào)度一體化由方案創(chuàng)建和一體化計算兩部分組成。其中，方案創(chuàng)建主要是包括拓撲概化和拓撲對象的參數(shù)化，通過結(jié)構(gòu)化存儲，實現(xiàn)河系洪水預(yù)報調(diào)度一體化方案的自定義和參數(shù)化配置創(chuàng)建；一體化計算主要是基于預(yù)報單元的洪水預(yù)報模型、河段的洪水演進模型，以及單庫的防洪調(diào)度模型，根據(jù)拓撲對象的上下游連接關(guān)系，順序調(diào)用模型云的各個計算服務(wù)接口，實現(xiàn)全流域的洪水預(yù)報調(diào)度一體化計算。

1.1 方案創(chuàng)建

1.1.1 拓撲概化

將流域內(nèi)全部的預(yù)報斷面和調(diào)節(jié)水庫對象概化為不同類型的節(jié)點并分類型賦予其屬性，根據(jù)節(jié)點的上下游關(guān)系及是否考慮相鄰節(jié)點間區(qū)間的洪水預(yù)報，采用帶指向的實線或虛線對相鄰節(jié)點進行連接代表河段，生成流域內(nèi)全部預(yù)報調(diào)度對象節(jié)點及節(jié)點間河段的拓撲圖，如圖1所示。

圖1 河系拓撲對象概化示意

節(jié)點類型有兩種：一是預(yù)報斷面，用1表示，拓撲符號為圓圈帶名稱注記；另一種是調(diào)節(jié)水庫，用2表示，拓撲圖符號為長方體帶名稱注記。節(jié)點屬性包括：節(jié)點編碼、節(jié)點名稱、節(jié)點類型、關(guān)聯(lián)測站編碼、上游節(jié)點編碼、下游節(jié)點編碼、所屬方案編碼。帶指向的實線，表示該相鄰節(jié)點間的區(qū)間河段含區(qū)間預(yù)報單元；虛線表示相鄰節(jié)點間的區(qū)間河段不考慮區(qū)間洪水預(yù)報。

1.1.2 參數(shù)化

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

(1)預(yù)報單元。將拓撲圖中所有的源頭節(jié)點和實線型河段生成預(yù)報單元并關(guān)聯(lián)預(yù)報單元的水文模型類型、參數(shù)及降雨蒸發(fā)站點屬性。其中，源頭節(jié)點指的是拓撲圖中干流或支流的最上游的節(jié)點，可以為斷面或者水庫對象，預(yù)報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)報單元及其關(guān)聯(lián)的模型參數(shù)屬性包括：預(yù)報單元編碼、預(yù)報單元名稱、預(yù)報單元面積、雨量站點列表信息、蒸發(fā)站點列表信息、模型類型、模型參數(shù)。

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

(3)河段對象。對拓撲圖中所有的實線和虛線河段關(guān)聯(lián)河道洪水演進模型類型及參數(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)水庫對象。對拓撲圖中所有的調(diào)節(jié)水庫對象節(jié)點關(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、分級數(shù)、每一級的控制水位和控制流量等。

1.1.3 方案存儲

一體化方案涉及的預(yù)報斷面和調(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)對一體化方案進行存儲，中間通過json格式的數(shù)據(jù)交互方式傳遞，實現(xiàn)拓撲圖與方案數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)換。

一體化方案采用數(shù)據(jù)存儲，包含的列表有主表、節(jié)點配置表、對象參數(shù)配置表、預(yù)報單元配置表等。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)點配置表包含節(jié)點編碼、節(jié)點名稱、節(jié)點類型、關(guān)聯(lián)測站編碼、上游節(jié)點編號、下游節(jié)點編號、所屬方案編碼。對象參數(shù)配置表包含：對象編碼，對象名稱，對象類型(源頭斷面節(jié)點、源頭水庫節(jié)點、其他斷面節(jié)點、其他水庫節(jié)點、實線河段、虛線河段)，模型類型，模型參數(shù)，等等。預(yù)報單元配置表包括：雨量站點編碼、雨量站點名稱、面積權(quán)重、相應(yīng)河段數(shù)、相應(yīng)蒸發(fā)站點編碼、所屬預(yù)報單元編碼、所屬預(yù)報單元名稱、預(yù)報單元面積、蒸發(fā)站點編碼、蒸發(fā)站點名稱。

圖2 河系洪水預(yù)報調(diào)度一體化串行計算流程

1.2 一體化計算

1.2.1 模型云計算服務(wù)

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

1.2.2 計算順序

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

(1)串行計算。根據(jù)拓撲圖中所有節(jié)點的上下游關(guān)系及節(jié)點與節(jié)點間河段類型，自上而下按順序分類型進行分區(qū)洪水預(yù)報、河道洪水演算、洪水組成疊加、水庫調(diào)洪計算。以圖2為例，一體化計算步驟如下：第1步，源頭節(jié)點A斷面以上流域的預(yù)報單元洪水預(yù)報計算；第2步，AB斷面間的區(qū)間預(yù)報單元洪水預(yù)報計算；第3步，A斷面流量演算至B斷面；第4步，將第3步的計算結(jié)果疊加第2步的計算結(jié)果，得到B斷面預(yù)報流量過程；第5步，將B斷面流量演算至C水庫；第6步，源頭節(jié)點F斷面以上流域的預(yù)報單元洪水預(yù)報計算；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)報單元洪水預(yù)報計算；第9步，將第5步、第7步、第8步的計算結(jié)果進行疊加，得到C水庫的預(yù)報入庫流量過程，并按照約定的調(diào)度方式進行C水庫的調(diào)洪計算，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)合計算。串并行相結(jié)合的計算方式分兩種情況：①分層計算，長江流域洪水預(yù)報調(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)點依據(jù)上下游拓撲關(guān)系順序計算，首先根據(jù)樹形結(jié)構(gòu)劃分計算層次，此時計算層數(shù)與樹的深度相同，然后從最高級葉結(jié)點開始，按照從高到低的原則逐級計算至根結(jié)點，其中同一層次的所有節(jié)點同時完成相關(guān)計算，下一層次只能在上一層次結(jié)點全部計算完畢后開始[6-10]。②預(yù)報單元產(chǎn)匯流計算并行河道匯流計算串行(見圖3)。由于河系洪水預(yù)報調(diào)度一體化中大量的計算主要集中在預(yù)報單元的產(chǎn)匯流計算上，第1步，即采用并行的方式，對所有的預(yù)報單元，同時進行產(chǎn)匯流計算，得到各個預(yù)報單元的預(yù)報流量過程；第2步，自上游向下游，進行分段河道洪水演進與疊加計算及水庫調(diào)洪計算。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，具有更高的計算效率。

圖3 預(yù)報單元產(chǎn)匯流計算并行河道匯流計算串行流程

圖4 澧水流域預(yù)報調(diào)度一體化拓撲示意

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)報調(diào)度一體化方案包括15個節(jié)點對象。其中，斷面節(jié)點12個，水庫節(jié)點3個，詳見表1。

根據(jù)澧水流域預(yù)報調(diào)度一體化方案，包括預(yù)報單元15個，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—長潭河區(qū)間；雁池以上；雁池—皂市區(qū)間；張家界、長潭河、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。

對澧水流域全部的節(jié)點和河段根據(jù)預(yù)報方案進行拓撲概化，如圖4所示。

表1 節(jié)點對象列表信息

表2 各河段河道洪水演進模型類型及參數(shù)

表3 各水庫調(diào)度方式及調(diào)度參數(shù)

15個預(yù)報單元的洪水預(yù)報均選用新安江模型，河段的河道洪水演進選用馬斯京根法，江埡、皂市、王家廠3個水庫，均按單庫調(diào)度的方式，可自由選擇不同的調(diào)度模型。計算方案中河段洪水演進的參數(shù)如表2所示，3個水庫調(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)降雨為研究對象，通過獲取實時水雨情數(shù)據(jù)，結(jié)合模型云后臺服務(wù)，進行預(yù)報調(diào)度一體化計算，得到各預(yù)報斷面和水庫的預(yù)報調(diào)度模擬計算結(jié)果。其中，部分斷面和水庫調(diào)洪計算結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 雙楓潭預(yù)報斷面實測與預(yù)報成果對比

圖6 皂市水庫預(yù)報洪水調(diào)洪計算過程

3 結(jié) 論

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