李琛亮，劉國慶，楊 光，黎東洲，范子武，馬 強(qiáng)

(1.水利部海河水利委員會，天津 300161； 2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029； 3.水利部太湖流域水治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029； 4.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、5G 和人工智能等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展為我國信息化與智慧化提供了重要機(jī)遇[1-2]?；谒麑I(yè)模型，采用新一代信息技術(shù)賦能水利業(yè)務(wù)，建設(shè)智慧水利，是對區(qū)域水安全保障的有效支撐[3-4]。2021年12月，水利部召開數(shù)字孿生流域建設(shè)工作會議，提出了以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，構(gòu)建數(shù)字孿生流域，開展智慧化模擬，支撐精準(zhǔn)化決策，全面推進(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè)，加快構(gòu)建具有“四預(yù)”功能的智慧水利體系，為智慧水利的建設(shè)指明方向[5]。

洪水預(yù)報與水工程調(diào)度相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)起步于20 世紀(jì)50年代，初期系統(tǒng)以水文信息的統(tǒng)計存儲、數(shù)據(jù)查詢功能為主；80年代左右，通過集成水文模型，洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)能夠初步實(shí)現(xiàn)流域的洪水預(yù)報功能，但由于沒有接入實(shí)時雨水情信息，預(yù)報結(jié)果在及時性與準(zhǔn)確性等方面存在不足；90年代中期，隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及，預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)更加廣泛地應(yīng)用于不同區(qū)域、不同對象的防洪決策中，但是這些系統(tǒng)多以C/S 架構(gòu)為主，各系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一導(dǎo)致系統(tǒng)間相對獨(dú)立，無法做到服務(wù)和數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通[6-7]。21 世紀(jì)以來，通過國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)的建設(shè)，我國防汛抗旱信息化技術(shù)水平得到全面提升。目前，隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與水利專業(yè)模型算法的成熟，洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)朝著數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、業(yè)務(wù)集成化、服務(wù)智能化、展示立體化的方向發(fā)展[6-7]；數(shù)字孿生流域、“四預(yù)”功能等理念的提出也為洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)的研發(fā)提供了新的思路。按照新的理念，本文選取永定河流域?yàn)榈湫蛥^(qū)，結(jié)合流域防洪工程體系，在梳理防洪業(yè)務(wù)邏輯，融合“四預(yù)”功能，構(gòu)建流域數(shù)據(jù)底板，集成一二維耦合的水文水動力模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計典型區(qū)洪水“四預(yù)”系統(tǒng)總體構(gòu)架，并進(jìn)行系統(tǒng)功能開發(fā)。

1 流域防洪工程體系

永定河流域位于111°55′E～117°45′E，38°55′N～41°26′N 之間，地跨京、津、冀、晉和內(nèi)蒙古5 個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）。目前已形成了由冊田水庫、友誼水庫、官廳水庫，440 km 干流堤防，盧溝橋、屈家店等水閘樞紐，小清河分洪區(qū)、永定河泛區(qū)、三角淀分洪區(qū)等蓄滯洪區(qū)組成的防洪工程體系，防洪標(biāo)準(zhǔn)基本達(dá)到百年一遇的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[8]。永定河流域防洪工程體系概化見圖1。其中，官廳水庫控制面積為4.34 萬km2，占全流域92.3%，是流域中上游洪水調(diào)蓄的重要控制節(jié)點(diǎn)；盧溝橋樞紐是永定河干流的控制性樞紐，承擔(dān)著小清河分洪控制的重要任務(wù)；屈家店樞紐擔(dān)負(fù)著向永定新河和北運(yùn)河泄洪的任務(wù)，是保護(hù)天津市防洪安全的重要樞紐。這些防洪工程將永定河干流劃分為不同河段，為了對永定河流域洪水進(jìn)行全過程跟蹤分析，需要在洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)中以上述防洪控制工程為節(jié)點(diǎn)，針對不同防洪目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)分段調(diào)控預(yù)演功能。

圖1 永定河流域防洪體系概化Fig.1 Generalization of flood control system in Yongding River Basin

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

永定河洪水“四預(yù)”系統(tǒng)采用B/S 模式，采用數(shù)值模擬、智能算法、數(shù)字孿生等信息技術(shù)，建設(shè)“三網(wǎng)合一、四層融合、二體系貫穿”的架構(gòu)體系。橫向融合層面，主要包括數(shù)字匯聚、數(shù)據(jù)底板、孿生平臺與“四預(yù)”體系4 個功能層；縱向貫穿層面，主要構(gòu)建洪水預(yù)報調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字信息安全保障兩大體系，滿足水文預(yù)報、洪水預(yù)警、調(diào)度預(yù)演、預(yù)案發(fā)布等業(yè)務(wù)功能的需求[9]。系統(tǒng)建設(shè)的總體架構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計Fig.2 Overall system architecture design

2.1 數(shù)字匯聚

基于水物理網(wǎng)、水信息網(wǎng)、水管理網(wǎng)三網(wǎng)合一的水網(wǎng)全要素信息，結(jié)合永定河流域洪水預(yù)報調(diào)度的業(yè)務(wù)需求，按照基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、跨行業(yè)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)5 個類別，收集匯聚物理流域相關(guān)的水網(wǎng)信息。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括干支流、水庫、樞紐、堤防、蓄滯洪區(qū)等；監(jiān)測數(shù)據(jù)包括雨水工情、視頻監(jiān)控、洪水淹沒災(zāi)情等；管理數(shù)據(jù)包括工程調(diào)度規(guī)則、運(yùn)行維護(hù)臺賬等；跨行業(yè)數(shù)據(jù)涉及氣象、交通、社會經(jīng)濟(jì)等；地理信息是指地理空間數(shù)據(jù)，包括數(shù)字高程、數(shù)字表面模型、正射影像、點(diǎn)云等。

2.2 數(shù)據(jù)底板

制定數(shù)字流域數(shù)據(jù)資源目錄，形成數(shù)據(jù)資源管理規(guī)范，結(jié)合雨水工情等已建數(shù)據(jù)庫，按照標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步補(bǔ)充數(shù)據(jù)庫建設(shè)，對物理流域相關(guān)的數(shù)字信息進(jìn)行管理。按照“面-線-點(diǎn)”的建設(shè)思路，借助數(shù)據(jù)治理、3S 技術(shù)、BIM 模型等信息技術(shù)，結(jié)合高精度遙感數(shù)據(jù)，構(gòu)建永定河流域面數(shù)據(jù)底板；在構(gòu)建官廳水庫、盧溝橋樞紐、屈家店樞紐等水利工程單體模型的基礎(chǔ)上，以河流“線”串聯(lián)工程“點(diǎn)”的形式，融合形成永定河流域“面-線-點(diǎn)”的數(shù)據(jù)底板。

2.3 孿生平臺

利用水文預(yù)報、一二維洪水演進(jìn)、工程調(diào)度等水利專業(yè)模型與遙感解譯、視頻識別、機(jī)器學(xué)習(xí)等智能算法為流域的數(shù)據(jù)底板進(jìn)行賦能，提供洪水預(yù)報調(diào)度相關(guān)業(yè)務(wù)場景的解決方案。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)、三維建模等可視化技術(shù)，為業(yè)務(wù)場景的模擬仿真提供實(shí)時渲染和三維可視化呈現(xiàn)，形成物理流域的孿生體，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生流域與物理流域?qū)崟r同步仿真運(yùn)行。

2.4 “四預(yù)”體系

按照“預(yù)報是基礎(chǔ)、預(yù)警是前哨、預(yù)演是手段、預(yù)案是目的”的理念，梳理洪澇災(zāi)害防治中預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的業(yè)務(wù)邏輯。針對永定河流域，需要對官廳水庫、盧溝橋樞紐等工程控制節(jié)點(diǎn)的入流進(jìn)行精準(zhǔn)的滾動預(yù)報，實(shí)現(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)水位、流量變化過程的預(yù)先判斷；預(yù)警是指根據(jù)預(yù)報結(jié)果，結(jié)合預(yù)警閾值標(biāo)準(zhǔn)，提前向水利主管部門和公眾告知警情信息，為應(yīng)急措施的制定和社會公眾的避災(zāi)提供指引；預(yù)演是指在特定的降雨、初始水位等邊界條件下，利用模型對永定河不同河段防洪工程運(yùn)行方案的調(diào)度效果進(jìn)行模擬仿真和結(jié)果動態(tài)展示，為調(diào)度方案的科學(xué)制定提供支撐；預(yù)案是結(jié)合預(yù)演結(jié)果對比分析，綜合考慮洪水防御的關(guān)鍵因素，選定工程調(diào)度方式，以此制定調(diào)度預(yù)案，并能夠在洪水演進(jìn)過程中實(shí)時、快速下發(fā)調(diào)度指令。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 流域洪水預(yù)報調(diào)度

預(yù)報調(diào)度模型是實(shí)現(xiàn)防洪“四預(yù)”業(yè)務(wù)的基石。為準(zhǔn)確模擬永定河流域洪水演進(jìn)與調(diào)度過程，本文構(gòu)建了研究區(qū)水文水動力一體化模型與重點(diǎn)水利工程調(diào)度模型。其中，官廳水庫以上采用降雨徑流系數(shù)法分水面、城市建設(shè)用地、水田、旱地等不同下墊面進(jìn)行產(chǎn)流計算；官廳水庫與盧溝橋樞紐間（官廳-山峽區(qū)間）主要是山區(qū)型河道，采用馬斯京根法模擬洪水演進(jìn)；盧溝橋樞紐至防潮閘之間的河道洪水均采用一維水動力學(xué)模型進(jìn)行模擬，基本方程見式（1），采用Preissmann 隱式格式方法進(jìn)行離散求解。

式中：B為斷面寬度；z為水位；Q為流量；t為時間；x為距固定斷面的距離；g為重力加速度；A為過水?dāng)嗝婷娣e；h為水深；s0為河底比降；sf為摩阻比降；u為斷面平均流速。

大寧水庫、永定河滯洪水庫、小清河分洪區(qū)以及永定河泛區(qū)等區(qū)域的洪水演進(jìn)屬于平面大范圍的自由表面流動，洪水水深尺度遠(yuǎn)小于平面尺度，故采用二維水動力學(xué)模型進(jìn)行模擬，基本方程見式（2）～（4），在求解時采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計算域進(jìn)行剖分。一二維模型耦合時，采用經(jīng)驗(yàn)公式計算一、二維之間的流量交換。

式中：h為水深；t為時間；x、y分別為X、Y方向的距離；u、 ν分別為X、Y方向的流速；q為入流量；g為重力加速度；sx和sy為源項。

官廳水庫、盧溝橋樞紐、屈家店樞紐等節(jié)點(diǎn)均構(gòu)建規(guī)則調(diào)度模型按照洪水量級的不同進(jìn)行調(diào)度。為提高模型的計算效率，滿足在線實(shí)時計算，支撐防汛決策的需求，模型利用CPU+GPU 異構(gòu)并行計算技術(shù)，采用“grid-block-thread”三級并行組織形式進(jìn)行編程，充分發(fā)揮了GPU 的超高運(yùn)行能力以及CPU 的邏輯控制能力，將全流域場次洪水模擬計算時間控制在5 min 以內(nèi)。模型精度方面，由于缺少合適的實(shí)測洪水過程，為驗(yàn)證計算精度，將本模型不同設(shè)計邊界的計算結(jié)果與《北京新機(jī)場洪水影響評價報告》已有計算成果進(jìn)行對比[10]（見表1）?？梢钥闯觯髟O(shè)計邊界條件下，模型計算與已有成果的梁各莊、屈家店樞紐等節(jié)點(diǎn)最高水位差值均在20 cm 以內(nèi)，這說明模型精度符合要求。

表1 永定河干流關(guān)注斷面最高水位模擬結(jié)果對比Tab.1 Comparison of simulation results of concerned sections in the Yongding River main stream單位：m

3.2 模型與系統(tǒng)實(shí)時交互

模型與系統(tǒng)實(shí)時交互技術(shù)是永定河洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)功能應(yīng)用的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)模型庫、模型方案計算結(jié)果數(shù)據(jù)與系統(tǒng)交互的核心。系統(tǒng)中需實(shí)時交互的數(shù)據(jù)可以分為模型網(wǎng)絡(luò)庫、事件庫、邏輯庫3 部分。其中，模型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)是建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括斷面、河岸、水庫、水閘、泵站、涵洞、道路、2D 區(qū)間、結(jié)果多邊形等；模型事件庫為模型方案對應(yīng)的邊界條件，包括降雨、水位、流量等；模型邏輯庫為官廳水庫、盧溝橋樞紐等永定河流域重點(diǎn)水利工程的調(diào)度方式。

上述由模型提供的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能應(yīng)用的數(shù)據(jù)在格式與配置方式等方面存在差異。為此獨(dú)立開發(fā)了數(shù)據(jù)交互服務(wù)引擎，用于對模型輸出的二進(jìn)制數(shù)據(jù)、自有格式文本數(shù)據(jù)進(jìn)行解析轉(zhuǎn)義組裝，形成通用的XML、JSON、文本格式。此外，對于請求模型服務(wù)的數(shù)據(jù)也通過數(shù)據(jù)交互服務(wù)進(jìn)行拆解重組，生成模型服務(wù)可識別的數(shù)據(jù)，完成模型服務(wù)接口的調(diào)用功能，從而實(shí)現(xiàn)模型與系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時交互。模型數(shù)據(jù)交互邏輯見圖3。

圖3 模型數(shù)據(jù)交互邏輯圖Fig.3 Model data interaction logic diagram

具體地，模型與系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口設(shè)計為實(shí)時數(shù)據(jù)類、模型管理類、模型輸出類，其中實(shí)時數(shù)據(jù)類能夠?qū)崟r對接、讀取雨、水、工情數(shù)據(jù)庫，并將數(shù)據(jù)輸入模型中，作為模型的計算邊界；模型管理類能夠完成建模數(shù)據(jù)的更新，包括主要參數(shù)（徑流系數(shù)、糙率等）、水利工程調(diào)度規(guī)則、閘門過流能力曲線等；模型輸出類則是將模型計算的結(jié)果按照系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行整理。通過上述接口，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時傳遞的同時也完成了模型計算的控制。

3.3 二三維地理信息渲染

永定河洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)涉及基礎(chǔ)地理信息、水文、氣象、淹沒等多元化的地理信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量龐大。為實(shí)現(xiàn)河道洪水動態(tài)演進(jìn)、蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)等不同場景的實(shí)時渲染，節(jié)省計算機(jī)算力，系統(tǒng)采用了基于WebGL（Web Graphics Library）的地理信息展示框架[11]。在渲染過程中，為了避免損失地理信息數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用連續(xù) LOD 技術(shù)繪制幾何體表面狀況。具體地，渲染前，系統(tǒng)采用Douglas–Peucker 算法，對淹沒原始矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行分層簡化，減少原始數(shù)據(jù)量；而在渲染階段，計算LOD 層數(shù)據(jù)頂點(diǎn)時，基于深度偏移值動態(tài)設(shè)置方法處理頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，以減少計算量及渲染的頂點(diǎn)數(shù)，從而達(dá)到提升渲染效率，減少渲染響應(yīng)時間的目的[12]。

4 系統(tǒng)主要功能

基于“四預(yù)”體系，按照流域防洪預(yù)報調(diào)度業(yè)務(wù)需求，結(jié)合水利一張圖矢量數(shù)據(jù)以及重點(diǎn)防洪工程的數(shù)字化三維模型，構(gòu)建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)底板；采用數(shù)字孿生、三維建模、720°VR 全景、數(shù)值模擬和智能分析等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)流域雨水工情的實(shí)時監(jiān)測、洪水的預(yù)報預(yù)警、工程調(diào)度的預(yù)演以及預(yù)案的管理下發(fā)等業(yè)務(wù)功能[13-14]。系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)功能模塊見圖4。

圖4 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計Fig.4 System function module design

4.1 雨水情實(shí)時監(jiān)測

以永定河流域現(xiàn)有物理感知站網(wǎng)為基礎(chǔ)，以降雨量、水位、流量、視頻等要素為對象，構(gòu)建系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測模塊。提供標(biāo)準(zhǔn)化接口，對接流域水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合不同站點(diǎn)水文要素的警戒閾值，實(shí)現(xiàn)雨水情的全面感知與實(shí)時告警，并對水文要素的變化態(tài)勢進(jìn)行實(shí)時動態(tài)分析；接入重點(diǎn)水利工程視頻，實(shí)時掌握閘門啟閉情況、閘門開度等工程運(yùn)行狀態(tài)，并對異常運(yùn)行進(jìn)行告警；建立面向不同要素的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)歷史雨、水、工情信息的存儲與查詢。

4.2 實(shí)時模擬計算

系統(tǒng)在集成水文水動力一體化模型的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)官廳水庫以上、官廳水庫-盧溝橋樞紐段、盧溝橋樞紐-屈家店樞紐等河段的水文預(yù)報及水動力模擬，并通過數(shù)據(jù)交互服務(wù)引擎實(shí)現(xiàn)模型在線計算及模型數(shù)據(jù)與系統(tǒng)的實(shí)時交換。

系統(tǒng)計算實(shí)例：受強(qiáng)降雨影響，官廳水庫以下，盧溝橋樞紐以上的山峽區(qū)間形成較大洪水，根據(jù)盧溝橋樞紐控泄規(guī)則，分別設(shè)定按照2 500 和3 000 m3/s 控泄的方案，作為水動力學(xué)計算的上邊界，并輸入系統(tǒng)。方案如圖5 所示。利用系統(tǒng)計算不同方案永定河洪泛區(qū)淹沒過程，計算結(jié)果見表2，淹沒范圍見圖6。

圖5 盧溝橋不同控泄方案Fig.5 Different drainage schemes of Lugou Bridge

圖6 盧溝橋不同控泄流量對永定河泛區(qū)影響對比Fig.6 Comparison of effects of different discharge of Lugou Bridge on Yongding River floodplain

表2 盧溝橋樞紐不同控泄方案對永定河泛區(qū)影響對比Tab.2 Comparison of impacts of different drainage schemes of Lugouqiao hydroproject on Yongding River floodplain

4.3 “四預(yù)”功能

在預(yù)報方面，系統(tǒng)實(shí)時接入氣象信息，采用全流域水文水動力耦合模型，得到官廳水庫、三家店、盧溝橋和屈家店等重要節(jié)點(diǎn)洪水的網(wǎng)格化滾動預(yù)報成果，滾動周期為1 h；并提供全流域雨量站實(shí)測降雨過程、水文站水位流量過程以及墑情空間信息高精度展示等功能。

在預(yù)警方面，系統(tǒng)根據(jù)氣象預(yù)報和水情預(yù)報結(jié)果，按照相應(yīng)的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，以面降雨量、官廳、山峽等站點(diǎn)流量過程為預(yù)警對象，提供永定河流域降雨、洪水、災(zāi)損等防洪減災(zāi)全要素的全過程跟蹤預(yù)警展示功能，預(yù)警等級分紅、橙、黃、藍(lán)四級；提供警情輕重及影響范圍的智能判別功能，并進(jìn)行預(yù)警信息的實(shí)時推送。

在預(yù)演方面，系統(tǒng)自動匹配預(yù)報降水量級、時空分布、河道（水庫）水位等信息，基于實(shí)時工況，提供調(diào)度方案的預(yù)演功能；滿足調(diào)度方案的人工干預(yù)功能，可以對方案中水利工程的調(diào)度規(guī)則、調(diào)度方式進(jìn)行修改；針對選定的調(diào)度方案采用三維GIS 地圖的飛行模式串聯(lián)洪水的演進(jìn)過程，實(shí)現(xiàn)不同調(diào)度情景下官廳水庫攔洪削峰效果，小清河分洪區(qū)、永定河泛區(qū)等蓄滯洪區(qū)二維淹沒與滯洪效果，展示永定河、永定新河等河道洪水演進(jìn)的動態(tài)過程。

在預(yù)案方面，系統(tǒng)建立調(diào)度預(yù)案的歷史庫、實(shí)時庫和預(yù)報庫，實(shí)現(xiàn)預(yù)案的存儲更新管理，提供官廳水庫、盧溝橋樞紐、屈家店樞紐等工程調(diào)度指令的自動生成與下發(fā)，并實(shí)現(xiàn)洪水影像范圍、災(zāi)情損失、應(yīng)急響應(yīng)的發(fā)布。功能界面見圖7。

圖7 “四預(yù)”功能界面Fig.7 “Four forecasts” function interface

5 結(jié) 語

本文結(jié)合“四預(yù)”理念，從數(shù)字匯聚、數(shù)據(jù)底板、孿生平臺、四預(yù)體系4 個層面探討洪水預(yù)報系統(tǒng)的架構(gòu)，并將其業(yè)務(wù)功能劃分為實(shí)時監(jiān)測模塊與“四預(yù)”模塊，據(jù)此構(gòu)建了智能化的永定河洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)。該平臺可支撐防汛演練過程中天氣形勢預(yù)測分析、水文測報、預(yù)警發(fā)布、洪水調(diào)度、蓄滯洪區(qū)運(yùn)用、視頻調(diào)度等演練科目，能夠?yàn)橛蓝ê恿饔蚝樗{(diào)度決策提供指導(dǎo)，為智慧水利體系的建設(shè)與完善提供幫助，增強(qiáng)了防汛抗洪指揮決策的數(shù)字化水平。