程海云：洪水预报系统及其在工程调度中的作用
1.国内外洪水预报系统发展历程
洪水预报系统是水文预报领域具有代表性的先进技术，研发进展较快，在国内外研究开发已有30~40年的历史，经历了三个发展阶段：第一阶段是联机预报作业阶段，其主要特点是集水情信息采集、传输、处理和洪水预报计算为一体，以便快速完成洪水预报作业；第二阶段是实时预报校正阶段，在洪水预报系统中引入现代控制理论，实现实时信息和预报结果的实时校正；第三阶段是交互式洪水预报阶段，利用图形交互处理技术对洪水预报中间环节进行人工干预，充分利用专家、预报员的知识和经验，以有效地提高洪水预报水平。
目前，计算机技术和网络技术的进步使得Web服务模式下洪水预报系统的开发成为可能。系统采用B/S多层体系架构，信息集中处理和存贮，以通用Web浏览器作为用户界面，Web服务器存贮和处理信息，数据库服务器存贮属性和空间数据，达到同时为多个不同地点的用户迅速服务的要求，具有良好的跨平台性和扩展性，同时能够减轻管理人员的负担，使洪水预报系统研发真正从模型开发走向应用服务。在业务功能处理上实现了预报调度一体化、会商决策信息化和科学化支撑。基于Web服务模式下构建预报调度一体化系统，正向洪水预报系统发展的第四阶段迈进，长江防洪预报调度系统是其中代表之一。
2.长江防洪预报调度系统的发展迭代
20世纪50年代以来，长江流域洪水预报经历了从无到有、由点到面的迅速发展，伴随着水情自动测报技术的研发，水雨情报汛站点不断扩充，预报模型方法和手段不断进步，长江洪水预报逐渐走上现代化。
长江水利委员会水文局从20世纪80年代起开发洪水预报系统，并持续迭代更新。最初目标为联机实时预报，辅之以图形交互处理技术，将动态预报技术应用至作业预报且获得成功，开创性地提出“交互式预报”概念。1994年起开发“长江专家交互式预报系统”，实现对模型结果进行人工干预，开辟了专家经验与计算机技术有机结合的可行途径，系统1995年5月投运后在95/96/98年大水中发挥了至关重要的作用。2000年，在国内率先实现了常用预报方法传统手工建模的计算机化。2006年，为适应三峡工程建设带来的流域汇流变化，开发了基于Web应用的通用型水文预报平台，在系统通用化上取得突破性进展，并应用在三峡水库调度和长江洪水预报调度中，成功解决三峡入库洪水预报异地会商难题。2010年，依托国家防汛抗旱指挥系统一期工程，进一步完善通用型水文预报平台，并在平台上创建了长江洪水预报系统和长江防洪调度系统。2012年开展长江流域水库群联合调度，对预报调度系统研发提出新的更高要求。依托国家防汛抗旱指挥系统二期工程，2016年建成长江防洪预报调度系统，在国内率先实现预报调度一体化，成为长江流域防洪和水资源预报调度会商的重要抓手。
▲第二代洪水预报系统/人民网
1.技术难点
一是水利工程建成后运行，逐渐改变河流天然状态，如何在实时洪水预报中考虑众多水工程的合理运用，提高预报精度，并实现工程运行条件下多阻断河系洪水连续演进计算，是一项重要难题。
二是江河湖库洪水调度最终目标是合理运用各种水工程设施（水库、分蓄洪区等）对洪水过程进行人工干预，改变洪水、水量过程的时空分布，从而达到防洪减灾、水资源综合利用的目的。水利工程实时调度的决策过程，就是人工干预措施、力度和时机的选择、比较过程，属综合性智能决策的领域，如何实现预报调度的嵌套分析，技术难度大。
三是开展Web服务模式下的预报调度系统建设，需要解决水利工程信息共享整合、大数据传输、统计查询及计算效率等难题。
四是适应水利工程的逐渐建设到位、预报调度的技术业务更新发展，预报调度业务系统始终处于不断完善的动态系统。
2.设计理念
（1）开放式设计理念
系统框架、菜单体系、数据访问、预报调度体系构建均采用开放式管理体系，通过配置加可视化管理维护功能，实现动态管理。数据访问封装通用化接口，提供统一的数据访问服务。
预报调度体系主要以概化图表示，通过配置管理自定义方式构建预报调度任务，不修改程序编码便可修改预报调度业务逻辑流程，采用工作引擎控制预报调度执行逻辑，从而实现预报调度流程动态控制，体系及节点可灵活增删及扩展。
（2）一体化技术思路
按照分布式+面向服务的集成方式，实现水文气象产品统一生成共享、信息综合展示一张图、预报调度一体化服务。
▲长江委水文局领导参与水情形势分析研判/周明
3.关键技术
（1）预报调度模型库构建技术
根据纳入系统的模型进行分类，分离模型、接口、数据、业务，采用面向对象技术规范各类模型的输入输出接口，制定统一的封装技术标准，以组件化结构和开放式架构创建不同粒度的多源异构预报调度模型库。
（2）调度规则库构建技术
通过收集已有防洪调度、水量调度相关的各种基础文件、特征参数和相关研究成果，对调度规程及联合调度方案、实时洪水调度等研究成果进行归类整合，理顺防洪调度、水量调度的分析体系，并数字化调度规程，量化并抽象分类后转化为计算机可识别语义，结合调度规则参数，形成实时调度规则库。
（3）预报调度体系可扩展技术
根据流域水系测站的拓扑关系，以概化图描述，并采用对象符号和可标记的语言，分类标识预报节点、调度节点的对象属性及上下游关系，对象属性包括基本信息、模型信息等。可编辑修改预报体系结构，当流域预报体系发生变化时，可直接编辑节点信息，调整节点顺序，达到新增或删减预报调度对象的目的。
（4）预报调度一体化引擎
按空间位置与水力联系构建河系、水工程和防洪对象的拓扑关系概化图，建立预报调度计算体系，配合模型库、调度规则调用和调度演算约束，采用通用数据接口对降水预报、降雨径流、洪水演进及调度各模型作无缝耦合处理，实现河系的河库（湖）联动、有序连续演算的预报调度一体化，如图2所示。
（5）可视化处理技术
利用Internet/Intranet、地理信息系统（GIS）和多媒体等新技术，开发友好的用户界面，通过图表展示及图形拖动方式，利用可视化处理功能实现区间交互、计算修正、水位/流量控制、调洪演算和交互调度等过程。
4.主要功能
洪水预报系统功能受需求驱动，水情业务和服务对象及范围不同，系统功能差别较大，但总体上应包含以下几个方面：
一是信息处理与共享，对预报调度业务所需的水雨情信息、工情信息（水库、闸、坝等运行数据）和防洪基本信息（防洪方案和指标、安全泄量、防洪区社会经济状况等），进行汇集、处理、存储和共享；
二是水雨情监视预警，提供对实时汛情、工情自动监视和险情告警服务，通过对监测数据的实时接收，异常时能以声音、动画、图、表等方式醒目提醒、动态告警，以完全自动、直观清晰的方式提供各类工程运行及预报调度情况，实现自动、及时、全面的实时监视功能；
三是防洪形势分析，根据洪水预报成果，对实时、预报与历史的水雨情信息检索，按照防洪调度规则进行推理判断，初步判明需启用的防洪工程，并参考工程运用现状，明确当前调度任务与目标，编制防洪形势分析报告，初步确定各控制性工程的防洪形势；
四是预报调度，依据流域实时水雨情、工情及预见期降雨等信息，以自动、交互相结合的模式实现预报调度、洪水演进及相关分析，并具有实时校正功能，可对不同降雨预报方案、工程运用方式进行模拟仿真计算，分析洪水调度中的不确定因素，协助制定洪水调度决策方案；
五是综合分析，对预报调度结果的可靠性和可能出现的偏差进行分析和研判，利用交互分析工具，综合分析会商，确定预报发布值。
▲长江水文职工在三峡大坝前精心抢测洪峰及沙峰/张伟革
一是实现预报与调度的无缝衔接与嵌套，为工程调度掌握流域上下游和各区域之间的复杂关系，充分考虑流域来水状况，兼顾上下游进行预报调度，更加科学合理精细地实现水工程（群）的调度控制，调节流域干支流洪水，提高流域整体防洪抗旱能力，高效发挥水资源的多种功能和综合利用效益发挥重要作用。
二是通过交互式预报调度方案制作、分析比较，有力支撑精细化调度。水利工程（水库、闸坝等）调度需考虑（拦洪、削峰、与下游洪水错峰等）多种情形，洪水严重时还需要利用分蓄洪区拦蓄超额洪水。系统通过交互预报调度功能，根据给定的控制目标和控制参数，结合当前流域水利工程运行现状和效果差异，推荐调度方案，包括水利工程（群、组）应用，调度对象具体蓄泄过程，调度目标节点、影响区域状态等，并通过仿真可视化，对调度方案的应用效果和风险进行评估，供调度决策参考。
三是准确、及时的洪水预报是水利工程调度的关键，也是确定水工程实时调度运行方式的基础。采用短中长期水文气象相结合、模型与实时校正、人工经验相结合，有效地延长预见期、提高预报精度，给工程调度赢得科学决策的时间，为水工程（群）联合调度综合效益发挥提供支撑。
以长江防洪预报调度系统为例，系统汇集了流域3万个水雨情站点，集合了短中期及延伸期等各类降水数值预报产品，并接入水文预报模型，通过自动与交互并行的模式，提高预报精度，延长预见期。总体上，预见期72h内水位流量预报达到准确，其中城陵矶-大通各站水位预报平均误差均在0.2m以内，关键性的预报能提前3～5d准确预报，据此制作调度方案，调度部门依据预报调度方案开展科学调度。
2020年长江流域发生大洪水，8月中旬，长江上游岷沱江、嘉陵江干支流来水严重遭遇，三峡水库出现成库以来最大洪水，入库洪峰达75000m3/s（20日8时）。早在8月11日，洪水预报系统短中期预报出未来一周（11~17日）岷沱江、嘉陵江流域有大到暴雨，累积雨量在250mm以上，三峡入库将出现60000m3/s量级以上的复式洪水，此后滚动修正，最终预报的三峡入库洪峰与实况完全吻合。分析制作调度方案，调度部门据此精细联合调度长江上游水库群，累计拦蓄洪水190亿m3。据分析，将上游寸滩站洪峰（洪量）约90年（130年）一遇的特大洪水削减为20年（40年）一遇，显著减轻了流域防洪压力，避免了荆江分洪区的启用，发挥了巨大的防洪减灾效益。
▲长江委水文长江口局徐六泾水文站抢测洪水期水文特征值/张静
在气候变化与高强度人类活动共同作用下，极端气候和水文事件时空格局出现了新特点，水工程多目标综合调度需求不断增强，洪水预报系统现有功能难以细致刻画水利工程联合预报调度的相互嵌套影响。同时经济社会的发展对洪水预报精度、预见期、预报要素均提出了更高要求，需要进一步提升预报能力，扩充水文预报要素，引入大数据挖掘和机器学习等人工智能新技术，向智慧预报调度系统迭代升级，为防洪、水资源管理及应急调度决策提供强有力的支撑。
刊于《中国水利》2020年第17期，略有删减作者/程海云，长江水利委员会水文局局长，党组副书记，教授级高级工程师。编排/安天杭