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开源GIS基础上分布式全要素水文预报系统的探究

2020-06-10 255 上传者：管理员

摘要：新时期防汛抗旱减灾工作对水文预报预警服务的范围、内容、深度要求越来越高，水文预报预警系统需要新发展才能满足上述要求。调研了国内外水文预报系统的发展现状，分析了分布式水文预报系统的需求和关键技术，初步构建了一套基于开源GIS的分布式全要素水文循环模拟系统，以期为防汛、抗旱、水资源、水环境等领域的信息化建设提供参考。

关键词：
全要素
分布式水文预报系统
开源GIS
水文学
水环境
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新中国成立以来，各种水利工程措施和非工程措施建设大大减轻了洪水和干旱对我国的影响，不过洪灾和旱灾依然是威胁我国经济社会发展和人民生命财产安全的主要灾种。中小河流洪水由于突发性强、预报预见期短以及资料缺乏等原因，预报预警难度大，洪水防御困难多。此外，2000年以来我国干旱事件频发重发，究其原因，除局部降水减少及水利基础设施配套不足等因素之外，干旱监测和预警工作相对薄弱也是一个重要因素，以致目前我国在干旱预防和应对方面主要以“被动抗旱”为主，无法做到“主动防旱”。

水文监测预报预警是防汛抗旱减灾工作的重要环节。近年，水文监测预报预警在减少灾害损失、保障人民群众生命财产安全等方面发挥了重要作用，但我国水文监测预报预警业务仍存在不少问题。单就水文预报业务而言，主要存在以下问题：(1)水文计算一般局限于单点或者单个断面的水位、流量、土壤含水量等信息，没有河道沿线及流域内的空间分布信息，无法实时计算洪水淹没过程和淹没范围；(2)现有方法仅适用于有长系列观测资料的站点，在观测资料缺乏或不足的中小流域预报业务开展难度大；(3)洪水预报业务开展较多，干旱、地下水等其他预报业务开展较少，且将不同水文要素割裂开来进行预报，没有考虑内在联系；(4)经验性方法（如API、上下游相关、增退熵曲线等）和概念性方法（新安江、河北雨洪等）应用较多，具有物理机制的水文模型、水动力学模型应用较少，对北方超渗产流地区的预报支撑不足；(5)降雨多是按照单站雨量区域均值输入到模型中，无法使用降水雷达等多源监测信息，无法反映降雨的空间变异性，一定程度上影响了预报精度。

具有一定物理机制的分布式水文模型为上述问题提供了一个解决办法，部分高校、科研院所及生产单位都进行过有益尝试，但是目前国内水文部门尚未有一个通用性强、完全基于网格或者子流域、具有水文全要素计算能力的分布式业务化预报系统。原因有以下几方面：一是分布式水文模型需要大量基础数据和气象数据，而多数水文部门没有这些数据；二是水文部门具有深厚专业技术背景的人才比较缺乏，完全理解并正确应用模型具有一定难度；三是部分人员认为分布式水文模型的预报精度不一定比经验或概念性的模型预报精度高，因此没有必要；四是分布式水文模型计算流程较为复杂，需要较强的计算资源作为支撑。

党中央、国务院高度重视防灾减灾工作，提出了“两个坚持”“三个转变”的灾害风险管理和综合减灾新理念。新时期防汛抗旱减灾工作对水文预报预警服务范围、内容、深度的要求越来越高，主要表现在由主要江河洪水预报向中小河流洪水预警延伸，由短期洪水预报向中长期水文预测延伸，由防汛抗洪向抗旱服务、城市防洪、水资源调度等方面拓展等。面对防汛抗旱新形势新要求，水文预报预警系统也需要新发展。本文调研了国内外水文预报预警系统的发展现状，分析了分布式水文预报系统的需求和关键技术，并初步构建了一套基于开源GIS的模块化分布式全要素水文循环模拟系统，以期为防汛、抗旱、水资源、水环境等领域的信息化建设提供参考。

一、水文预报系统发展现状

水文预报系统在我国的发展经历了四个阶段。

第一阶段是水文自动测报系统阶段，从研制水文自动遥测洪水警报、预报系统开始，使用遥测水文信息（雨量、水位），实现联机洪水预报作业，如20世纪80年代中国水利水电科学研究院在DOS系统上开发的一套适用于中小流域的洪水预报调度自动化系统。

第二阶段是联机作业预报系统阶段，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，如原水利部水文水利调度中心与意大利诺蒂公司合作，于1983年开发的“VAX机联机实时洪水预报系统”。

第三阶段是实时校正预报系统阶段，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，如原水利部水利信息中心1997年研制的“水情信息及洪水预测预报业务系统”。

第四阶段是交互式洪水预报系统阶段，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进行实时交互式预报，实现河系连续预报，提高洪水预报精度和水平，如水利部长江水利委员会1995年开发的“长江专家交互式洪水预报系统”、原水利部水利信息中心1998年起组织研发的“中国洪水预报系统”。

与此同时，国内一些单位还研发了Web环境下的洪水预报系统，采用B/S多层体系结构，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用户迅速服务的要求，具有良好的跨平台性和扩展性，使洪水预报系统研发从模型开发走向应用服务。

近年，国际水文界出现了许多新理念、新技术、新方法，美国、欧洲等国家和地区积极开展早期洪水预报预警服务实践。欧盟组织研发并投入业务运行的欧洲洪水感知系统（EFAS），利用多源信息融合、气象集合预报、数值高程模型、分布式水文模型、地理信息系统、卫星遥感等先进信息技术和气象水文预报方法，实时向欧洲各国水文气象预报服务中心发布中期洪水概率警报，为防汛部门提前做好准备、及时发布预警信息、尽快启动应急响应等提供技术支撑，在2013年夏季中欧“世纪洪水”应急管理中发挥了作用。美国开发的国家洪水预警系统采用同化技术、大气-陆面耦合模拟技术、基于网格的分布式产汇流技术、集合概率预报技术等，已于2016年起投入业务运行，可提供未来18h、10d、30d的预报以及全美267万条河段流量的实时同化结果，其空间分辨率可达1km，结合数据同化技术，实时同化全美约7000个站点的河流流量资料，实现对美国本土267万条河段流量的模拟和预报，洪水模拟可小至街道尺度上的洪水水深和泛滥范围，实现了从洪水要素预报向洪水影响（经济社会）预报的转变。瑞典气象和水文研究所利用HYPE分布式水文模型已经实现了全球范围的径流模拟。

二、分布式水文预报系统需求分析及关键技术

一般来说，分布式水文预报系统应该具备以下几方面能力：一是可以模拟整个流域内的水文循环过程，包括降雨截留、截留蒸发、叶面蒸腾、地表蒸发、土壤水分运动、坡面汇流、潜水出流、河网汇流、水库调度等各个水文过程，较为复杂的还可以加上人工取用水、水质模拟、泥沙冲淤等过程；二是可以反映降雨、蒸散发、土壤水、地下水等面状水文要素以及河道水位、流量等线状水文要素的空间分布特征；三是系统计算速度要快。

构建分布式水文预报系统的关键技术挑战主要有以下四个方面：

1.多源信息融合同化技术

降水是水文预报系统最重要的输入之一，其精度在很大程度上决定水文预报的精度；预报起始时刻的土壤水、地下水等下垫面状态信息作为分布式预报系统的初始值，也极大影响降水与土壤水、地表水、地下水之间的转化关系。因此，根据地面站、雷达、卫星遥感等多种手段监测到的多源信息，采用数据融合、模型同化等方式得到高精度的雨量场、土壤含水量场、地下水场等，对提高分布式系统预报精度具有极为重要的意义。

2.分布式水文预报技术

流域下垫面具有地形地貌不同、土地利用类型不同、土壤类型不同、植被覆盖不同等空间变异性，在同一地点不同深度的土壤特性也不尽相同，加上千差万别的江河湖库等水流路径，给水文预报带来了极大难度。

3.高性能计算和大数据技术

若采用基于数学物理方程的分布式水文模拟技术，以及全国范围的网格式计算，势必需要可媲美气象数值预报的超大计算量和数据量，因此如何有效使用高性能并行计算技术以及大数据技术也是需要着力解决的关键难题。

4.概率预报、风险分析及基于预报不确定性的水库优化调度技术

由于气象预报和水文模型都有不确定性，采用不同气象模式的数值预报产品和不同水文模型进行多模式多模型集合预报和概率预报，是目前常用的减少预报不确定的方法；对于水库而言，基于风险对冲等原理研究预报不确定性条件下的水库优化调度技术，在确保防洪安全的情况下提高水库综合利用效益，也是需要给予充分重视的新问题。

三、基于GIS的分布式水文预报系统

基于具有物理机制的分布式水文水动力学模型（HHModel），开发了一套基于开源GIS的分布式全要素水文预报系统（HHFS），结构如图1所示。

考虑兼容性和扩展性需求，系统采用了模块化的开发框架，将水文计算划分为坡面产流、坡面汇流、河道汇流、工程调度、淹没分析等5个模块，模块之间定义标准接口。系统输入主要为网格化的降水产品及多年平均蒸散发能力（如果有温、湿、风、压等气象信息，也可以实时计算蒸散发能力），模型计算需要的地形地貌、土壤、植被、土地利用类型等基础信息均来自公开的数据库，详细的河流水系及水利工程等信息可以由水利普查成果提供。系统输出主要包括实际蒸散发量、网格化的地表、壤中和地下径流深、不同深度（10cm、20cm、40cm等）的土壤含水量及相对湿度、地下水蓄变量、任一河段的水位流量过程、水库入库流量及经过调度的出库流量和水位变化过程、洪水淹没范围、深度和时间等产品。

图1HHFS系统结构图

图1HHFS系统结构图下载原图

需要注意的是，由于采用了基于土壤水动力学理论的水文模型，系统可以模拟降水条件下水分从地表向土壤深层的渗透过程，以及无雨条件下自土壤深层向地表的蒸散发失水过程，如图2(a）所示。基于土壤含水量计算结果，结合田间持水量，可以计算土壤相对湿度，从而可以评估和预测土壤的干旱程度，如图2(b）所示。此外，由于采用了基于网格和子流域的汇流算法，系统可以模拟任意大小流域任意网格精度的河道洪水演进过程，如图2(c）所示。在淹没分析方面，考虑到一、二维水力学方法计算效率较低，系统采用了基于GIS技术、适用于大范围快速计算的淹没分析计算方法，可以根据水位计算结果快速分析洪水的淹没范围和深度，如图2(d）所示。

四、结论与展望

随着遥感和地理信息系统、大数据和云平台技术、分布式水文水力学模型技术、高性能并行计算技术、三维仿真和虚拟现实技术等的快速发展，建设基于云平台的网格化智能化水文预报预警系统的时机已经成熟。基于开源GIS和具有物理基础的分布式水文水动力学模型，初步构建了一套分布式全要素水文预报系统，实现了从单点水文计算向线面连续计算、从单一洪水预报向全水文要素预报的拓展，其中的土壤水分数据可以用于农业旱情评估和预测，地下水计算结果可以用于水资源评估和预测，洪水淹没范围和深度等信息可以用于灾情评估和预测。未来考虑再加上水质和泥沙模块，以用于水环境评估和预测、水土流失评估和预测等领域。

尽管分布式水文预报平台具有很多优势，但不可否认，分布式模型固有的“数据需求多”“模型参数多”“维数灾”等问题依然存在，未来可以考虑通过卫星遥感、激光测量等方法获取更高精度的下垫面信息，采用数据同化、集合预报和概率预报的方法解决预报初值和不确定性问题，采用高性能并行计算方法解决“维数灾”等问题。最后，类似系统的建设是一个比较复杂的工程，涉及数据、网络、计算、安全、业务等水利信息化各个领域的资源整合，技术难度大、协调任务重，应该制定统一的规划和实施方案，有组织、有计划地推动。

图2HHFS系统输出的部分产品示意图

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基金:国家重点研发计划项目“中小河流洪水防控与应急管理关键技术研究与示范”(2018YFC1508100､2018YFC1508103);国家自然科学基金重大研究计划“城市洪涝灾害预警与全景式决策云平台”(91846203).