水文现代化与新技术：我国洪水预报系统概述

6.3.6.1　建设目标

洪水预报是根据洪水的形成和运动规律，利用过去和实时的水文气象资料对未来一定时段内的洪水发展情况作出预测预报分析，它是防灾减灾的一项重要的非工程措施。在多年的科研和实际防汛工作中，我国的洪水预报在预报理论和实际经验上取得了巨大成绩，目前已拥有一支人数众多、科学水平较高的科研和技术队伍，研制了一些适合我国的洪水预报模型，制定了众多主要河流控制站的实时洪水预报方案，开发了许多实用的联机实时洪水预报系统，在历年的防汛抗洪中为防洪调度决策提供了大量的科学依据。

然而，我国的洪水预报在实际应用上仍然存在着许多问题，主要表现在：常用的预报模型和方法软件标准不统一，没有经过统一测试，产流模型和汇流模型交织一起；预报方案的制订过程复杂，没有方便、强大、通用的模型率定系统，预报方法单一；预报系统的输入、输出不独立，文件格式和标准不统一，系统功能不全，图形功能不强；系统软硬环境不统一，技术文档不全，系统开发因人而异等。因而导致全国各地不同程度地低水平重复开发、研制，新技术应用起点较低，预报方案、预报系统五花八门，功能不全，应用不便，扩充性不强，时效性差，难以推广应用。

造成目前这种状况主要是因为缺少统一规划、集中开发、推广应用的管理机制。当前，国内外已具有许多好的预报系统开发案例和经验，随着国家防汛指挥系统工程的逐步实施，将在全国224个水情分中心建立统一的实时水情数据库，这为开发建立全国统一的洪水预报系统奠定了技术基础。1998年由国家计委立项，水利部水文局主持，组织全国有关高等院校、科研院所、水文系统及有关专业技术人员开展了中国洪水预报系统的开发建设，力争用几年左右时间，开发完成中国洪水预报系统，并在全国推广使用。

中国洪水预报系统将结合国家防汛指挥系统工程的设计要求，结合全国的实际情况，在全国统一的实时水情数据库和客户/服务器环境基础上，采用规范、标准、先进的软硬件环境及模块化、开放性结构，具有可任意选择的常用预报模型和方法库，能方便地加入新的预报模型，快速地构造多种类的预报方案，具有人工试错和自动优选相结合的模型率定系统和可用图形和表格方式干预任何过程的实时交互预报系统，具有通用的数据预处理模块和常用的实用模块以及完整的预报系统管理功能，建成具有通用性强、功能全面、操作简便的全国实时洪水预报业务系统。

6.3.6.2　开发原则

（1）坚持集中开发、全国统一使用的原则。借鉴美国天气局集中开发河流预报系统（NWSRFS）、下属13个河流预报中心共同使用的经验，由水利部水文局组织，统一设计、制定系统的软件结构体系，集中开发，统一培训，统一使用，以便于系统维护、升级，保证系统开发的连续性和先进性。

（2）坚持实用性、可靠性、先进性、开放性的原则。要求系统通用性强，界面清晰，接口标准，操作简便；保证正常运行，能够正确处理各种数据，功能模块经过严格测试，具有很好的容错和自诊能力；在充分吸收国内外成熟的经验和采用先进的设计思想和应用技术条件下，系统的各个功能模块结构化、模块化、标准化，形成标准组件，为各部门使用。

6.3.6.3　系统设计建设

目前，中国洪水预报系统已完成了系统结构体系的设计和大部分软件功能的开发，初步达到了在全国推广和试运行程度。现就其主要部分介绍如下。

1.系统软硬件环境

中国洪水预报系统软硬件环境是在微机硬件平台、Windows95以上操作系统和统一的实时水情数据库基础上，实现客户/服务器环境，在客户端使用一套通用的、固定的中国洪水预报系统软件，在服务器端为以特定流域或行政区划为单位而构建的预报系统中所有的预报方案、预报站点等信息，用户可用该系统软件针对不同的预报对象构建各自的业务预报系统，同时用户可在任何一台联网的微机上操作洪水预报。

为实现该目标，归纳、整理洪水预报中各种动态信息，以关系数据库形式，建立了24个表结构的预报系统专用数据库，用于存储预报模型名称代码、参数、状态，预报方案属性，预报值，预报根据站点属性，历史水文气象资料，用户信息等。

系统具有强大的空间表现能力，以电子地图方式管理和显示水系、地形、流域边界、站点分布、行政区划等，可按流域或行政区划集成所有预报方案，具有在电子地图上实现实时雨水情信息、预报信息、站点信息多途径、多方式查询功能。

2.预报模型和方法

中国洪水预报系统采用完全模块化结构，实现了预报模块与系统完全独立，预报模型的输入输出文件格式规范化和标准化，建立了常用的预报模型和方法库，可方便地增加新的预报模型和方法，任意选择和组合模型构建预报方案。

常用预报模型和方法按其模拟对象可分为6类：降雨径流产汇流模型（INTEGRATION）、流域产流模型（RN_PRODUCT）、流域汇流模型（BN_COLLECT）、河道汇流模型（CH_COLLECT）、水力学模型和分布式模型（HYDRO_DISTRIBUTE）、特定断面经验模型（EXPERIENCE）。各模型编译成32位、一个参变量、具有相同名称的动态链接库和外部函数，其名称代码以最多取15位英文字母和阿拉伯数字表示，经验模型软件名称代码采用7位字母，其方式为：P＋预报站号＋模型序号。

分析归纳常用预报模型的输入和输出文件种类，共有9种，即：模型参数文件、模型起始状态文件、等时段水位流量输入文件、实测水位流量输入文件、等时段点雨量输入文件、等时段面雨量输入文件、等时段净雨深输出（输入）文件、模型终止状态文件、等时段水位流量输出文件。此9个文件均分别定义有固定格式、按固定顺序存于一个文件中，该文件名为模型模块的接口参数。概念性预报模型和经验预报模型的输入和输出均按此要求进行编程，成为可通用的标准预报模型。对于水力学预报模型考虑了开放性的标准接口。

目前，已完成的标准预报模型有：三水源蓄满产流模型（SMS_3）、三水源滞后演算法（LAG_3）、马斯京根河道连续演算法（MSK）、降雨径流相关图法（P_RZHJR）、流域经验单位线法（UH_B）。全国大江大河25个主要控制站经验预报模型也已完成。

3.预报方案(www.xing528.com)

中国洪水预报系统可通过人机界面简单、快速地构建常用的预报方案，能管理大量预报方案，可进行多流域、河系连续预报。

预报方案是预报模型和方法同预报断面有关的河段和流域特性以及洪水特性的具体结合，按采用的预报模型种类不同可分为4类：经验相关图、经验模型预报方案、概念性模型预报方案、确定性模型预报方案。目前，系统实现了通过人机界面构建前三类预报方案。

构建预报方案就是通过人机界面定义、输入预报方案属性，包括预报方案代码，预报断面站号、站名，方案输入数量、类型、代码，方案输入采用的站点、流量组合关系，雨量站权重，方案输入采用的模型代码、参数、状态，方案区域输入边界，方案自然预见期，模型计算时段长、预热期，方案输出类型，方案采用的水位流量关系曲线，方案告警阈值，方案文字说明。

预报方案输入定义的前提是考虑预报方案具有多输入单输出的线性系统，即预报方案的每一输入对预报方案输出的贡献是线性和独立的，对于输入不独立时则将其归化为经验预报方案，经验预报方案模型只有一个输入。预报方案输入有两大类：单点输入和区域输入。单点输入为水文站点（水文站、水位站、水库站、闸坝站）的水位流量，区域输入为区域降雨量。经验预报方案的唯一输入为区域输入。预报方案输入代码：单点输入的代码采用其五位报汛站码，区域输入的代码采用预报站码同英文字母A、B、…、Z和方案代码的组合，由预报系统根据区域输入的加入顺序自动生成。

4.模型率定

中国洪水预报系统可通过人机界面以人工试错和自动优选两种耦合方式完成预报模型参数的率定，并可进行多模型多参数同时自动优选。

系统采用单纯形法和Rosenbroke法两种数学优化分析法，设计了数学优化方法同预报模型的通用接口，只与各种预报模型的待优化参数和选定的目标函数发生联系，使优化率定软件离析为方法软件，更具通用性、独立性和便于升级换代。系统可对标准化的预报模型中的单值参数进行自动优选，并可依据对模型、洪水和流域自然地理特性的熟练程度采用内置的人工试错方法进行参数优化调整，完成预报方案的最终建立。

系统具有确定性系数和水量平衡两种目标函数可供选择，可设定计算目标函数的阈值，可设定任何连续或间断历史水文资料系列用于率定，可根据预报方案属性自动从专用数据库中获取并生成用于模型率定的历史数据文件。模型率定完成后，所保存的率定结果即可用于实时作业预报。

5.实时作业预报

中国洪水预报系统既可定时自动预报，也可人工交互预报。当为定时自动预报时，系统可每一小时根据预先所设定的预报方案和预报顺序自动完成预报，而人工交互预报则可通过表格和图形交互处理技术对洪水预报过程中的所有信息（实时数据、模型参数状态、模型中间计算结果、预报结果等）进行人工干预，为提高洪水预报精度创造了作业软件环境。

该系统可根据预报方案的属性自动从实时水情数据库和专用数据库中获取预报根据站点的实时信息、数据预处理、预报模型参数状态，完成预报方案各输入的模型计算，得到预报结果。并可根据预报经验通过干预预报进程和修改预报方案属性进行综合分析，提高预报成果精度。

6.实用模块

中国洪水预报系统对于那些可独立于预报模型、预报方案和预报系统的数据处理模块，根据其数据处理功能开发成标准的实用模块，系统与实用模块的通信采用参变量和数据文件，各类数据文件格式均有标准化的规定。目前，系统开发完成的标准实用模块有：模型参数文件生成模块、模型状态文件生成模块、雨量站号和流量站号系列获取模块、泰森多边形控制面积计算模块、等时段点雨量系列计算模块、权重法面雨量系列计算模块、网格法面雨量系列计算模块、等雨量线计算模块、假定雨量定量及时程分配模块、等时段水位流量系列计算模块、水位流量相互转换模块、流量合成法模块、预报数据入库模块、误差系列校正模块、预报方案输入和输出模块。

7.系统管理

中国洪水预报系统具有完善的用户管理、预报模型管理、预报方案管理、水文站点管理的功能。

用户管理：系统用户分为管理员、一般用户、SA三类，管理员可以增加、删除、修改预报模型，分配预报方案，管理系统定时自动预报；一般用户可以构建、删除、修改、率定和运行自己名义下的预报方案；SA用户只用于管理电子地图，确保唯一用户对图层操作。

预报模型管理：可以增加、删除、修改预报模型，由管理员进行管理。

预报方案管理：可以删除、修改预报方案及其属性，由一般用户进行管理。

水文站点管理：分为系统站点管理和方案站点管理两部分。系统站点管理主要是在电子地图上增加、删除、修改水文站点的属性，由SA用户进行管理；方案站点管理主要是管理预报方案中所用的预报根据站，定义流域输入中用于计算面雨量的雨量站号，定义流量站的流量组合关系，由一般用户进行管理。