第二章 水库水情自动测报系统及其开发

第一节 综述

水情自动测报系统是防汛抗旱的耳目和参谋，是防洪决策、水资源优化调度、水工程运行管理的重要手段，是一项重要的防洪非工程措施。建设水情自动测报系统是一项投资少、工期短而又十分有效的非土建工程性的防洪措施，已为世界各国所普遍采用。推广水情自动测报技术，提高防洪减灾管理水平，确保安全度汛造福人民，已经成为水利工作者的重要职责。

一、水情自动测报系统国内外研究概况及发展趋势

我国水情自动测报技术的开发研制始于20世纪70年代中期，形成的初期产品在国内一些水库实地应用，当时受日本应答式体制产品影响较大。我国早期也有过自报式水情测报装置，但其设备缺陷较多，误差很大，未能进入实用阶段。20世纪80年代中期以较高的起点、较快的速度确立了自己的技术基础，建成了很多自己的水情自动测报系统。1983年正式开发，1986年投入运行，由中国水利水电科学研究院研制的黄龙滩水情遥测和洪水预报、防洪调度自动化系统作为国产化正规产品的起点，其后，国内先后建成了一些水情自动测报系统。20世纪90年代是我国这一专业技术发展最快的时期，一些较大的系统相继建成，其中包括岩滩、天生桥、五强溪等水电厂较大的水情自动测报系统。特别是近几年，雨、水情遥测系统得到了较大的发展，无线通信技术、遥感遥测技术和计算机应用技术在防汛工作中得到了广泛应用，极大地提高了防汛工作的主动性和超前性。

随着卫星通信的新发展，在提高卫星通信的利用率、降低卫星通信的成本、满足不同业务方面，出现了许多新技术，构成了一些新型的卫星通信网络。Inmarsat国际卫星移动通信系统和VSAT卫星网系统是新近几年发展起来的卫星通信网络系统，它们更适合于水情数据的传送。这些新型卫星通信网络系统在水情数据通信方面已进入实地应用阶段。

在水情遥测数据传送方面，国内相关的科研单位在个别地区进行了短波通信试验和应用。由于短波信道受大气和季节影响及其他无线电台干扰很大，噪音严重，因此应采用抗干扰调制解调技术及纠检错和自动换频技术，甚至还必须采用更复杂的电子技术以改善通信质量，因其固有的技术难点目前很难完全解决，尤其在卫星数据通信技术日益完善的情况下，其在水情自动测报中的发展前途未卜。

在国外，一些公用电话网络发达国家乐于采用有线水情数据通信，我国大部分地区尚不具备这种条件。不过，国内很多管理单位已经有了地面微波通信，在已建有微波通信联系的情况下，如若可能，利用它们之间的微波线路传输水情数据是可行的。美国是利用流星余迹进行水情数据传送的唯一国家，他们建成的SNOTER流星余迹通信系统，带有60个遥测站点，通信距离可达2000km。利用流星余迹进行通信的频率通常为40～50MHz，传输速率为几千bit/s。

德、法、荷等欧洲国家在水情自动测报上的发展趋势为：模拟技术、地理信息系统等应用到河流堤防管理的风险分析中，在洪水预警预报方面，将卫星、雷达、天线等现代化的设备和手段，应用到洪水预报中。由于雷达能测定雨滴的大小、密度，云层及雨区的分布、移动、强度等，且数据直接进入预报系统，因此不仅提高了洪水预报精度，还增长了洪水预见期。同时采用遥测遥感、地理信息等技术，及时调整和修改洪水预报模型，使模型更符合地理特征、洪水规律，预报精度更高，预见期更长。

在数据处理、洪水预报和防洪调度等方面，从过去单一目标、单一管理，发展到水情测报与厂内监控信息互联、水情遥测网之间资料共享，以更好地实现防洪与发电的优化调度。目前国内有的省份已经初步实现对所属各水情自动测报系统的水情信息进行计算机联网管理，进而有可能为大流域、大区域的水资源进行宏观调度和管理提供决策。这方面的工作正在逐步深化，有广阔的研究和开发潜力。

二、国内水情自动测报系统的建设目标

根据我国现有江河、水库洪水预报的现状和存在的问题，结合国内外现有的新技术及成功的经验，开展的研究工作及建设目标内容如下：

（1）研究开发水情测报系统中的监测和传输设备。国内水文站目前对水位信号采集基本采用传统的“浮子式水位传感器”。除检测原理原始、精度较低外，其致命的弱点是无法在水流急的河流中正常工作，需要在采集点建设辅助测井，投资较大；国际上，近年来研制并使用较多的是“压差式水位传感器”与“超声波水位传感器”。与“浮子式水位传感器”相似，“压差式水位传感器”不能在含有泥沙的河流中正常工作，而“超声波水位传感器”对工作环境条件要求较高，而我国大多数水文观测站都建在自然条件较差的地方，在使用中普遍存在精度低、可靠性差的问题。

除上面指出的水情数据检测手段滞后情况外，我国目前采用的水情数据处理仪器还存在采集数据与信息处理网络衔接不畅的突出矛盾。如大部分水文站需将采集到的水情数据由人通过电话、电报方式传送到上一级管理网站；近几年，我国引进的澳大利亚最先进的“固态存储器水情数据处理仪”虽然具有数据长期自记、固态存储等优点，但对主要水情数据需用多台仪器分别处理，这样势必影响水情数据处理速度，无法实现水情数据实时入网。因此，对上述问题的研究与解决是一个十分必要和紧迫的战略问题。

（2）扩大水情测报信息源。我国在水情站网的布设和报汛手段方面经历了不断完善的过程，目前已经形成8000处左右的报汛站点，这是防汛水情信息的主要信息源。但为了满足国家防汛指挥系统工程的需要，必须扩大水文情报预报信息源，在重点防洪区需采用测雨雷达、卫星遥感技术和地理信息系统技术，以取得更多的水文信息，并与水文预报系统相连接，从而进一步提高预报精度和增长有效预见期。

（3）发展水情测报技术。目前水情自动测报取得了显著的技术进步，但必须着手解决水文作业预报系统计算机软件的发展不平衡问题。在继续提高制作模型技术手段的同时，加强对降雨径流形成物理规律的研究，不断增强对模型结构物理意义的认识；大力开展干旱、半干旱地区和平原水网区的流域水文模型的研究；在对流域水文模型作进一步应用和完善后，应使软件商品化，以利推广；要认真总结研究雨洪不对应和模型不相适应的问题，以提高水文模型的精度；探讨研究与雷达测雨、卫星信息估计降雨量相匹配的流域水文模型。进一步研制开发水情预报系统，须避免低水平重复开发，必须减少人、财、物浪费，必须使系统便于改进和推广。

（4）国家防汛指挥系统的建立。国家防汛指挥系统是一个集水情、雨情、旱情、工情等于一体的现代化的庞大系统工程，又是一个典型的水利信息化工程。它由四个系统，即信息采集、通信、计算机网络和决策支持系统组成。

在信息采集系统中，就水情采集系统而言，涵盖224个地级水情分中心和3002个中央报汛站以及中央直管的7个工程单位、9个大型水库和12个蓄滞洪区。在通信系统中，就卫星通信骨干网而言，涵盖100座大型水库和224个水情分中心，并计划在3002个中央报汛站中选择665个建立防洪卫星数据平台。在计算机网络系统中，在224个水情分中心和各级防汛抗旱指挥部门之间建立互联互通的计算机广域网。

（5）实时洪水预报的研究。提高制作模型的精度，探讨研究与雷达测雨、卫星信息估计降雨量相匹配的流域水文模型。这一热点主要表现在：一是依靠计算机的快速运算及大容量存储能力研究探讨快速、准确进行洪水预报的方法及算法，以提高模型效率；二是用先进的计算机可视化编程语言开发直观易读、方便易行、交互能力强的洪水预报应用软件，以提高模型的使用性。

总之，在水利信息化快速发展的新形势下，如何有效的发挥水情自动测报系统的经济效益，最大限度地服务于国民经济建设，确保国民经济的可持续发展，是我们面临的光荣而艰巨的任务。

三、洪水预报方法研究现状与发展趋势

1.产汇流理论与模型

（1）径流形成的过程。从降雨到形成出口断面流量的整个水文过程，称为径流形成过程，它是陆地水文循环的一个重要环节。自然界的径流形成过程是一个在多种因素相互作用下的复杂过程，尽管具有一定的随机性质，但仍然可以从中找出内在规律。从实质上讲，它是水体沿不同方向、通过不同界面和介质的水流运动，是在各种力的作用下寻求平衡的一个物理过程。在这个过程中，水的运动可分为垂向和侧向二类运行机制；垂向运行机制将降水进行再分配，形成不同的径流成分；侧向运行机制是将不同径流成分在时程上进行再分配，形成出口断面的流量过程。为了便于降雨径流分析，一般都把径流形成过程相对地分解为产流和汇流两个过程，分别进行研究。

（2）产流概念与产流机制。长期以来，霍顿 （R.E.Horton）提出的产流概念，成为人们理解径流形成机理的基本概念和建立一些水文分析、计算方法的基本原则。霍顿产流概念的基本观点是：超渗雨形成地面径流，当土壤田间持水量补足以后，稳定下渗量形成地下径流。霍顿这一论述只能解释均质包气带的产流机制，从20世纪60年代起这一理论开始受到挑战，并于20世纪70年代出提出了不同于霍顿产流机制的壤中径流和饱和地面径流的形成机制及回归流概念，出现了所谓的“山坡水文学学派”。

产流机制是指：水流沿土层垂向运行中，在供水与下渗矛盾支配下的发展过程和机理。有学者总结了界面产流的共同规律“界面产流机制”，它反映了不同径流生成的基本规律以及产流的物理实质，因为界面本身包含了供水与下渗矛盾的概念，即f_p上>f_p下才能产生径流这一必要条件。产流机制研究的进展，有力地推动了降雨产流量计算方法和流域水文模型的发展。

由此可见，一次降雨产生出口断面的总径流是由地面径流、壤中流、浅层地下径流和深层地下径流所组成。由于降雨产流过程十分复杂，各种概念都可能在相同流域或不同流域、相同时间或不同时间出现，将随流域地形、土壤、植被、土地利用状况以及流域气候和降雨特性等情况而定。因此，必须针对流域特征探索适合流域的降雨径流预报方法。

（3）产流计算模型。传统的产流理论是霍顿在1933年提出的，其对产流的概括比较简单，并不能充分反映客观产流现象的全部内容，在产流条件和产流面积上均需进行必要的补充，更重要的是应对产流过程的物理机制加以分析阐述。近几十年来，水文学家通过对大量水文资料的分析研究，提出了湿润地区以蓄满产流为主和干旱地区以超渗产流为主的重要论点，建立了流域产流计算的实用方法，从而使霍顿产流理论在生产实际中得到了广泛应用。

API（前期雨量指数）用于流域产流预报是一种传统的方法。最初，由于这种方法主要针对独立的次洪产流量计算，故后被称为次洪API模型（配合单位线法预报汇流）。有文献提出将API方法与单位线法相结合，并发展成为一个完整地模拟降雨径流过程的流域模型，后称为连续的API流域模型。有学者指出了API模型的局限性，将分散性结构引入模型，对其做了进一步的改进，最终形成了一套适合计算机处理的模型参数离线分析处理系统和实时预报模型系统。还有对API模型的参数率定技术重新进行了研究，找到了API模型传统研制技术与计算机技术的结合方式，实现了API模型参数率定计算机化的目标。

20世纪60年代初，我国学者通过分析湿润地区降雨损失的特性，提出了蓄满产流的计算方法。经过不断改进和完善，形成了一套完整的产流计算的数学模型。蓄满产流模型假定对流域上的一个点，土壤含水量未满足之前不产生径流，当土壤含水量满足之后，则后续降雨全部产生径流。全流域的土壤蓄水容量的空间分布规律用一条抛物线（流域蓄水容量曲线）来概化。

相关研究指出，通过两次流域分配的方法将流域蓄水曲线与入渗曲线结合起来，提出了综合产流模型。综合产流模型的结构介于蓄满产流与全流域分配的超渗产流模型之间，其产流计算既受控于土壤蓄水能力，又受控于入渗能力，既受控于总雨量，又受控于降雨强度。这样的流域产流模型弹性大，更能适合不同条件下的产流计算。将流域平均下渗曲线与下渗率流域分配曲线结合起来，建立流域产流计算的一般性产流模型。不同下渗曲线和不同下渗率流域分配曲线可结合成多种产流模型，因此此类模型弹性较大，广泛适用于干旱及湿润地区，并在理论上和实际资料检验了蓄满产流模型。同时，该模型可作连续计算，并具有调整计算时段长短以考虑雨强对产流影响的功能。有研究探讨了实际入渗曲线和入渗能力曲线的区别，提出双曲入渗模型，并用于产流计算，通过实例验证了其可行性。通过对目前广泛使用的几个主要产流模型的剖析和对比，提出了这几个模型之间的联系和区别以及应用中应注意的问题，并建议优先选用综合产流模型。

（4）半干旱半湿润地区产流问题及进展。众所周知，半干旱半湿润地区流域产流的空间分布、影响因素、模型选用等问题十分突出，近几十年来，国内外水文学者在这方面做了大量工作。针对半干旱半湿润地区的产流特点，提出了蓄满-超渗兼容模型及垂向混合模型（简称混合模型），该混合模型主要是把超渗产流和蓄满产流垂向组合。

（5）汇流预报方法。在近代汇流理论中，通常采用三种途径来建立汇流计算模型，即连续力学、概念性模型和黑箱分析法。用连续力学建立雨洪汇流计算模型，就是把圣维南河道不稳定流方程组，经过概化与均化，应用到流域汇流计算中去。所谓黑箱分析法，是根据系统的输入和输出资料来推求系统的响应，并不去探讨输入形成输出的物理机制。谢尔曼经验单位线分析法就是最早的一个应用实例。而概念性模型则可介于两者之间，它吸取了两者的优点，模型本身以一定的物理概念做基础，主要因子间存在某种特定关系，模型参数从实测资料中优选。以纳什模式为基础的变雨强单位线法就属于这一分类范畴。

单位线法的定义是：在给定的流域上，单位时段内时空分布均匀的一次降雨产生的单位净雨量，在流域出口断面所形成的地面（直接）径流过程线，称为单位线，它建立在倍比和叠加原理的基础上。控制单位线形状的指标有单位线洪峰流量、洪峰滞时及单位线总历时，常称为单位线三要素。从实测水文资料分析单位线，宜选择在时空分布较均匀的短时段降雨所形成的弧度较大的洪水来分析。传统的分析方法有分析法、图解法、试错法、最小二乘法、迭代法和各种识别方法等，这些方法都属于“黑箱”方法。

净雨历时趋于无穷小的单位线称瞬时单位线，其定义和假定等同于时段单位线。这个概念是克拉克于1945年提出的，纳什于1957—1960年运用系统分析的方法推导出瞬时单位线的数学表达式，并以矩法为基础来推求参数，进行了时段转换和参数的地区综合，使瞬时单位线得以发展。瞬时单位线不仅简化了计算，更重要的是解决了单位线没有数学线型的问题，建立了流域响应模型。

2.流域水文模型研究现状及其特点

在流域模型迅速发展以前，在应用水文学方面，常采用数学物理方法、单位线法、经验相关法和概化推理方法等。20世纪50年代后期，随着电子计算机和系统理论应用的迅速发展，水文学中提出了水文模拟的概念和方法。水文模拟方法是对上述各种方法取长补短并结合起来而形成的，它一方面有别于数学物理方法的严密性；另一方面又有别于概化推理方法的设计性，它吸取了经验相关法中合理的物理概念，并把这些概念系统化成一个推理计算的模式。因此，它可以采用比较严密的结构，也可以采用比较粗糙的结构或黑箱子模型作为部分结构。对水文现象进行模拟而建立的一种数学结构称为水文数学模型。水文数学模型可分为确定性模型和随机性模型两大类，描述水文现象必然性规律的数学结构称为确定性模型；而描述水文现象随机性规律的数学结构称为随机性模型。其中确定性模型可分为集总式和分散式模型两种，前者忽略水文现象空间分布的差异，后者则相反。水文数学模型又可分为线性与非线性、时变与时不变。概念性水文模型属于确定性模型的范畴，它以水文现象的物理概念做基础，采用推理和概化的方法对流域水文现象进行水文模拟。概念性模型在一定程度上考虑了系统的物理过程，力图使其数学模型中的参数有明确的物理概念。因此建立概念性流域水文模型，首先要建立模型的结构，并以数学方式表达；其次要用实测降雨径流资料来率定模型的参数。自20世纪60年代初期，产生了大量的流域水文模型，其中有代表性的、应用较多的有斯坦福模型、萨克拉门托（Sacrament）模型、坦克（Tank）模型和我国的新安江模型。

20世纪60年代初，我国水文学者赵人俊等开始研究蓄满产流模型，并于1973年正式提出一个适用于湿润与半湿润地区的降雨径流流域模型——新安江模型。最初的新安江模型为两水源——地表径流和地下径流；20世纪80年代初期，模型研制者将萨克模型与水箱模型中的用线性水库函数划分水源的概念引入新安江模型，提出了三水源新安江模型；1984—1986年期间，又提出了四水源新安江模型——地面径流、壤中流、快速地下径流和慢速地下径流。

在我国水文预报的实践中，不仅使用概念性模型，而且也开始应用按系统分析方法求解的黑箱子模型。以多元线性回归方法为基础的总径流线性响应模型（TLR）和线性扰动模型（LPM）的数学结构及其在长江三峡地区的应用。对TLR模型作了改进，采用某一标准的暴雨强度为临界值对降雨系列进行分阶计算，可以考虑雨强对径流的影响。相关研究指出了TLR模型和LPM模型以及约束线性系统模型（CLS）的缺陷，并将新安江模型与CLS模型结合起来，提出了综合约束线性系统模型（SCLS），并建立了一个通用计算机程序包，开始在我国实际应用。

3.GIS在洪水预报中的应用

在洪水预报的新技术中，应用最广泛、发展前景最大的当属地理信息系统（GIS）。GIS是在计算机软件和硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的技术系统。洪水预报的实质就是要对洪水在特定时空条件下的运动规律进行预报、预测，空间信息量大，而对空间信息的管理与分析正是GIS的优势，而与遥感技术（RS）和全球卫星定位系统技术（GPS）结合的GIS（合称“三S”技术）功能更加强大。研究表明，GIS在面雨量计算、流域蒸发量和土壤湿度计算、交互式实时联机预报、暴雨产流模型等方面都有广泛应用。当然，除了GIS以外，还有其他一些类似的、基于计算机技术上的预报系统，如SMAR（soil moisture accounting and routing）模型及在此基础上改进而成的分布式任意时段模型。

利用地理信息系统软件将离散的点雨量数据经过网格插值计算转换为雨量分布的图像数据；用数字化仪输入的相应区域的图形数据也转换为图像数据；并对这两幅图进行一系列处理和计算，就可以得到雨量分布图和雨情分析数据。并探讨了据此计算区域面平均雨量、不同等级降雨量笼罩面积的方法。在分析平原地区产、汇流特点的基础上，把下垫面因素和暴雨因素列为随时空变化而变化的因子，并用遥感技术实时获取雨前土壤含水量等可变的区域下垫面数据，从物理成因出发，建立了反映暴雨产流内在机理、适合实际应用的基于遥感和GIS技术下的平原河网区暴雨产流模型。

4.实时洪水预报

实时洪水预报技术系统是将实时（遥测）水情信息采集系统、计算机系统和洪水预报调度软件有机地结合起来。其工作方式是：实时（遥测）水情信息采集系统不断地采集水库集雨面积内的雨量水位数据，为洪水预报提供实时准确的基础资料；计算机系统为软件运行提供一个良好的工作环境；洪水预报调度软件根据实时水情数据和历史计算结果自动运行，并输出计算结果。控制理论上实时预报的核心技术是利用“新息”（当前时刻预报值与实测值之差）导向，对于系统模型或者对预报作出现时校正。系统动态识别（也称参数自适应估计）及卡尔曼滤波就是这类方法的典型代表。最早将卡尔曼滤波应用于水文预报的研究是日本学者；莫尔和威斯提出将非线性汇流模型进行线性化，然后使用推广的卡尔曼滤波器对模型参数进行在线估计，针对任何一个确定性水文模型进行预报后将出现一个具有相关性的误差序列这一事实，对此误差系列建立一个状态空间方程，以参数向量作为状态向量，即可用系统识别方法估计其参数，用来估计预见期的可能误差，达到实时校正的目的，并取得了较好的预报效果。

四、水情自动测报系统开发的主要内容

从前面的论述中可以看出，当前洪水预报发展的趋势是借助计算机仿真、测试自动化等新技术，将预报理论更好地应用于实际，以取得更好的预报成果，产生更大的效益。基于以上的考虑，水情自动测报系统开发的目的主要包括以下内容：

（1）水情自动测报系统站网的布设研究。

（2）水情自动测报系统设备硬件选型及通信方式的优化研究。

（3）洪水预报模型的选择。根据盘石头水库实际情况，研究适合盘石头水库所在流域水文、气象、地理特性及有关水文资料，论证选用适合于该流域水文特性的洪水预报模型，完成洪水预报模型的参数率定及预报方案编制。

（4）洪水预报系统软件开发。首先根据系统的组成特点，模型的求解方法和系统的用户对象，选择界面性强，面向对象的可视化编程软件，开发界面友好、功能实用、维护方便、可靠性高、开放性好的软件，根据研制的洪水预报方案，编制相应的实时预报软件，通过对实时数据的处理，在较短的时间内做出实时洪水预报。