水库预警平台系统软件框架研究

时间：2024-05-04

李丹

(湖北省水利水电科学研究院信息技术部，湖北武汉 430070)

水库预警平台系统软件框架研究

李丹

(湖北省水利水电科学研究院信息技术部，湖北武汉 430070)

水库湖泊在防洪、灌溉、发电、城乡供水、航运和水产养殖等方面发挥着重要作用，是防汛工程体系和水利基础设施的重要组成部分。对水库预警平台进行研究，力争提高水库湖泊管理能力，有效防御洪水灾害，减少人员伤亡和财产损失，保障人民生命财产安全和水资源安全，促进区域经济社会的可持续发展。

B/S；C/S；预警平台；动态监控

0 引言

为了加强对水库湖泊的动态监控，保证通信畅通，防汛命令能迅速下达，重要汛情及时查询或上报各级三防部门，及时发布洪水警报与收集反馈信息，最大限度避免或较少发生水库湖泊失事，同时在出现旱情时，能够及时掌握水库库容信息，为抗旱提供决策参考，建设水库预警平台是非常必要的[1]。

1 水库预警平台设计思路

系统划分为信息采集系统、通信及计算机网络系统、数据库系统、自动测报预警平台等4部分。各水库现地测站将水库水位、雨量等测站数据通过GPRS/CDMA/GSM传输至水情分中心，经数据接收服务器接收后存储在水情分中心监测信息数据库中，同时对数据进行备份；各水库、湖泊现地测站将水库渗流渗压、水质、湖泊等测站数据通过GPRS/CDMA/GSM传输至中心站，经数据接收服务器接收后存储在中心站监测信息数据库中，同时对数据进行备份；水雨情信息在水情分中心通过水利专网传输至中心站。

2 水库预警平台总体框架

水库预警平台建设涉及到水雨情、大坝监测、水质监测、湖泊监测等信息的采集、传输、存储，以及信息管理系统建设等，其关键在于实现各种采集数据的整合与各类分析方法的融合，为水库防汛、抗旱预警提供支持信息等。其总体框架结构组成包括信息采集传输、通信网络、数据资源、应用支撑、业务应用、应用交互等6个层面。系统由信息采集与传输系统获取监测数据，以网络、安全、存储、操作系统等系统软硬件为基础，以建设和开发各类数据库为核心，以统一应用支撑平台为框架，以开发各类业务应用系统为关键，以信息安全体系、标准规范体系为保障，为各级管理部门、社会公众提供服务，从而实现水库管理工作的互联互通、信息共享、业务协同。这6个层面、两大保障体系共同构成系统的总体框架，如图1所示。

3 水库预警平台软件主要技术

从应用角度看，目前的主要应用体系架构包括C/S架构、B/S架构以及B/S和C/S混合架构3种主流应用体系，它们各有优缺点[2]。在选择应用系统架构时，主要从本系统的用户地理分布、应用系统功能要求以及运行维护等几方面综合考虑。从目前应用系统的需求看，采用B/S体系架构完全能胜任应用系统各功能的实现。因此，根据本系统的具体应用特点，系统的应用体系架构选择采用B/S模式[3]。

4 水库预警平台软件架构

水库预警平台分为表现层、业务逻辑层、数据层访问层，其逻辑结构如图2所示。

图1 系统总体框架

图2 系统软件逻辑结构

5 水库预警平台系统功能

平台包括6个模块，分别是实时信息、基本信息、调度管理、洪水预报、运行管理、系统管理，这些模块共同完成相应的监视和信息展示功能，系统功能总体结构如图3所示。

图3 系统功能总体结构

(1)实时信息。实现地图浏览，在登录用户权限的辖区查询水库空间信息。默认地图区域为宜昌市完整地图，并标识所有水库点，地图左侧区域显示按行政区划及水库类型的水库列表导航。单击列表中的水库，地图窗口区域自动定位到该水库位置，并弹出窗口显示水库名称、所在位置、最新水库监控照片、基本信息(承雨面积、总库容、正常蓄水位、汛限水位、死水位)，以及实时信息(24小时降雨、实时库容、实时库水位、汛限水位、死水位)。点击“更多信息”，系统可跳转到水库信息查看功能[4]。

(2)基本信息。具体包括：①水库介绍。显示水库基本情况介绍，包括水库的全貌照片、水库工程情况等。同时实现编辑、导入等功能；②水库基本信息。以水库注册登记表模板来显示水库基本信息，包括：工程概况、所在地点、所在河流、集水面积、建设情况、加固情况、水文特征、水库特征、主坝、副坝、效益、管理情况、工程观测、运行管理等。同时实现编辑、导入等功能；③监测设备信息。显示水库水雨情监测、大坝安全监测、视频监控、水质监测设备的安装布置情况。同时实现编辑、导入等功能；④除险加固。主要是对规划内病险水库的基础数据、加固进度、投资情况、资金落实情况、设计变更情况、安全鉴定情况进行填报、核查和查询；⑤安全鉴定。主要是显示水库的安全鉴定信息，包括安全鉴定日期、报告内容、安全鉴定结论等。同时实现编辑、导入等功能；⑥调度信息。包括调度规程、防汛调度、防汛抢险、安全管理等信息。同时实现编辑、导入等功能；⑦曲线图。主要是显示水库库容关系、水位泄流关系曲线图。同时实现编辑、导入等功能；⑧图件资料。主要是显示水库平面布置图、大坝横断面图、大坝纵断面图、溢洪道纵断面图、输水管纵断面图等图件。同时实现编辑、导入等功能；⑨照片。主要是显示水库全景照片、关键部位照片等。同时实现编辑、导入等功能。

(3)洪水预报。水库上游无重要的蓄水工程，来水主要考虑上游降雨和水库集雨面积范围内的降雨量，并考虑蒸发及其它影响因子，建立各水库的降雨—径流经验关系模型或单位线汇流模型，对水库来水量进行预测预报；根据水库调洪演算调度规则与入库来水过程，制定水库防洪方案。

水库来水预报的任务是分析研究、掌握运用水文气象的客观规律，预测未来河道或水库径流变化。实际上，待预测的期间来水量成因十分复杂，受天气、气象、自然地理特性和人类活动等因素影响，既有确定性规律，又有随机性和模糊性规律。采用南方地区运用较为成熟的新安江水文模型、降雨—径流经验关系以及单位线汇流等方法进行来水量预测也取得了较好效果。预测效果主要取决于历史资料是否充分。因此，在大量收集分析历史资料的基础上，利用产汇流预报模型计算水库上游来水过程，编制洪水预报方案，最后形成水库防洪调度决策方案。

洪水预报基于实时数据库、历史数据库和模型库，内嵌新安江模型和降雨径流预报模型，其模型参数可以通过人机交互设置，具有分析和处理信息的能力，集专家经验、人工智能和数学模型于一体，既具备信息、数据的通讯与交换功能，又具有优化决策管理的高级功能。

洪水预报还具有整点自动预报、实时预报、假设预报、结果输出、资料检索等功能：①整点自动预报：根据遥测系统测量得到的区域降雨量(时段为1小时)，预报系统不需人工干预，自动作出各个预报断面的洪水预报；②实时预报：根据用户需要和遥测系统测量的区域降雨量(时段为1小时或用户确认的其它时段)作出各个预报断面的洪水预报；③假设预报：用户可以根据气象预报或假设未来的降雨形势，包括总降雨量及其时空分布情况，在当前土壤含水量及其河道底水的条件下，作出各个预报断面的洪水预报，为应急系统提供决策支持；④结果输出：对预报成果进行图形和报表显示，并打印输出，进行统计分析，以及暴雨、径流、洪峰流量的频率估计；⑤资料检索：具有较为完善的实时水雨情信息、天气信息与历史洪水资料检索功能，实现了图形技术和数据的密切结合。

水库来水预测预报模型主要由模型输入数据、模型计算方法、模型输出结果等部分组成。模型输入数据主要包括计算分区划定、计算分区内控制站分布、流域水文数据、区域气象因子以及流域其它因子等；预测预报方法主要包括新安江水文模型及水库入库流量预报模型；模型输出主要为各计算单元、控制站的预报流量过程。其模型参数的设置与获得过如下：

(1)模型参数设置。根据水库需求设置新安江模型初始值、模型参数、各个测点权重系数、日蒸发参数、平均蒸发参数。日蒸发系数和平均蒸发系数的选定是根据水库的具体情况进行选择。水库安排专管人员每天进行蒸发记录录入，即是采用日蒸发参数，否则利用统计计算，得出该流域每月的平均蒸发量，采用对应的平均值参与模型计算[5]。

(2)模型参数获得。具体方式如下：①以年为单位率定：以年为单位率定模型参数。当水库历史洪水记录是历年连续的，且比较完整，则使用当前的预报模型和模型参数，对每年的洪水历史记录进行洪水模拟计算，比较分析当前模型计算结果和历史洪水记录结果，对模型的初始参数和模型参数进行校核率定，使计算结果和历史记录相接近或吻合，从而提高预报精确度；②以洪水场次率定：当水库历史洪水记录不是很完整，则使用当前的预报模型和模型参数，对特定场次的洪水进行模拟计算。比较分析当前模型的计算结果和历史洪水记录结果，对模型的初始参数和模型参数进行校核率定，使计算结果和历史记录相接近或吻合，从而提高预报精确度。