第2章 水库水情自动测报系统及其开发
2.1 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。水情自动测报系统采用现代科技对水文信息进行实时遥测、传送和处理，是有效解决江河流域及水库洪水预报、防洪调度及水资源合理利用的先进手段。它综合水文、电子、电信、传感器和计算机等多学科的有关最新成果，用于水文测量和计算，以提高水情测报速度和洪水预报精度。对保护人民生命财产安全，充分发挥水工程效益，保障社会稳定和国民经济可持续发展起着极其重要的作用。
我国是一个多洪水灾害的国家，大小洪水连年不断。1954年长江中下游武汉地区发生的大洪水，1958年黄河下游、1963年和1975年在海河及淮河上游地区相继发生的特大洪水都造成了巨大的损失。1989年辽河大水、1991年华东大水也造成了巨大的自然灾害。1998年长江流域、松花江及嫩江流域发生的特大洪水，造成了历史上罕见的水灾。究其原因，报汛不及时，水情不明是加重灾害的主要原因（1998年特大洪水中，水情测报系统对洪水预报和防洪调度发挥了巨大的作用）。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。
2.1.1 水情自动测报系统国内外研究概况及发展趋势
美国和日本是世界上较早重视水情自动测报技术开发的国家。美国曾提出过采用非工程性的防洪措施作为防汛方针之一的提案，日本的《河川法》也早就强调了非工程性防洪的作用。20世纪70年代后期，他们的水情自动测报技术产品已经逐渐成熟并进入国际市场。
目前我国水情自动测报的测控设备生产已有了比较雄厚的技术基础，形成了一套较完整的能满足需要的设备，也具有打入国际市场的能力，但是在量测传感器的适应性、监测数据传输设备的功能和可靠性等方面的技术上还存在较大的薄弱环节，一定程度上影响和限制了全系统设备的整体功能和水情自动测报系统效益的发挥。
在水情遥测技术方面，早期采用较低无线电频段（30～100MHz）的模拟信号通信方式，其后逐步改用较高频段（100～400MHz）数据通信方式，它们属于VHF/UHF超短波段范围，它具有一定的绕射和抗干扰能力，比较适用于较远距离的山区水情数据传送，对于非近距离的障碍物不会形成严重的通信阻隔；对于阻隔较严重的多山地区，它仍能选择适当的中继站来实现较远距离的山区通信，所以大多数情况下的水情数据传输均可采用超短波通信方式来实现，但当测报范围扩大和测报地区地形极端复杂时，超短波水情数据通信受到局限，作为最理想的偏远地区及大范围多路数据通信方式当属卫星通信方式。随着卫星通信的新发展，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，传输速率为几千比特每秒。
德国各洪水预报中心，通过掌握流域内的水情信息站、全国16个测雨雷达站（雷达覆盖半径为100km）每5～15min进行资料扫描、卫星云图信息等，在此基础上进行洪水作业预报。其洪水预报的结果，通过广播电台、图文电视、电话预报、索取传真和因特网等多种途径向公众发布。
法国江河水情信息的传输以公用电话为主，超短波通讯为辅。预报中心通过雷达和天线的监测，其预报警报成功率达80%以上，误差主要来源于当地产生的云团和区间的降雨。
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。
关于水情参数的测报方法，除常规的布置地面遥测点收集水情信息外，很多国家将雷达测雨技术纳入整个水情测报系统。它能有效地用于大面积测雨，其实时性强，覆盖面大。由雷达测雨系统输出数据经计算机处理，可在地域上和时间上测量降雨的时空分布，并具有一定的数据精度，它与地面遥测雨量数据配合应用能收到更好效果。日本在1986年就已建成具有雷达测雨和地面遥测雨量功能的自动处理系统。美国、英国、加拿大等国也都建有不少雷达测雨系统。此外，我国的一些重要枢纽和防洪任务重的地区，有的已经建立了自己区域内的气象卫星云图接收系统。接收中央气象局及国外一些气象中心发布的气象资料，并把它纳入水情自动测报综合管理范畴。我国气象和航空部门也已采用雷达测雨技术作为气象预报的重要手段之一，预计在不远的将来该技术在水利、水电及农业等部门将有可能得以推广和应用。
2.1.2 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介绍如下：
水情测报系统中一次传感器的开发，价格低廉、使用可靠的数据设备的研究已经成为系统能否真正发挥效益的关键所在。目前，从国内外已经建成的水情自动测报系统来看，一次传感器尤其是水位传感器的使用不稳定，数据采集及传输设备的开发各自为政，没有统一的标准，形成了系统使用过程中，故障率偏高，抗干扰性能及可靠性降低的局面。
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，近年来研制并较多使用的是“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。
由于上述两原因导致我国流域（省、市）区域水文信息管理网络自动化程度不高和软件开发水平不高。成为影响水资源合理调度和利用的“瓶颈与关键技术。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。因此，研究开发水情测报系统中的监测和传输设备已经成为当务之急。
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的技术手段的同时，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、工情等为一体的现代化的庞大系统工程，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。预见期内降雨预报是增长预见期和提高预报精度的关键。在实时预报系统中如何增长预见期，如何进行预见期内的校正将成为这一领域的研究热点。根据近年来我国数值天气预报业务的高速发展，在洪水预报领域内应用气象业务部门的成果——数值天气预报产品，制作满足洪水预报要求的流域定量降雨预报是一条切实可行的途径。在预报模型方面，不要将降水预报与洪水预报人为地分割开，应将两者有机地结合在一起，建立一个实时水文气象耦合预报模型，通过考虑未来降雨量预报以及利用实测降雨量和流量进行实时校正，使洪水预报精度得以提高。
总之，在新形势下，如何有效地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。
2.1.3 洪水预报方法研究现状与发展趋势
2.1.3.1 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。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”，它反应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fp上>；fp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
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。
前期雨量指数（API）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别规律用一条抛物线（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作了大量工作。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
在近代汇流理论研究中，通常采用3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作基础，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。
纳什单位线和谢尔曼单位线一样，把流域概化为线性时不变集总系统，与流域非线性时变分散系统的实质不符，因此需要研究非线性处理方法，以提高其适用精度。国内外在长期的实验研究和生产实践中，都先后发现对各场实测洪水所分析的单位线是不同的，其中主要原因之一是雨强起着重要作用。变雨强单位线法抓住了雨洪计算中降雨强度这个主要影响因子，建立起单位线参数和雨强的关系，从而实现变动单位线的分析。这种线性模式加参数改正的研究途径虽是一种经验性的处理方法，但它却有助于对汇流计算中非线性问题理解和认识的深化。在纳什单位线模式基础上，一种由实测资料推求一次洪水中不同时段净雨强度条件下相应不同单位线的分析方法，获得了天然小流域单位线滞时与净雨强度和单位线峰与量非线性关系的初步成果。
2.1.3.2 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。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作基础，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（Stanford）模型、萨克拉门托（Sacrament）模型、坦克（Tank）模型和新安江模型。
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。
1974年，世界气象组织（WMO）就降雨径流模型在世界范围内做检验对比后得出以下结论：①如果流域位于湿润地区，就不必过于挑选模型，因为在这样的流域，简单模型与复杂模型可以取得同样好的效果；反之，对于干旱与半干旱流域，就需要慎重选择模型；②一般来说，在久旱之中与久旱之后，计算土壤含水量的模型能较好的模拟河流的径流；③类似坦克（Tank）那种不直接计算土壤含水量的模型，对于流域的大小以及气候和地理特征具有更好的适应能力与弹性；④在建立模型时，如果资料不好，隐式计算土壤含水量的模型有可能具有较好地处理这种缺陷的能力，可能给出较好的预报结果。
2.1.3.3 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“3S”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。
2.1.3.4 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的学者莫尔和威斯，他们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。
2.1.4 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，以取得更好地预报成果，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主要内容包括：
（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确定。
（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。