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御洪“利器”——长江防洪预报调度系统的“前世今生”

来源:人民长江报 时间:2019-06-26 作者:朱俊君 贾茜 周明 杨杰 编辑:郑力

5月28日由水利部组织、长江水利委员会承办的长江1998年洪水防洪调度演练,选取预报调度决策较为复杂的洪峰作为主要对象,检验了水文局开发的长江防洪预报调度系统的实战能力。演练取得圆满成功。.jpg

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山东彩票网2019年5月28日,“长江防洪预报调度系统”应用在长江1998年洪水防洪调度推演中

2019年5月,水利部组织开展了长江流域防洪调度演练。本次演练以1998年长江洪水为背景,充分发挥以三峡水库为核心的长江上中游水库群联合防洪作用,采取洪水预报与水库调度运用相结合的手段,实现了全流域预报调度一体化、调度方案实时计算、快速比选、专家讨论、上下沟通、会商决策同步开展。国家防总秘书长、水利部副部长兼应急部副部长叶建春充分肯定了本次演练取得的成效,新华社、文汇报、中国水利网等媒体争相报道,引发热议。

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山东彩票网长江委与三峡集团领导到预报中心考察洪水预报过程

在此次防洪调度演练中,长江委水文局研发的长江防洪预报调度系统因其强大的技术支撑作用而受到广泛关注。轻点鼠标,重要水文节点各种实时、历史信息跃然于屏幕之上;几秒之内完成河系自动演算,提出多种预报调度方案。这套先进的预报调度系统,已然成为洪水防御决策的重要“利器”。

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防汛会商现场

山东彩票网而这“利器”是如何磨砺而成,为确保江河安澜、服务社会经济发展发挥重要作用的呢?本报记者近日深入采访了亲历该系统的开发和使用者,探访长江防洪预报调度系统的“前世今生”。

从零开始的突破之旅

山东彩票网20世纪90年代中期,长江洪水预报系统建设跨出了从无到有的历史性一步,将长江水文真正推入信息化的“怀抱”。

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1998年大洪水期间,长江委水文局组织水情会商

20世纪90年代,长江中下游地区经济蓬勃发展,作为防洪保安重要技术支撑的水文预报,也面临着诸多新的挑战。

山东彩票网“长江中下游防洪主要靠堤防防守,在临界条件下,几公分的水位变化,可能就是分洪和不分洪两个截然不同的结果,因此对水位、流量等水文数据的精度要求非常高。”长江委水文局原局长、曾经担任水文局水文气象预报处处长的王俊在接受记者采访时说,与水文数据高精度要求不相匹配的是,20多年前的长江水文预报技术手段还相对原始。

“1994年,我调入水文气象预报处工作,那个时候信息通讯手段落后,早上8点钟的水文信息,花3个小时时间都不一定能收齐,预报作业能在12点以前完成就很不错了。”回忆起25年前的水文预报条件,王俊感慨万千,“铅笔头、米格纸、大刀尺”仍是预报员的“常规武器”,当时迎战洪水的艰辛程度可想而知。

一方面是精细的工作要求,另一方面是尚不能完全满足要求的手工预报作业。长江水文亟需一把“金刚钻”,更好地挑起预报作业的“大梁”。

山东彩票网外部环境和内在发展的共同压力,使长江委水文局迫切感到需要对水文预报技术手段进行革新。然而,放眼当时行业内外,还没有一个可供借鉴的案例,只能从零起步,摸着石头过河。

山东彩票网“当时在国内开始起步的计算机软件技术,给水文预报工具的革新注入了动力。”王俊介绍,1994年开始,水文局谋划建设第一代洪水预报系统。在借鉴国外先进技术建立水文预报计算模型的同时,水文局在系统设计上开创性地提出了“交互式预报”概念。

“所谓的‘交互式预报’,就是让预报员能够参与计算机模型运算与分析‘全过程’,人机共同完成水文预报。”王俊解释说,“在获得水位、流量、雨量等水文数据后,计算机运用建立的水文模型,可快速运算得到预报结果,但每一场洪水的水文条件各不相同,只通过固定模型运算还不够,结果有可能出现偏差,这时预报员长期积累的预报工作经验便成为校准的有效办法。”

将预报员的经验进行量化、规范化、计算机化,通过两年时间的建设,第一代长江洪水预报系统---“长江专家交互式预报系统”诞生,开辟了专家经验与计算机技术有机结合的可行途径,这也成为之后二十多年洪水预报系统研发的核心理念。同时,在系统开发时制定下来的标准化、规范化、模块化、开放可衔接的设计原则,也为未来二十多年系统开发不断积累奠定了坚实的基础。

“第一代洪水预报系统的诞生,成果是立竿见影的。”王俊介绍,由于繁重的计算任务由计算机分担,预报员之前大量花费在计算上的时间,可以用在思考通过模型计算出的预报结果是否准确,还需要做哪些调整,这些思考往往能让预报结果变得更加精确。

山东彩票网在与1998年那场大洪水的博弈中,也正是这套预报系统在抗洪最关键的时刻,帮助水文专家准确作出了“沙市水位不会超过45.30米;超过45米的持续时间只有22小时;超额洪量只有2亿立方米左右”的预报。科学的分析、准确的报告为中央决策提供了科学依据,避免了荆江分洪区的分洪运用,最大限度地降低了洪灾损失。

一往无前的探索之路

新的技术不断汇入,长江洪水预报系统建设接连开启从有到优的新旅程,系统建设以实用为前提再上新台阶。

2003年6月,三峡工程首次蓄水,开始通航、发电,枢纽初步产生效益。在这“高峡出平湖”伟大构想取得重要阶段性成果的喜人时刻,长江水文预报工作又迎来新的挑战。

山东彩票网“在三峡工程蓄水前,长江干流寸滩到宜昌还是河道,洪水从寸滩传播到达宜昌需要五六十个小时,但三峡工程蓄水后,寸滩到宜昌成为了库区,水文水力学特性发生了较大的改变,洪水演进成为动力波传导,演进时间大大缩短,只需要十多个小时。”王俊说,“这就逼着我们必须进一步改变已有的预报方式,重新换一套思路来做长江洪水预报。相应的,长江洪水预报系统也需要进一步升级。”

值得欣慰的是,1998年大水之后,国家加大支持力度,着力提升防御洪水能力。中日合作“汉江中下游洪水预警系统”、中澳合作“长江防洪与管理系统”和国家防汛指挥系统一期项目相继启动建设。长江委水文局118个中央报汛站在全国率先实现自动报汛,水文基础信息收集效率获得巨大的提升。与此同时,互联网进入高速发展期,新的技术不断涌现,给系统的升级提供了新的开发环境。

从2004年开始,水文局在“长江专家交互式预报系统”的基础上,开始研发基于B/S架构(浏览器/服务器架构)的通用型水文预报平台。“开发过程,也是探索的过程和试错的过程。”长江委水文局局长、时任水文气象预报处处长的程海云说,“我们尝试把当时最新的技术,运用到最合适的地方,期间我们走了不少的弯路,但我们一直没有停下深入研发的脚步。”

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2004年开发的第二代洪水预报系统

系统升级的开发人员是从预报中心各科室骨干中整合的技术人员,“我们是专业的水文预报员,同时也是业余的系统开发员。”参与系统开发的长江水文预报员、现任长江水文情报预报中心(原水文气象预报处)副主任邹冰玉在接受记者采访时说,“为了做好系统开发,参与开发的人员都是在正常预报工作之余,通过自学或邀请专业老师授课来提高开发水平。”

山东彩票网而正是这群“业余的”系统开发员,却最了解水文预报中真正需要的是什么。“因为我们既是开发者,又是使用者,在系统开发过程中,始终把‘好用’放在第一位。”邹冰玉说。

凭借长江水文人特有的韧性和对实际工作需求的透彻理解,新系统的建设首次提出了建立模型库、方法库、平台资源库的新思路。

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系统预报成果分析讨论

“这就是把已建立的各种水文模型和计算方法放在一起,形成一个‘兵器库’,让预报员可以根据需要,随时选取合适的‘兵器’开展预报演算。”邹冰玉向记者解释道,平台资源库可把流域重要节点的各种实时、历史水文资料收纳呈现。“正所谓知己知彼才能百战不殆。”

山东彩票网经过两年的艰苦开发,2006年通用型水文预报平台问世,这是第二代洪水预报系统,也是之后“长江防洪预报调度系统”的雏形。系统在通用化和平台资源积累式发展上取得突破性进展,达到国际领先水平,并首先应用在三峡水库防汛调度中,建立了“三峡水库入库站(寸滩、武隆)流量预报会商系统”,为实现三峡梯调中心与长江委信息交换和资源共享,建设宜昌、武汉、重庆三地四方预报会商等提供了技术平台。

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预报员应用长江洪水预报系统进行预报作业

新系统成功解决了三峡入库洪水的预报难题,借助这套系统,2010年、2012年,长江委水文局提前五天,准确预报出三峡水库最大入库流量70000立方米每秒、71200立方米每秒,通过调度三峡水库拦洪错峰,确保了沙市水位不超过警戒水位,有效减轻了下游的防洪压力,避免了千军万马上堤巡查抢险。

量变到质变的历史跨越

随着流域内控制性水库群的建成,预报与调度愈发不可分割,长江防洪预报调度系统应运而生,翻开了长江洪水预报的新篇章。

时间回到2012年。当时,长江上游一批库容大、调节能力好的综合利用水利枢纽工程相继建成。新建成的工程之间,蓄泄矛盾逐渐凸显。为有效发挥这些控制性水库群的综合效益,长江委将三峡、二滩、紫坪埔、构皮滩、碧口等10座大型水库纳入联合调度范围,这也成为长江流域水库群联合调度的起点。

山东彩票网随着流域内控制性水库群的建成,预报与调度的关系愈加密切。“调度离开了预报,就是无本之木,无法实施。而在水库群体系中,没有各水库调度运行方案作为前置条件,洪水预报也将是茫然的。”长江委水文局副总工程师、曾任水文气象预报处处长周新春解释说,在长江委的统一部署下,长江委水文局革新理念,破除思维定式和工作惯性,积极下好预报调度一体化的“先手棋”。

从2014年开始,长江委水文局依托国家防汛抗旱指挥系统二期工程,集成以往优势资源,倾力打造长江洪水预报系统的升级版---“长江防洪预报调度系统”。“系统汇集了流域30000多个报汛站点信息、各类气象信息和降水模式预报,以及31个干支流预报调度体系849个预报节点(包括447个河系节点和402个子流域)、近百个调度对象,实现信息综合展示、预报演算、交互式调度分析和会商决策支持等功能于一体,真正做到了预报调度分析信息化、实时动态化,所见即所得。最关键的是,系统可以根据实际调度需求,动态构建预报调度体系。”周新春介绍。

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2017年,水文局召开防汛工作紧急会议

新的系统刚刚建成,便接连迎来2016长江中下游型洪水、2017年长江中游型洪水和2018年长江上游型洪水。而实际预报结果,给出了一个令人满意的答案——

“16·7”大洪水中,水文局提前4天就准确预报出干流监利以下全线超警信息;

山东彩票网“17·7”洪水和2017年汉江秋汛中,2天预报期的莲花塘站洪峰水位预报误差为仅0.07米,提前7~10天预报出丹江口水库多场入库洪水量级,汉江中下游主要站洪峰水位预报误差在0.3米以内;

山东彩票网2018年7月的两次编号洪水中,降雨和大幅涨水过程均实现提前7天以上预警,两场入库洪峰有效预见期达3天,洪峰流量预报与实况基本吻合;

……

特别是在应对2017年7月长江中游罕见大洪水时,在“控制城陵矶水位不超过34.4米保证水位”的调度目标下,长江防总在34个小时内,先后发出5道调度令,一步步将三峡出库流量从27300立方米每秒削减到8000立方米每秒,为下游“减负”。

“能在主汛期的7月份将三峡下泄流量降到8000立方米每秒,这是史无前例的,稍有不慎就可能带来严重的后果。”长江委水旱灾害防御局巡视员陈桂亚告诉记者,“兵行险着”的底气,来源于水文局提前一周准确预报出三峡水库入库流量平均在20000立方米每秒左右,明显少于多年来30000立方米每秒的入库流量均值。


山东彩票网“借助于长江防洪预报调度系统这个‘利器’,水文预报专家更‘神’了。”陈桂亚说。言语中透出对长江水文预报员的赞许,也表达出对该应用系统的肯定。

在长江防洪预报调度系统的“辅助”下,水文预报计算的速度、预见期更有保证。正是有了预报员的“细致活”,才有了决策者的“大手笔”,牢牢把握了防洪度汛的主动权,科学调度水库群进行拦洪削峰错峰,有力保障了长江沿岸人民的安居乐业。

走出长江的全新启航

如今,长江防洪预报调度系统已走出长江流域,并在服务“一带一路”、经济社会发展中得到推广运用。进入新时代,长江防洪预报调度系统必将展现新的活力和作为。

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当前的水情预报中心会商室

“我们的系统在设计之初就聚焦‘管用’,紧贴使用者最关心的问题,用个时髦的话,就是‘用户至上’。”程海云在接受采访时说,经过不断更新换代的系统贴近最新技术,把不同功能细化成标准化的模块,让系统拥有了非常高的可塑性,可以实现个性化定制。程海云向记者解释说:“就好像点做一盘菜,我们给顾客一个原料清单,顾客想要做成什么样的,只要在原料清单上勾好相应的原料,我们就将顾客要求的、符合其口味的菜私人定制出来。”

山东彩票网正因为长江防洪水预报调度系统的这些特性,如今系统早已走出长江流域,在广东中小河流预报预警系统等建设中投入运用,并在老挝、巴基斯坦等水利工程建设中得到使用,服务经济社会发展和“一带一路”建设。同时,系统设计理念和相关技术也在向其他流域推广。

“我们正在进入一个技术爆发的新时代,我们必须秉持开放合作态度,使系统不断地得以进化。”长江水文情报预报中心主任闵要武说,往年在模型计算上,因为效率问题不得不放弃精度,而存储空间的限制,使得不能存储精度太高的地理环境信息。如今随着技术的不断进步和硬件环境的不断改善,已经可以使用更精确的运算模型,而不用担心运算时间太长而贻误战机,可以收纳更多的地理环境信息,而不用担心存储空间不足。“这就会使系统运算更加精确,帮助预报员的判断更加趋于科学合理,让预报员能够实现集合预报、风险分析。”

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当前使用长江防洪预报调度系统

“工具再好用,用得好不好,基础数据的经营管理很重要,关键还要看使用的人。”王俊感言,水文预报是一项经验性很强的传统工作,即使拥有先进的工具,对于预报结果的研判,预报员在长期实践中积累起来的宝贵经验在其中仍然起关键作用。1954年的那场大洪水,老一辈的水文人在只有算盘计算的条件下,提前一周精确预报了汉口站最高水位29.73米。这是水文人的骄傲,亦是对水文人的鞭策。

山东彩票网“得益于二十余年接续滚动开发,长江防洪预报调度系统已经成为长江防洪实时调度不可或缺的工具。”长江委副主任金兴平说道,“但围绕长江流域100座水工程联合调度这个大目标,我们仍有大量工作要做。首先是构建长江流域洪水模拟系统,其次是纳入更多综合信息,引入大数据挖掘和机器学习等人工智能新技术,构筑长江流域水工程综合调度的预报调度一体化支撑平台,为防洪调度、水量调度、泥沙调度、水生态调度及应急调度决策提供强有力的抓手。”

山东彩票网在水文预报的战场,永远没有最准确,只有更准确。不管时代如何变化,技术手段如何革新,水文人“团结、求实、奉献、进取”的精神传承不断,对精确预报孜孜以求的初心不改,为防洪决策提供更有力的支撑、为长江两岸百姓的福祉贡献更多的力量的使命和担当始终不变。


责任编辑:郑力
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