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水文模拟预警新平台

     随着全球气候变暖,全球性的极端气候频发,我国是一个洪、旱灾害频发严重的国家。近年来,突发性气候引起的局部灾害越来越严重。水利对我国的社会经济发展越来越重要,随着水环境的不断变化,水利的研究可细分为几个方面,如水资源、水环境、水资源规划与管理、水文信息采集与应用等。

  构建水文模拟与公共信息资源平台

  最初构建水文模拟与公共信息资源平台,是为河海大学水文学科的老师提供水文数学模型等研究方向提供模拟以及数据存储的服务平台,在水文水资源与水利工程科学国家实验室建设过程中,逐渐发现对于相关不同研究方向用户的共同需求,科学数据的共享的必要性,从而搭建此平台。

  构建水文模拟与公共信息资源平台是与河海大学水文等相关学科的发展紧密联系,并根据相关学科计算及模拟对计算机、数据存储等的要求,设计并建设了本平台。

  平台的软硬件环境

  基础设施是科研信息化的重要基础。结合我校的实际情况,系统地设立了相关项目来推进科研信息化基础设施的建设。例如:计算机网络的全面升级改造,科学数据库的搭建,超级计算环境的更新和完善等。

  目前水文模拟与公共信息资源平台的组成是大型计算服务器sgi350、330,hp工作站、扫描仪、IBM服务器等,安装有有MYSQL数据库,JAVA1.4、TOMCAT5.0、MYECLIPES、JBOSS、SYBASE数据库,地理信息系统软件Mapinfo、Arcview、ArcGis,遥感软件ERDAS等相关软件。

  计算服务器、工作站等主要用于各研究方向的模型计算,扫描仪主要用于地图、图像的扫描,以便用于地图数字化;IBM服务器主要用于信息的存储以及共享。

  资源建设工作

  依靠水文模拟与公共信息资源平台开展的科研信息化工作:(1)数字模拟与仿真计算,包括大尺度流域水文模拟与实时仿真计算、大尺度气候模型与小尺度水文模型耦合计算、水利数据挖掘;(2)信息资源整合与共享,如提供数据共享空间,为各项研究提供信息共享与集成服务,为科研工作者提供近60年的全国地面气象日值数据、气象辐射日值数据,近50年全国暴雨洪涝灾害、干旱灾害、热带气旋灾害数据集,水文地质图、TM影像数据资料等。(3)水源地水量、水质遥测遥控与预警模拟仿真,可开展多主体建模、仿真实验、系统开发研究工作,多源水量水质监测预警信息综合分析,根据不同评价方法对有效水量、水质进行比较分析,可视化方式进行水源地水量水质预警处理及仿真等研究工作。(4)水动力学及环境水力学数值模拟仿真,如进行湖、海、河口的水动力、泥沙和环境问题模拟仿真计算研究。 

利用平台开展基础研究

  水文模拟与公共信息资源平台为多项科研项目提供数据模拟计算、气象资料等,并利用多项计算机技术开展水文研究工作,取得大量科研成果。研究工作有两大方面:

  1.水文模型与洪水预报

  发展了蓄满产流理论和新安江流域水文模型,在水文学界享有盛誉。研究了误差实时校正技术,大大地提高了水位预报的精度。研制的实时洪水预报系统,以其精度高,适用范围广,在国内得到广泛应用。

  开展了水文不确定性理论、最大可能暴雨、最大可能洪水及古洪水研究,相关研究成果被水文计算规范和设计洪水规范所采用。在随机水文、水利风险分析等方面开展了深入研究。

  利用数字化手段深入研究了流域产汇流基本规律,研究了实时洪水预报调度系统,成果已被国家防总、三峡总公司、太湖流域和全国150余座大中型水库采用,获国家科技进步二等奖3项,省部级科技进步一、二、三等奖共5项。

  2.大型数据库与信息系统

  该方向研究数据库设计、信息采集、信息融合、图象处理、智能数据处理、决策支持系统等方面的理论、方法和技术。以水利领域综合应用为需求,在信息融合、图像处理、智能数据处理、决策支持系统等应用方面特色显著,多项研究成果处于国内领先水平,并得到了广泛应用,取得了重大的社会效益和经济效益。

  已获得国家自然科学基金“基于3S的水环境监测信息融合与仿真研究(60374033)”、水利部“948”计划项目“大范围旱情实施(遥感)监测”、水利部重点项目“南水北调东线水资源实时监控系统”、“计算智能与图象信息处理及其应用系统”、“全国大型灌区管理信息系统”、“三维堤防仿真管理信息系统”、“江苏省水利基础数据库总体设计”等项目资助,“综合监视监控技术与系统集成研究及其应用”、“SCIEN-2000型河工程闸、水库多媒体综合自动化系统”等10余个项目获省部级科技进步奖。

  河海大学在这些方面培养了大批学生,向社会输送了大批人才,目前每年在这些方向上向社会输送博士10余名、硕士60余名。

  依靠水文模拟与公共信息资源平台,河海大学在应用系统集成与信息共享、实时洪水预报调度理论与方法、大型数据库与信息系统等方向进行了深入研究,取得了一些重大突破,多项科研成果达到国内国际先进水平,主要有:

  (1)创建了数字流域平台上的栅格型分布式新安江水文等模型,表征流域下垫面空间变异,实现水文过程的参数化分析、空间解集与聚集、无资料地区水文模拟,以及与区域气候模式尺度的匹配,定量评估气候变化和人类活动作用下的水文响应。

  (2)研究流域各水文过程的运动规律,探讨不同时空尺度下的耦合机理,建立了分布式多元耦合水文模型系统(HMS),并发展了完整的自动率定方法。在水动力联解、模型耦合技术及尺度转换等方面均有创新性成果。

  (3)研究饱和-非饱和带相互作用机理和时空变换规律,揭示了陆面植被对土壤水时空变化的影响机制,建立了考虑地下水作用的土壤及植被蒸散发模式。在陆气耦合及各水文过程非线性响应等方面取得了创新成果。

  (4)研究各水文过程在陆气耦合中的作用,建立雨量解集模式,发展大尺度网格中小尺度水文过程参数化理论,创建了中尺度大气-水文耦合模型系统。在大气动力过程与陆面水文过程耦合机理和气候变化研究方面都取得了突出的成绩。

  (5)揭示流量过程的非线性强度与时间尺度之间的关系,建立了流域水文非线性特征及信息缺失导致的洪水预报误差分析方法,融合多源信息,提出了基于双向信息流的模型耦合与误差修正方法,进一步提高了实时洪水预报的精度。

  (6)从流域产汇流机理出发,发展了多源数据的同化理论,提高了雨量数据精度及实时水文模拟精度和可靠性,为防洪减灾奠定了理论基础。

  (7)突破了以陆面过程为主的传统水文研究方法,创建了水文循环大气—陆面过程全要素耦合模拟的实时洪水预报理论方法与技术体系,攻克了洪水预报预见期短的难题。

  (8)引入大气水及天气系统信号场分析技术,系统描述了水汽异常与区域暴雨洪水形成关系,提出了流域致洪暴雨天气系统判别指标,定量阐明了流域暴雨洪水形成的大气水与天气系统背景,为制定大气模式与陆面水文模型尺度转换方案提供了依据。

  (9)将中尺度数值天气预报模式(MC2)嵌套进全球数值天气预报模式,对大尺度的预报结果进行动力降尺度,获得流域尺度的降雨预报。基于多模式预报信息,构建统计集成模型,进一步提高预报的精度和稳定性,最终建立了动力和统计相结合的降尺度方法。

  (10)解决了因气候水文地形复杂、湖库闸坝群对水流运动高密度阻滞、众多行蓄洪区频繁启用等给洪水预报带来的难题,建立了淮河、黄河等流域的洪水集成预报体系。

  (11)首次建立了淮河等流域多防洪构件耦合的洪水模拟和多功能防洪决策支持平台,解决了水库、闸坝群,多行蓄洪区,多分洪河道和湖泊洼地等六位一体的流域洪水联合调控和模拟问题,有效提高了防洪决策科学水平。

  成果受到国际著名水文学及水文气象学家的高度评价,认为在集总式概念性新安江模型基础上发展的分布式模型,结构简单适用;在水文模型中考虑地表水与地下水连接,在地下水过量开采的平原区具有重要学术价值;与全球代表性水文模型比较,改进的大尺度水文模型用于气候变化情景下水文水资源响应评估精度最高。在多尺度陆气耦合机理和物理过程的时空变异性、非线性关系及尺度理论等方面的研究都具有重大的科学价值,为变化环境下水文水资源研究提供了更科学的方法。多项研究成果被国内外相关领域科学家所采用。

 

平台在科研实践中的应用

  河流防汛防旱指挥系统简介

  本系统的原型建设是以工险情图像视频信息的实时采集为基础,以3G通信与网络技术为依托,以服务器平台为核心,以满足防汛指挥可视化会商系统需求为主线,构造水利信息化综合体系,提高防汛防旱业务的效率和效能,形成可持续改进的防汛指挥可视化会商系统。

  系统的实现技术架构,主要基于J2EE分布式软件技术架构。

  本系统采用基于SOA的分布式应用框架和B/S结构,系统从服务器到客户端分为数据库层、数据操作及事务管理层、中间件层、Web组件层、浏览器。中间件层又分为实体层和会话层(图1)。

  河流防汛防旱指挥系统信息服务主要用于防汛信息查询以及防汛信息后台管理,包括对水雨情信息、防汛物资、防汛文档、防汛应急通讯的管理,为防汛决策的实施提供支持。信息服务主要包括以下几大功能模块:气象信息模块、雨情信息功能模块、水情信息功能模块、工情信息功能模块、防汛物资功能模块、防汛文档功能模块、防汛应急通讯功能模块。

  平台在科研实践中的收获和不足

  科研信息化工作对水文模型模拟及自然灾害预警起到了较大的推动作用,在此条件下,能够较容易在更短时间内运行大型模型及软件,信息共享实现了平台数据的最大化利用,也更加有利于学校相关学科老师及学生的学术交流。

  但目前在平台使用中,还存在一些问题,对于水文模拟与公共信息资源平台,今后还将随着水利工程等相关学科的发展、数据计算及处理对计算机硬件和软件的要求不断提高,需要对平台设备的不断更新。目前正在将国家重点实验室野外试验基地站点的气象资料、涡度相关系统资料等通过网络传输至平台存储系统,并实现对野外试验站点可视化,增加对于野外实时视频数据的收集和积累。

  科研信息化在水利科学研究中具有很强的结合点,水利科学本身就是一个具有高数据量的研究工作领域。在研究中搭建一种开放的数据库平台,正是此平台的主要目的之一。这种开放式的科学研究是在相应的基础设施支持下进行的,使得科学研究基础数据和科研成果的共享得到极大的提高。这种共享包括了信息化环境中的各种资源,既包括有高性能计算机,还包括海量的实验数据。此外还有科学仪器本身,这是一种协同式的科学研究模式,在科研信息化的环境中,使得研究人员之间开展协同工作成为可能,不同领域的专家共同解决一些复杂科学问题,起到真正高效率地进行科研工作。

  (作者单位为河海大学)