摘 要: 极端暴雨天气引发的城市积水是世界性难题。Delft-FEWS 模型自 2002 年问世后，
已被全球 40 多个地区选作洪水预报系统，英国环境署建立了以 Delft-FEWS 为核心的河流与海洋的洪水预报系统，整合了国内原有的 8 个洪水预报系统，涉及 20 个不同水文水力预报方法的集成及 2 000 多个地区的实时预报。对 Delft-FEWS 在英国环境署的国家排水防汛系统中的应用进行了介绍，以期为构建中国城市排水防汛实时预报与决策支持系统提供有益参考。
关键词: 排水实时在线模型; Delft-FEWS 模型; 英国环境署的国家排水防汛系统; 防讯
安全
中图分类号: TU992 文献标识码: C 文章编号: 1000 －4602( 2014) 21 －0147 －04
Application of Delft-FEWS Model in National Flood Forecasting System of Environment Agency for England and Wales
AO Jing， ZHANG Wei-jun
( Ewaters Environmental Science and Technology ＜ Shanghai ＞ Co． Ltd．，Shanghai 200040，China)
Abstract: Urban flooding caused by extremely heavy rains is a main concern across the world． Since 2002，the Delft-FEWS model has been applied in the flood forecasting systems in over forty regions in the world． The National Flood Forecasting System using the Delft-FEWS model for the complete fluvial and coastal flood forecasting was built by the Environment Agency for England and Wales． This system integrated 8 different systems，20 different hydrologic and hydraulic forecasting methods and 2 000 forecasting locations． The application of Delft-FEWS model in the National Flood Forecasting System was introduced to provide a valuable reference for developing real-time flood forecasting and decision support systems in Chinese cities．

Key words: real-time drainage model; Delft-FEWS model; National Flood Forecasting System of Environment Agency for England and Wales; flood control safety

近几年，极端暴雨天气引发的城市水患频频发生，引发了对城市防汛安全的多方面关注与讨论。
排水防汛预警预报是减缓洪水灾害的有效非工程措施之一，其核心是在线模拟调度技术、智能建模技术及信息集成技术在排水运行调度管理中的综合应用。国外在线模拟系统的发展大致分为 3 个阶段:
①在线监测信息的完善; ②离线模型的成熟; ③在线信息与广义模型内嵌组成的在线平台。由于城市排水防汛实时预警技术对数据精度、响应速度要求高，近几年随着雷达预报技术、模拟引擎和集成技术的发展，才真正意义地开始在线实际应用，可实现预案效果测试、风险预报、泵闸等设施的辅助调度。
英国环境署于 2006 年建立了以 Delft-FEWS 为核心的洪水预报系统，主服务器放在控制中心负责洪水预报的数值计算，分布在各地的客户系统通过专门的网络连接到环境署的主服务器上，在主系统上计算完毕后再返回各个客户端，该案例集成了排水防汛实时模型领域的主要前沿技术。

1.英国环境署的国家防汛系统
1996 年，英国环境署开始启动建立英格兰和威尔士的洪水预报和预警服务。国家洪水预报系统 ( NFFS) 是英国环境署的国家防汛系统，主要对河流、海岸的洪水进行预报，此系统由 Deltares( 前身为 Delft Hydraulics) 和 Tessella 软件公司于 2006 年联合开发完成。在此系统建立之前，没有任何一个组织法定责任提供洪水预报信息［1］。如今该系统在英国环境署管辖的地区作为主要的洪水预报系统，得以全面的应用。
1. 1 系统结构国家防汛系统结构如图1 所示。

图 1 英国环境署的国家防汛系统结构
Fig． 1 Structure of National Flood Forecasting Systems of England and Wales
国家防汛系统的核心是 Delft-FEWS 洪水预报系统，该系统覆盖英格兰和威尔士的 8 个区域，每个区域 原 本 均 有 各 自 的 预 报 模 型: North East 和 Thames Barrier 两区域的预报模型均由生态水文中心研发，但两者的水文模块不同; North West 和 South West 两区域的预报模型均由索尔福德大学研发，主要通过雷达信息繁衍降雨的相关预测方法［2］; Midlands 区域的预报模型由 Severn-Trent 水管理研发; Anglian 区域采用 Anglian 流量预测和模拟系统［3］; Wales 和 Southern 区域均采用大量的临近预报工具，包括外推技术、相关关系、单位线方法等［1］。Delft-FEWS 有着开放的软件结构，不断用最新的软件标准去更新当地的系统，同时该系统的接口可以整合其他洪水预报模型，所有采取同样接口的模型都可以被便捷地接入系统。
国家防汛系统采用主从式的架构: 主要的服务器在控制中心，设在 North East 区域，专门负责洪水预报的数值计算，同时在 Anglian 区域建立备用服务区，平时备份所有的传输数据，有需要的时候随时可以启动代替主服务进行洪水预报; 分布在各地的客户系统通过专门的网络连接到环境署的主系统上，在主系统上计算完毕后，将结果返回各个客户端。主从式架构要求软件系统必须有较强的弹性，预报过程中，即使外部数据源出现不完整、不连续的现象，也不能扰乱或中断预报程序; 中心系统将被建立在两个地区，备用中心系统可以随时在需要的时候使用。
1. 2 系统的配置与接口
在系统的研发过程中，每隔两个月都会与当地专家沟通，以实现系统的配置符合当地实际预报要求。每个地区的预报都集成了一系列的水文、水动力学模块，这些模块的接口都可以与中心系统相连接，这些模块的接口由 Halcrow、Wallingford 和 DHI 共同编写完成。国家防汛系统的外部模型统计如表1［1］所示。

表 1 国家防汛系统的外部接口模型统计
Tab． 1 External interface model of National Flood Forecasting

区域	Hydrological and snowmelt	Ｒouting reaches	Transfer function	Hydrodynamic Ｒeaches	Coastal
North East	190( 190)	98( 95)	—	7( 2)	1( 0)
North West	2( 0)	—	10( 10)	15( 1)	1( 1)
Midlands	115( 115)	98( 98)	—	4( 0)	—
Anglian	110( 17)	—	—	24( 17)	—
Wales	93( 0)	2( 0)	—	6( 0)	2( 2)
Thames Barrier	73( 73)	—	—	6( 2)	1( 1)
South West	—	2( 2)	161( 161)	16( 0)	1( 1)
Southern	125( 0)	1( 0)	10( 10)	27( 0)	1( 0)
注:    括号内是现已开发出的模型接口，“—”表示无该模块。

1. 3 系统预报结果
系统提供多种形式的预测结果，可以直接在地理平面图上呈现出有危险的区位点，也可通过不同预测降雨结果模拟河流的水位过程［1］。

2 Delft-FEWS 预测预警系统
在许多国家，作为区域和国家洪水警报策略的重要因素，洪水预报预警系统( Delft-FEWS) 的开发具有非常高的优先权。早在很多年前，Deltares 就已经在世界范围内开始开发此类系统。在早期阶段，预报预警系统一般是在水文学模型和水力学模型之中的一个单一的特定用户界面。近年来，随着天气预报、雷达数据和在线气象及水文数据的采集等方面的发展，对 Delft-FEWS 在数据输入和处理方面有着越来越高的要求。连同数据库开发的进程，水文、水力学模型的开发和在线数据的利用，使现代化的 Delft-FEWS 系统开发在大型综合数据集、数据处理模块、与不同既存模型的结合嵌入等方面极具挑
战［4，5］。
Delft-FEWS 系统是为有特殊要求的个体用户量身定做的成熟的模块集合。一个开放式的模型方法允许用户高效地添加自己的模块，Delft-FEWS 系统是在 Java 环境里开发的。
2. 1 FEWS 的系统模块
Delft-FEWS 系统依照模块化和逻辑化的方法来进行信息输入、处理、分析和报告，其模型库结构如图 2 所示。

图 2 Delft-FEWS 模型库结构
Fig． 2 Model base structure of Delft-FEWS

导入模块用来读取来自外部数据库的在线气象和水文数据等，导入的数据在进入到预报模块之前必须进行有效性检验。当数据质量没有达到预设标准时，系统会警告用户注意导入数据的异常。DelftFEWS 系统包含了功能非常强大的插值模块，此模块可以处理时间和空间序列的插补，它被用来填充观测的空缺数据，计算气象变量的空间分布数据，如基于站点的降雨量和温度信息等。
在 Delft-FEWS 系统的构架中，如何实现高效地链接既存模型是开发者考虑的重点。为此，DelftFEWS 系统应用了称之为模型外壳的结构，其从 FEWS 数据库读取数据并将其转化为模型可用的输入文件，还可以将模型的输出文件转换格式后存入
FEWS 的数据库，如图 3 所示。

图 3 模型外壳的主要工作
Fig． 3 Main work of shell models

报告模块可以从 FEWS 系统里生成预报结果的分析报告等，尽管有标准的输出内容和格式，但是该模块可以很便捷地根据用户的要求量身定做。当需要时，生成的报告还可以自动发送给所有决策参与者。

2. 2 系统的优点
FEWS 系统可以提供河流流域、入海口、海岸区域的当前水系统状态信息，并在一定精度段内预测特定点在固定时间范围内的洪水流量、水位。DelftFEWS 最大的特色是其结构中的通用适配器和模型适配器，通用适配器由 Delft-FEWS 提供，功能主要是: ①把模型所需数据，如时间序列、模型参数、状态等，从 FEWS 数据库中调出，并转换为 PI-XML 文件格式; ②将模型结果转换成 PI-XML 文件格式，并保存到 FEWS 数据库。通用适配器使用的 PI-Interface ( Plant Information System) 接口实现了外部数据与内部数据库实时、稳定、高速的连接。采用 PI 技术的好处是采集效率高、读取速度快，数据吞吐量为 4 × 106 个/s，存储能力为( 10 ～ 15) × 104 个事件/s，数据访问能力为 1 ×106 个事件/s，秒级时间内可以取到 1 000 个点的 2 ～3 年的历史数据。

模型适配器的主要功能是将通用适配器产生的 PI-XML 文件转换成模型可读的文件格式，驱动模型，以及将模型结果转换为 PI-XML 文件。它可以用不同的编程语言编写，如 Java、C#、VB 等; 它保证了 FEWS 平台能够便捷地将各种水文、水动力学、地下水模型集成到一起。Deltares 已经开发完成了大约 60 多个模型的适配器( 包括 HSPF、SSAＲＲ、EFDC 等) ，极大地方便了用户的使用。通用适配器和模型适配器在 FEWS 中的工作过程如图 4 所示。

图 4 通用适配器和模型适配器
Fig． 4 Universal adapter and model adapter
在 Delft-FEWS 系统中，用户按步骤要求做相关预报; 数据整合、验证和传输等繁冗的任务，用户可根据自定义的等级标准来自动执行; 当监测到不规范、缺失或不明确数据时，FEWS 系统会发出警示。数据整合是 FEWS 系统的一重要任务，系统不但支持超过 175 种输入的文件格式，而且能够输出的文件格式多达 60 多种，对不同数据源的数据格式，如水文测流和自动天气数据、实时定量雷达数据、气象预报、局部排放预测、水文水力学模型结果等，系统提供了一个灵活、清晰和开放式的结构。Delft-FEWS 数据处理流程如图 5 所示。

图 5 Delft-FEWS 数据处理流程
Fig． 5 Data processing process of Delft-FEWS
3 结论与建议
Deltares 开发的 Delft-FEWS 系统，除了在英国环境署的国家防汛系统案例中得到了成功应用，也被全球40多个地区选作洪水预报系统。英国环境署的国家防汛系统案例在系统的定位、架构、功能设置、应用等方面均有较好的借鉴作用，将各地分散的预警系统很好地整合到国家级平台的排水防洪系统中，在大数据的环境下，使得在原来依靠经验为主的粗放型排水管理模式转变为基于实时数据、科学计算的精细化管理模式，为提高管理人员技术素质和决策水平提供了技术支撑，为提供优质高效的排水服务、保障城市防汛安全创造了有利条件。
参考文献:
［1］ Werner M，Cranston M，Harrison T，et al． Ｒecent developments in operational flood forecasting in England，Wales and Scotland［J］． Meteorol Appl，2009，16( 1) : 13 －22．
［2］ Cluckie I D，Han D． Fluvial flood forecasting［J］． Water Environ J，2000，14( 4) : 270 －276．
［3］ Begum S，Stive M J F，Hall J W． Flood Ｒisk Management in Europe: Innovation in Policy and Practice［M］． New
York: Springer，2007．
［4］ Weerts A H，Schellekens J，Weiland F S． Ｒeal-time geospatial data handling and forecasting: examples from DelftFEWS forecasting platform/system［J］． IEEE J-STAＲS，
2010，3( 3) : 386 －394．
［5］ Werner M，Schellekens J，Gijsbers P，et al． The DelftFEWS flow forecasting system［J］． Environ Modell Softw，
2013，40: 65 －77．