洪水预报系统是各项洪水预报技术的集成，是一项重要的防洪减灾的非工程处理技术。在洪水到达之前，利用卫星、雷达和电子计算机，把遥测收集到的水文气象数据，通过无线电系统传输，进行综合处理，准确作出洪峰、洪量、洪水位、流速、洪水到达时间、洪水历时等洪水特征值的预报，密切配合防洪工程，进行洪水调度。

洪水预报系统一般包括：①信息采集系统：下垫面信息、多普勒雷达信息、降雨信息、河道实时水情信息等的采集；②数据库：建立上述信息管理的数据库；③预报模型：开发适应流域各水系现状特性的水文、水力学预报模型。一般来说，洪水预报精度愈高，预见期愈长，减少洪水灾害损失的作用就愈大，更能充分地发挥水利工程的减灾效益。

洪水预报系统的发展已经历了三个阶段：第一阶段是联机预报作业阶段，其主要特点是集水情信息采集、传输、处理和洪水预报计算为一体，以便快速完成洪水预报作业；第二阶段是实时预报校正阶段，在洪水预报系统中引入现代控制理论，实现实时信息和预报结果的实时校正；第三阶段是交互式洪水预报阶段，利用图形交互处理技术对洪水预报中间环节进行人工干预，充分利用专家、预报员的知识和经验，有效地提高洪水预报水平。目前，发达国家大多均已进入第三阶段，技术日臻成熟，而我国的洪水预报系统在设计上已开始取向第三阶段，但应用领域还集中在第二阶段，与发达国家相比，还存在一定的距离。

在国外，最早将水情信息处理与洪水预报计算机制作直接联为一体的系统是从研制水文自动遥测洪水预报系统开始的。1958年日本富士通株式会社研制的水文自动测报系统运行成功；1966年美国天气局在波托马克河流域、1970年法国在多尔顿流域、1972年英国在迪河流域、1974年日本在淀川流域、1975年澳大利亚在墨尔本市郊、1976年意大利在欧姆布隆河流域开始有水文自动遥测系统投入实际运行，并先后具有自动化洪水预报、自动警报功能。这一类系统的共同特点是使用遥测水文信息（雨量、水位），直接实现联机洪水预报作业，它们属于第一代洪水预报系统。

20世纪80年代以后，由于控制理论的实时预报技术大量引入到洪水预报中来，实现自动的实时校正，以解决单纯用数学模型计算以致在许多时候与实际出入过大的问题。这种系统称为“联机实时预报系统”，从预报技术的角度看，比第一代系统有了实质的进步，属于第二代的洪水预报系统。1989年，美国天气局在河流预报系统（NWSRFS）第5版上安装了交互式预报程序，揭开了第三代洪水预报系统研制的序幕。

我国洪水预报系统的应用较晚。1983年以后，为了加快洪水预报系统的应用进程，开始引进国外技术设备。最早的一批系统有：黄河三门峡——花园口区间遥测系统、长江螺山汉口区间的陆水流域遥测系统，这两个系统均由美国天气局做中介，招标购置了美国SM公司的全套商售系统，系统于1985年建成并投入运行。该系统预报部分是通用的萨克拉门托模型的作业预报运行软件。中国水利水电科学研究院张恭萧等在借鉴引进的系统的基础上，在微机DOS系统上开发了一套从遥测数据处理到洪水预报、实时校正及水库防洪调度的功能较完备的遥测预报系统，配合国产遥测硬件设备研制的进展，使遥测预报系统在我国迅速推广，迄今国内引进与自产的此类系统总数已近200个。

2001年由水利部水文局主持开发的中国洪水预报系统（NFFS），结合国家防汛指挥系统工程的设计要求，结合全国的实际情况，基于全国统一的实时水情数据库和客户/服务器环境基础上，采用规范、标准、先进的软硬件环境及模块化、开放性结构，具有可任意选择的常用预报模型和方法库，能方便地加入新的预报模型，快速地构造多种类的预报方案，具有人工试错和自动优选相结合的模型率定系统，具有可用图形和表格方式干预任何过程的实时交互预报系统，具有通用的数据预处理模块和常用的实用模块，具有完整的预报系统管理功能，建成具有通用性强、功能全面、操作简便的全国实时洪水预报业务系统。

中国洪水预报系统是目前我国在总结多年系统开发经验的基础上，并引进国外先进洪水预报系统的先进技术，属于新一代通用型现代洪水预报系统。

以下将从系统的软硬件环境、预报模型和方法、预报方案、模型率定、实时作业预报、人工交互、实用模块、系统管理等体系结构进行简要介绍。

1.系统的运行环境

中国洪水预报系统软硬件环境是基于微机硬件平台、Windows 98以上操作系统和统一的实时水情数据库基础上，实现客户/服务器环境（Client/Server），在客户端为一套通用的、固定的中国洪水预报系统软件，在服务器端为以特定流域或行政区划为单位而构建的预报系统中所有的预报方案、预报站点等信息，用户可用该系统软件针对不同的预报对象构建各自的业务预报系统，同时用户可在任何一台联网的微机上操作洪水预报，如图4-1所示。

图4-1　系统客户/服务器网络环境图

服务器端逻辑上有3个数据库，即DIBS、DFBS和MAPS，物理上可构建在一台服务器端的IDBS为实时水情数据库。此数据库采用《实时雨水情数据库表结构与标识符标准》（SL 323—2005）的数据库表结构。FDBS为预报专用数据库。通过归纳、整理洪水预报中各种动态信息，以关系数据库形式，建立有45个表结构的预报专用数据库，用于存储模型信息、方案信息、站点信息、图层信息、预报信息、历史水文气象资料等。MAPS为MAPINFO文件形式的电子图层文件数据库。包括水文站点、预报方案区域输入边界和雨量站控制泰森多边形边界3种类图层，这3种类图层在系统应用中需要进行编辑、修改操作。采用文件系统，只允许唯一用户对其进行编辑、修改操作，不允许多用户同时对其进行编辑、修改操作。

客户端为一套通用的、固定的中国洪水预报系统（NFFS），客户端NFFS的文件目录结构如图4-2所示。系统根目录中为系统主软件和系统配置文件，其子目录MODEL中为各种32位动态库形式的水文预报模型和方法库，子目录MAP中为MAPINFO形式的水系、行政区划、七大流域边界图层，子目录TEMP中为系统运行过程中的中间文件。

系统采用MAPX桌面地图软件，具有强大的空间表现能力，以电子地图方式管理和显示水系、地形、流域边界、站点分布、行政区划等，可按流域或行政区划集成所有预报方案，具有基于电子地图上实现实时雨水情信息、预报信息、站点信息多途径、多方式查询功能。

2.预报模型和方法

中国洪水预报系统（NFFS）采用完全模块化结构，实现了预报模块与系统完全独立，规范化和标准化了预报模型的输入输出文件格式，建立了常用的预报模型和方法库，可方便地增加新的预报模型和方法，可任意选择和组合模型构建预报方案。

图4-2　模型库数据接口定义示意图

常用预报模型和方法按其模拟对象可分为6类：降雨径流产汇流模型（INTEGRAT10N）、流域产流模型（BN_COLLECT）、流域汇流模型（RN_PRODNUCD）、河道汇流模型（CH_COLLET）、水力学模型和分布式模型（HYDR0_DISTRIBUTE）、特定断面经验模型（EXPERNCE），各模型编译成32位、一个参变量、具有相同名称的动态链接库和外部函数，其名称代码以最多取15位英文字母和阿拉伯数字表示，经验模型软件名称代码采用7位字母，其方式为：P＋预报站号＋模型序号。(www.daowen.com)

分析归纳常用预报模型的输入和输出文件种类，共有9种，即模型参数文、模型起始状态文件、等时段水位流量输入文件、实测水位流量输入文件、等时段点雨量输入文件、等时段面雨量输入文件、等时段净雨深输出（输入）文件、模型终止状态文件、等时段水位流量输出文件。这9个数据文件名称按固定顺序存于一控制文件中，该文件名为模型构件的接口参数，以实现系统与模型构件之间的信息交换。预报模型构件依据其不同模型类型在相应顺序中存取相应的输入和输出信息，成为可通用的标准预报模型构件。此控制文件格式成为模型构件的用数据接口定义，如图4-2所示。

目前，系统已对三水源蓄满产流模型（SMS-3）、三水源滞后演算汇流（LAG-3）、马斯京根河道分段连续演算法（MSK）、降雨径流相关图法（P-RZHJR）经验流域汇流单位线（UH-B）5个模型进行了输入输出标准化改造，形成了模型库。

3.系统的构成及主要功能介绍

中国洪水预报系统（NFFS）由水情及地理信息查询子系统、模型率定子系统、实时作业预报子系统和系统管理4部分模块构成，下面就各模块的基本构成和主要功能进行概述，详细资料请参考相关书籍，此处不作详述。

（1）水情查询及地理信息子系统。

1）水情信息查询功能：包括历史水情信息、实时水情信息，按照预报库中各站点的编号可显示单站的编号可显示单站或者多站的实时水情信息及预报库中的历史水情信息。包括流量、水位、雨量等基本水文要素的查询。还可以根据站点类型查询不同的特征值。目前系统中站点类型包括，水文站、水位站、雨量站、水库站、闸坝站和潮位站。

2）地理信息查询：系统采用MAPX桌面地图软件，具有强大的空间表现能力，以电子地图方式管理和显示水系、地形、流域边界、站点分布、行政区划等，具有基本的地理信息查询功能。可以对地图执行放大、缩小、漫游、全图显示及三维图形显示等操作，而且可以对系统内集成的任意图层进行图层控制，进行点、线、面的操作。

（2）模型率定子系统。模型率定子系统是中国洪水预报系统的重要组成部分，它包括预报方案构建、历史资料处理、模型参数率定等功能。预报方案构建功能可通过为机界面构建相关图预报方案、水文模型预报方案，通过人机界面输入、定制预报方案的各要素值。历史资料处理功能用于输入、转录、检查、修改用于制作洪水预报方案的历史水文资料。模型参数率定功能可通过人工试错和自动优选相耦合的率定子系统，对任何预报模型单值参数进行参数率定，以完成系统建模工作。

1）构造方案：包括定义方案、圈划流域、确定方案模型、雨量站控制权重等功能。①定义方案：根据用户对不同对象制定不同方案的需要以及预报方法目的不同，系统提供了4种预报方案类型。包括相关图预报方案、水文模型预报方案、水力学预报方案和径流预测预报方案。②圈划流域：为显示水文模型预报方案中区域输入的地理范围以及计算雨量站的控制面积，需定义区域输入边界，可通过两种方式：有流域边界的电子图层，可以通过系统的显示位图功能叠加到图面上，沿其边界勾画出来；根据水系和三维地形，勾画出区域边界。③确定方案模型：即为水文模型预报方案的每一个输入定义所采用的模型方法、模型参数、模型状态。④雨量站权重控制：对于有区域输入的预报方案，可设置区域内雨量站的控制权重。主要有3种方法，泰森多边形法、算术平均法和自定义。

2）历史资料处理：该功能主要用于录入、转存、检查、修改用于模型参数率定历史水文资料，可通过界面输入或数据转换完成历史水文资料入库，可处理6类数据：洪水摘录、日均水位流量、降水摘录、日降水量、日蒸发量、水库摘录。各类数据均为原始数据。

3）率定计算：对于采用可率定模型构建的洪水预报方案，可采用人工试错和自动优选相耦合方法对模型中单值参数进行参数率定，以最终建立洪水预报方案。

4）实时作业预报子系统：实时作业预报是基于建立的洪水预报方案，根据最新实时雨水情，对未来一段时间内的洪水过程做出预测预报。其主要功能包括：选择预报站点、单站预报、河系预报、预报成果优选、等雨量线、区域管理、预报结构图等。系统的作业预报模块具有实时校正功能和强大的人工交互功能。实时校正功能在对所有信息进行人工检查、分析后，最后可选择采用实时校正功能，依据预报时间前的预报工作和实测过程的误差系列，对预报时间后的预报过程进行实时校正。人工交互功能是依据有经验的预报员的分析、确定预报的思路来建立对预报结果进行交互分析的基本模式，在实际使用中需要有经验的预报员的临场思考和判断，也就是说，它不是“自动地”完成预报地分析，而只是预报员使用的一个工具，最终预报的确认和发布完全由预报员掌握。交互式预报系统的进步主要在于把过去只能由预报员人工进行的洪水预报结果的综合分析能力纳入到洪水预报系统中，包括常用图形交互技术、系统功能、流量过程交互式修正技术、水位流量过程退水预测技术等4种技术。

通过各种交互功能的实现，作业预报的精度会大幅度提高，同时还可以在预报的过程中加入专家的经验，使预报的可信度大大增强，为防洪决策提供重要的保障。

（3）系统管理。系统管理模块包括用户管理、模型管理、方案管理、水位流量曲线、自动预报、站点管理、图层管理、预报数据管理、数据库设置等功能，可以有效地辅助预报人员管理预报方案及预报成果。

目前我国国内洪水预报系统总体水平已开始提高，开始向高新技术方向发展，把洪水预报从简单的预报过程提升到充分利用计算机技术，网络通信技术，GIS技术等为支撑平台的决策支持系统（DSS）的层面上，开始从专家系统、智能学习领域出发，洪水预报系统逐渐成为决策支持系统平台下的子系统或者支持模块。

然而，在实际的应用部门中，我国洪水预报系统的开发与设计还存在以下几点不足：

1）系统移植性差：所开发系统往往仅限于研究区域，无法移植到不同的区域使用，需要重新开发，造成重复建设，资源浪费。

2）人机交互不够灵活：用户进行修改，仅限于对表格的修改，无法做到自由拉动，或橡皮筋效果。

3）通用模型缺乏：由于没有建立统一的，通用模型库，系统间的模型方法无法共享，导致模型的重复性开发。

4）静态模型库：部分预报系统已经把模型方法库的概念加入其中，但是，这些模型方法库只是个静态的数据库管理系统，用户无法自行添加，修改库中模型，无法扩展预报系统。