云龙湖水库智能化预警预报及调度研究与应用

房磊，孙瑞，赵强

（江苏省水文水资源勘测局徐州分局，江苏徐州，221000）

摘 要：聚焦徐州市云龙湖水库的综合管理需求，围绕城市防洪安全、水生态保护与景观功能提升三大目标，提出构建集水量监测预警预报、水质监测预警预报及水量水质联合调度于一体的智能化管理系统。研究基于现有“5+5+3”系统框架，整合雷达气象数据、闸门自动测流技术及水质自动监测站，通过动态耦合水文与水质模型，实现入库洪水精准预报、污染物通量评估及风险模糊化预警。

关键词：云龙湖水库；预警预报；水量水质一体化；调度优化；科学依据

1 研究意义、必要性

云龙湖位于徐州市主城区，历史上的云龙湖俗称“簸箕洼”，北宋时称为“尔家川”，明代称“苏伯湖”，明万历又名“石狗湖”。1958年挖湖筑堤修建防洪水库并改名为云龙湖，湖之东、西、南三侧紧临云龙山、韩山、珠山，形成了“三面云山一面湖”的自然态势。云龙湖集水面积54km²，总库容3323万m³，是一座以城市防洪为主，兼有城市景观、旅游开发等综合利用的中型水库。

水库正常蓄水位32.8m，百年一遇设计洪水位34.86m^[1]，高出市区地面近4m，犹如徐州头顶的“一盆水”，对徐州威胁极大。随着城市化进程加速，流域内上游下垫面条件及出入湖河道均发生了变化，洪水汇集速度更快，防洪压力更大。加之近年来云龙湖景区建设，在遭遇超标准洪水时，部分景点被淹，急需发布预警预报信息，提醒社会公众防范。下游奎河排涝能力有限，在市区遭遇强降雨时，需错峰排洪。

随着徐州市水生态文明城市建设，云龙湖已成为徐州市一张靓丽的名片，对水量、水质、水生态等要求逐年提高。为有效发挥水库功能，合理利用水库资源，维护水库生态环境，提供科学依据。加强出入湖入库排污口的水质水量监测，掌握污染物通量及其变化，建立水库水质预警系统。开展云龙湖水库及下游奎河城区段水生态环境监测工作，掌握城市化引起的水生态环境效应，量化辨识城市化与水生态环境的交互耦合关系，综合评估城市化进程中存在的水生态环境风险，为云龙湖的健康有序发展、构建云龙湖和谐的人水环境提供支撑和优质服务。

云龙湖管理单位为徐州市云龙湖风景名胜区管理委员会，目前建有水雨情信息自动采集系统，但缺乏实时数据库和工程基础数据库，存在数据整理、分析、预警以及对外公布等方面的不足。依托“5+5+3”系统建设，利用水库塘坝模块功能，实现水库洪水精准化水文预报，为水利工程的科学调度提供依据，为缓解下游奎河水资源短缺、生态环境恶化，改善城区水环境，实现水资源优化配置提供技术支撑，充分发挥云龙湖在城市防洪、灌溉、景观等方面的重要作用，是水库管理实现信息化、现代化的需要。

水文部门要推进水量水质水生态监测一体化、推进监测预报调度一体化，可以选取一些典型河库，先行先试，积累经验。云龙湖流域相对封闭，研究基础较好，可作为先行先试的代表。

2国内外研究现状、已有的研究基础

目前，国内水库调度研究多以防洪、改善环境为主，部分水库结合景观、生态河流的综合性治理。本项目结合城市防洪、水生态及水景观，实现水库洪水精准化水文预报预警，缓解下游奎河水资源短缺、生态环境恶化，改善城区水环境，充分发挥水库在城市防洪、灌溉、景观等方面的重要作用，实行可持续发展的生态管理理念，推进水量水质水生态监测一体化、监测预报调度一体化。

目前已完成云龙湖水库水下地形测量工作、蓄水安全鉴定工作及大坝沉降观测工作，积累了多年云龙湖及下游奎河水质状况；进出水口门（南望闸、军民河橡胶坝、王窑闸、泄洪闸）安装了遥测设备，可实现流量推流，积累了多年雨量、水位及出、入水量资料，基础资料基本收集完毕，数据库已建成。

3主要研究内容、技术路线、拟解决的关键问题及创新点

3.1主要研究内容

包含水量监测预警预报模块、水质监测预警预报模块、基于水量和水质预报的水库调度模块。

水量监测预警预报模块使用“5+5+3”系统水库塘坝模块进行预警预报：①将已有的云龙湖水库预报方案输入预报模型^[2]，使用已有云龙湖水库最新测绘资料绘制云龙湖水库水位库容曲线；出、入库水量控制：在云龙湖水库上游南望闸、王窑闸安装闸位计，通过闸门率定确定水位流量关系，军民河在橡胶坝附近已安装流量自动监测；在云龙湖出库库闸门闸下安装遥测水位，通过闸门率定确定水位流量关关系，使用遥测流量自动编报软件监测实时出入库水量。②引进气象雷达数据，结合预报系统对云龙湖水库进行预测预警，结合闸门调度情况对云龙湖水位进行预测预警，实现入库流量-水位-泄量动态调度方案。

水质监测预警预报模块：①在云龙湖水库入口及出口闸门处安装简易水质自动监测站，监测云龙湖水库水质情况。②通过入口闸门的水质情况及闸门开启状况预测云龙湖水库的水质变化情况，通过出口闸门的水质情况及闸门开启状况及下游奎河水质预测奎河的水质变化情况，并进行自动预警。

基于水量和水质预报的水库调度模块：①通过水量监测及水质监测系统的耦合，对云龙湖水库水量水质同步掌握，基于水库防汛及生态要求对云龙湖水库进行合理的调度建议。②防洪风险点经过模糊化处理后通过景区大屏展现给游客，提醒避险。③对云龙湖水库及奎河防汛调度与水环境治理等进行综合性研究，推进水量水质水生态监测一体化。

3.2技术路线

本项目实施的技术路线见图1。目前，云龙湖水库入库洪水预报模块已经解决，可使用5+5+3系统水库塘坝模块来进行洪水预警预报。该系统可结合气象雷达数据对水库流域范围内预测雨量进行处理、水库上游产汇流模型研究、调洪演算与实际调度动态化显示问题。

图1 技术路线图

3.3拟解决的关键问题

本项目旨在攻克云龙湖水库在城市化背景下面临的复杂管理难题，拟解决的关键问题具体如下：①城市水库面临多重压力下的调度决策难题。云龙湖作为一座位于主城区的多功能水库，其调度决策需在保障城市防洪绝对安全、满足下游奎河生态基流与水质改善需求、以及维持湖区自身景观水位与良好水生态之间寻求动态平衡，传统以单一防洪或供水为目标的调度模式已无法适应这一复杂需求，因此，如何构建一个能够综合考虑水量与水质的多目标协同调度模型，是本项目需解决的核心决策难题。②高精度短临洪水预警预报的技术瓶颈。 云龙湖流域集水面积虽为54km²，但城市化导致下垫面急剧变化，使得产汇流规律更趋复杂，洪水汇流速度快，预见期短，现有的预报方案难以精准捕捉由强对流天气引发的局地、短历时强降雨所带来的洪水风险；因此，如何有效引进并融合气象雷达的短临预报数据，提升降雨预报的时空精度，并在此基础上优化洪水预报模型，延长有效预见期，是实现精准预警和科学调度的技术关键。③水质预警与水量调度的动态耦合机制缺失。当前，云龙湖的水量调度与水质管理在操作层面相对独立，缺乏有效的联动机制；因此，如何建立基于入口、出口闸门处实时水质监测数据的快速响应机制，并将水质变化趋势预测动态融入闸门调度决策中，实现“抑污增容”的生态调度，是项目实施过程中必须解决的操作层面的关键问题。④防洪风险信息面向公众的有效传达障碍。在遭遇超标准洪水时，如何将专业的、量化的防洪风险（如淹没范围、水深、转移路线）转化为社会公众，特别是景区游客易于理解和接受的警示信息，是一个重要的非工程措施难题，直接将专业术语和风险图展示给公众可能效果有限，甚至引发恐慌。因此，如何对关键防洪风险点进行科学且适度的“模糊化”与“可视化”处理，并通过景区大屏等媒介进行有效发布，引导公众主动避险，是本项目在公共服务层面需要着力解决的问题。

3.4创新点

本项目的创新之处在于打破传统水库管理的单一模式，通过多学科交叉与技术融合，构建了一套面向智慧城市水管理的综合性解决方案，其主要创新点体现在：①体系创新：构建“监测-预报-调度”一体化业务平台。本项目并非简单叠加独立的水量与水质监测模块，而是从顶层设计上将水雨情监测、水质水生态监测、洪水预报、水质预测与闸群调度进行深度耦合，在 “5+5+3”系统框架下，实现数据互通、模型联动与决策协同。这种一体化的业务模式，能够有效提升水库管理的系统性与整体效能，是实现水库精细化、智能化管理的核心创新。②技术创新：实现水量水质双要素的联合预报与调度。突破传统仅以水量为基础的调度模式，创新性地将水质指标作为水库调度的核心约束条件之一。通过安装在关键闸口的简易水质自动监测站，实时掌握污染物通量，并结合水文模型预测其迁移转化趋势，从而生成同时满足防洪安全、下游河道生态需水及水质保障需求的综合性调度方案。这种“量质齐管”的联合调度策略，是生态水利理念在城市水库管理中的具体实践与技术创新。③方法创新：融合雷达外推预报与水文水动力模型。针对城市暴雨洪水预见期短的问题，本项目率先在云龙湖水库的管理中引入高时空分辨率的气象雷达数据，并将其与水文、水动力模型进行紧密耦合。这种方法能够更早、更精确地预判流域内面雨量的空间分布与暴雨中心动向，能够显著提升入库洪峰流量与过程的预报精度，为水库闸门的预泄、错峰调度赢得宝贵的决策时间。④服务创新：建立面向公众的防洪风险模糊化预警机制。本项目系统性地提出并实践防洪风险信息的“模糊化”公众传达策略。该方法在不泄露核心工程参数和引发不必要恐慌的前提下，通过提炼关键风险信息，利用景区信息屏等渠道，实现风险信息的通俗、友好、有效发布，提升了城市公共安全服务的水平与内涵，是管理理念与服务模式的创新。

参考文献

[1] 徐州市防汛防旱水情手册.1993.4

[2] 云龙湖水库预报方案.2025.1

作者简介：房磊（1983--），男，汉族，江苏省徐州市泉山区人，江苏省水文水资源勘测局徐州分局高级工程师，主要从事水文短临预报和遥测通信服务工作。联系电话：15852343668；邮箱：105050382@qq.com；通讯地址：徐州市云龙区(新城区)大龙湖街道中茵广场5栋4楼