基于GIS的廣西電網(wǎng)流域面雨量計(jì)算方法與監(jiān)測(cè)預(yù)警

鐘利華，鐘仕全，曾鵬，袁麗軍李勇

（1.廣西氣象服務(wù)中心，南寧530022；2.廣西氣象減災(zāi)研究所，南寧530022）

引言

廣西電網(wǎng)直調(diào)水電廠分布在珠江流域上游的西江干流上，廣西電網(wǎng)電力調(diào)度、水電廠發(fā)電生產(chǎn)和區(qū)域防汛抗洪決策的一個(gè)重要依據(jù)是流域水位和流量的變化，水位和流量的預(yù)報(bào)又依賴于流域內(nèi)面雨量的估計(jì)，流域面雨量能客觀地反映該流域降雨情況，為水文學(xué)上一個(gè)重要的參數(shù)，如何準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地估計(jì)流域內(nèi)面雨量，首先需要在流域監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，提取精確的、符合流域水系特征的流域邊界，以此作為基本參數(shù)對(duì)流域進(jìn)行小流域劃分，在此基礎(chǔ)上，開展分流域面雨精細(xì)化的計(jì)算，通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算，最后形成監(jiān)測(cè)產(chǎn)品；許多國(guó)內(nèi)學(xué)者在相關(guān)領(lǐng)域做出了大量研究，秦福來(lái)［1］等依據(jù)數(shù)字高程模型（DEM）提取流域特征信息的基本原理，應(yīng)用密云水庫(kù)北部流域的DEM進(jìn)行了流域的刻劃及SWAT模型運(yùn)行單元水文響應(yīng)單元的生成；楊梅［2］等以岷江流域都江堰區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)研究對(duì)象，論述常用的基于數(shù)字高程模型（DEM）提取流域河網(wǎng)水系的方法和原理，采用1：25萬(wàn)DEM作為基本的地形數(shù)據(jù)，應(yīng)用ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件進(jìn)行河網(wǎng)水系提??；任立良［3］利用數(shù)字高程數(shù)據(jù)自動(dòng)提取流域水系，構(gòu)建數(shù)字高程流域水系模型，包括數(shù)字高程模型中凹陷區(qū)域的識(shí)別和處理、平坦部位水流流向設(shè)定、子流域集水單元勾劃、河網(wǎng)生成、河網(wǎng)與子流域編碼及河網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系的建立；曾紅偉［4］等以洮河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用Arc Hydro Tools，分析了3種DEM在不同地貌類型中數(shù)字河網(wǎng)提?。环酱劝玻?］等運(yùn)用泰森多邊形法、逐步訂正格點(diǎn)法、氣象站資料的算術(shù)平均法、氣象站和水文站資料的算術(shù)平均法計(jì)算了1998年5-9月、1999年5-9月與2000年5-8月湖南5個(gè)小流域的實(shí)況面雨量，從整體上看，幾種方法計(jì)算結(jié)果無(wú)顯著差異；秦承平等［6］對(duì)清江流域和長(zhǎng)江上游干支流域面雨量計(jì)算方法進(jìn)行探討，結(jié)果表明對(duì)三峽區(qū)間氣象測(cè)站分布較均勻，雨量資料較齊全的情況，算術(shù)平均法簡(jiǎn)單易行；陳光舟等［7］利用2007年7月淮河流域常規(guī)站、自動(dòng)雨量站和自動(dòng)氣象站逐日降雨量資料，選取泰森多邊形法和算術(shù)平均法計(jì)算淮河流域15個(gè)子單元的面雨量實(shí)況，結(jié)果表明小流域內(nèi)站點(diǎn)分布均勻，且降水空間分布均勻的情況下，泰森多邊形法和算術(shù)平均法計(jì)算的面雨量相差不大。

由于針對(duì)廣西電網(wǎng)直調(diào)水電廠所處的西江流域，利用廣西區(qū)、云南和貴州省基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，根據(jù)流域地形地貌特征、流域面積、氣象站點(diǎn)、水電站與實(shí)時(shí)降水等多元信息資料，開展精細(xì)化的流域分區(qū)面雨量計(jì)算方法的研究較少，本文將以廣西電網(wǎng)直調(diào)水電廠所處的西江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)西江流域分區(qū)面雨量的計(jì)算方法和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)流程進(jìn)行了研究和探討。

1 資料與處理

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域?yàn)槲鹘饔?，含廣西區(qū)和貴州、云南省部分地區(qū)，自江源至出?？谝来螢槟媳P江、紅水河、黔江、潯江、西江，主要支流有北盤江、柳江、郁江、桂江、賀江等。

1.2 地理信息資料

廣西區(qū)1：5萬(wàn)和1：25萬(wàn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)資料，包括行政區(qū)域邊界、水系、道路、高程（DEM）、等高線、市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及注記等信息資料，廣西巖溶地區(qū)地下河部分信息資料。

貴州、云南省西江流域范圍1：25萬(wàn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，包括行政區(qū)域邊界、水系、道路、高程（DEM）、等高線、市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等信息資料。

將收集的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，采用GIS平臺(tái)統(tǒng)一進(jìn)行投影變換，構(gòu)建統(tǒng)一的投影坐標(biāo)系，形成可進(jìn)行空間疊加分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集；本次投影的統(tǒng)一坐標(biāo)系為蘭勃特投影，比例尺為1：50萬(wàn)。

1.3 自動(dòng)氣象站資料

廣西區(qū)、云南和貴州省西江流域范圍的自動(dòng)氣象站點(diǎn)信息資料，主要包括：站點(diǎn)位置、經(jīng)緯度、觀測(cè)要素等，其中廣西自動(dòng)氣象站點(diǎn)有1334個(gè)，云南有1024個(gè)，貴州有285個(gè)。

采用GIS技術(shù)，根據(jù)自動(dòng)氣象站點(diǎn)的經(jīng)緯度進(jìn)行投影變換，形成與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)相同投影方式的坐標(biāo)系統(tǒng)，采用特定點(diǎn)符號(hào)標(biāo)識(shí)，以便于與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析。

1.4 水電站資料

研究范圍含40個(gè)水電站，站點(diǎn)信息包括水電站經(jīng)緯度、水電站規(guī)模等；根據(jù)水電站的經(jīng)緯度信息，采用GIS技術(shù)進(jìn)行投影，形成與基礎(chǔ)地理信息的投影方式統(tǒng)一的坐標(biāo)系，編輯水電站分布圖（圖略）與站點(diǎn)的空間屬性。

2 西江流域面雨量監(jiān)測(cè)區(qū)域基礎(chǔ)信息處理

2.1 西江流域分區(qū)與信息提取

2.1.1 大流域分區(qū)

采用1：25萬(wàn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，利用GIS技術(shù)，根據(jù)水電站點(diǎn)空間分布，以及水系、等高線，沿水系分水嶺劃分大流域分區(qū)；將西江流域劃分為紅水河流域、柳江流域、郁江流域、桂江流域、西江干流流域、沿海和桂東南流域等六大干流域（圖1）。

2.1.2 小流域劃分

圖1 西江流域6大干流域分區(qū)示意圖

在大流域分區(qū)的基礎(chǔ)上，根據(jù)各大流域的水電站分布情況，采用1：5萬(wàn)基礎(chǔ)地理信息進(jìn)行分區(qū)，在GIS平臺(tái)上，根據(jù)高程及等高線分水嶺脊線，提取水電站監(jiān)測(cè)流域匯水區(qū)域，然后進(jìn)行匯水流域邊線整合、拓?fù)錁?gòu)面、編輯各匯水區(qū)域?qū)傩裕▓D2），將分區(qū)屬性標(biāo)注在相應(yīng)的圖斑上，最后形成水電站匯水流域監(jiān)測(cè)小流域分區(qū)圖，根據(jù)廣西電力部門業(yè)務(wù)需求，劃分了66個(gè)匯水流域監(jiān)測(cè)區(qū)間（小流域）（圖略）。

2.2 多維信息空間疊加分析

利用GIS平臺(tái)的空間分析技術(shù)，將編輯好的流域分區(qū)、水電站點(diǎn)、氣象觀測(cè)站點(diǎn)等進(jìn)行空間相關(guān)性疊加拓?fù)浞治觯瑯?gòu)建用于降水監(jiān)測(cè)的空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行水電站匯水流域內(nèi)的自動(dòng)氣象站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，利用氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算水電站點(diǎn)匯水流域的面雨量。

圖2 水電站匯水監(jiān)測(cè)流域分區(qū)屬性示意圖

2.2.1 屬性編輯與掛接

（1）氣象站點(diǎn)屬性字段編輯

在投影好的統(tǒng)一坐標(biāo)系的氣象站點(diǎn)文件中，根據(jù)需要編輯屬性字段，屬性字段主要包括：

氣象站點(diǎn)：ID號(hào)、區(qū)站號(hào)、站名、觀測(cè)要素、?。▍^(qū)）等五個(gè)字段。

以ID號(hào)為連接代碼，將收集的氣象站點(diǎn)邊界對(duì)應(yīng)的屬性字段信息表，采用GIS的屬性掛接功能模塊，將屬性表的信息與投影好的圖形代號(hào)掛接，形成具有空間屬性的氣象站點(diǎn)圖形文件。

（2）流域分區(qū)屬性字段編輯

根據(jù)水電站所在的流域分區(qū)，編輯分區(qū)屬性，分區(qū)屬性字段包括：ID號(hào)、分區(qū)名稱、?。▍^(qū)）、面積等字段；以ID號(hào)為關(guān)聯(lián)代碼，采用GIS的屬性掛接功能模塊進(jìn)行分區(qū)屬性掛接，形成具有統(tǒng)一坐標(biāo)系、空間屬性的水電站流域分區(qū)圖形文件（圖3，見彩頁(yè)）。

2.2.2 多維信息疊加處理

采用GIS的空間疊加分析模塊，將氣象站點(diǎn)點(diǎn)文件與水電站匯水流域面文件進(jìn)行空間疊加分析，合并兩個(gè)文件的空間屬性，通過(guò)屬性的導(dǎo)出，統(tǒng)計(jì)每一個(gè)水電站匯水流域內(nèi)的氣象站點(diǎn)數(shù)量（表略）以及面積（表略）；通過(guò)計(jì)算每一個(gè)氣象站點(diǎn)的降雨量，得到水電站匯水流域的降雨總量，根據(jù)氣象站點(diǎn)實(shí)時(shí)降雨量動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水電站匯水流域面雨量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 西江流域分區(qū)面雨量計(jì)算方法

面雨量計(jì)算方法較多，主要有：算術(shù)平均法、泰森多邊形法、等雨量線法、網(wǎng)格插值法和逐步訂正格點(diǎn)法等方法，本文選取算術(shù)平均法和泰森多邊形法進(jìn)行比較分析，從中選擇一種適合的計(jì)算方法。

計(jì)算廣西電網(wǎng)6大流域66個(gè)流域區(qū)間（小流域）2014年4-6月面雨量，分4個(gè)量級(jí)進(jìn)行對(duì)比分析，即：小到中雨（RX），面雨量＜15mm；大雨（RD），30.0mm＞面雨量≥15mm；暴雨（RB），60.0mm＞面雨量≥30mm；大暴雨及以上（RDB），面雨量≥60mm。計(jì)算結(jié)果見表1，從表1可見，各流域各等級(jí)兩種計(jì)算方法的平均誤差分別≤0.6mm、≤2.3mm、≤3.7mm和≤6.5mm，最小誤差均≤1.2mm，大部流域區(qū)間各等級(jí)最大誤差＜10mm。

進(jìn)一步分析表1中部分流域區(qū)間最大誤差≥10mm的情況（表2），從表2可見，在小到中雨量級(jí)中，只有桂江流域54個(gè)個(gè)例中有一個(gè)出現(xiàn)最大誤差≥10mm的情況，即：2014年5月16日，桂江流域旺村區(qū)間算術(shù)平均法計(jì)算面雨量為10.2mm（小到中雨），泰森多邊形法計(jì)算面雨量為22.6mm（大雨），反查當(dāng)日旺村周邊流域區(qū)間，除金牛坪區(qū)間和京南區(qū)間出現(xiàn)11.0mm和10.5mm的面雨量外，其它區(qū)間均小于5mm，表明旺村區(qū)間當(dāng)日以小到中雨為主，算術(shù)平均法更貼近實(shí)際；在暴雨量級(jí)中，66個(gè)區(qū)間總計(jì)有9個(gè)流域區(qū)間出現(xiàn)最大誤差在10-17mm，而兩種計(jì)算方法結(jié)果接近或在同一個(gè)量級(jí)（暴雨量級(jí)）；在大暴雨量級(jí)中，66個(gè)區(qū)間總計(jì)有6個(gè)流域區(qū)間出現(xiàn)最大誤差在11-20mm，而兩種計(jì)算方法結(jié)果均在同一個(gè)量級(jí)（大暴雨量級(jí)）。

綜上分析表明：采用算術(shù)平均法和泰森多邊形法計(jì)算流域面雨量時(shí)，總體情況兩種計(jì)算方法誤差不大，當(dāng)出現(xiàn)暴雨以上降雨時(shí)，兩種計(jì)算方法最大誤差大部情況＜10mm，個(gè)別流域區(qū)間出現(xiàn)最大誤差≥10mm，兩種計(jì)算方法均為接近或在同一量級(jí)范圍，說(shuō)明由于流域區(qū)間自動(dòng)站網(wǎng)點(diǎn)布局相對(duì)較密集，算術(shù)平均法和泰森多邊形法計(jì)算流域面雨量差異不大，但由于算術(shù)平均法計(jì)算簡(jiǎn)便，運(yùn)算過(guò)程較泰森多邊形法速度快，因此，考慮到流域面雨量業(yè)務(wù)需實(shí)時(shí)資料及時(shí)性的特點(diǎn)，取算術(shù)平均法為電網(wǎng)流域分區(qū)面雨量計(jì)算方法。

表1 流域區(qū)間面雨量算術(shù)平均法和泰森多邊形法計(jì)算誤差分析表

4 面雨量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警服務(wù)

4.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集、計(jì)算與入庫(kù)

（1）降雨量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集

采用SQL查詢語(yǔ)句，從氣象局實(shí)時(shí)資料共享數(shù)據(jù)庫(kù)中提取廣西區(qū)和云南、貴州省自動(dòng)氣象站逐小時(shí)降雨量實(shí)況數(shù)據(jù)，歸納整理到同一個(gè)數(shù)據(jù)集合，形成原始數(shù)據(jù)表。

采用C＃語(yǔ)言和SQL技術(shù)，編制實(shí)況數(shù)據(jù)處理程序，廣西區(qū)逐小時(shí)降雨量實(shí)況數(shù)據(jù)在整點(diǎn)后10分鐘處理一次，收集得到整點(diǎn)前一小時(shí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后存入數(shù)據(jù)庫(kù)；云南、貴州省逐小時(shí)降雨量實(shí)況數(shù)據(jù)在整點(diǎn)后10分鐘和50分鐘各處理一次，以保證數(shù)據(jù)的及時(shí)性和完整性，收集得到整點(diǎn)前一小時(shí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）面雨量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算與入庫(kù)

采用C＃語(yǔ)言，編制入庫(kù)面雨量信息處理程序，對(duì)入庫(kù)的逐小時(shí)降雨量數(shù)據(jù)，進(jìn)行分流域信息、自動(dòng)站信息與實(shí)況降雨量數(shù)據(jù)表的處理，通過(guò)C＃中的LINQ技術(shù)、SQL技術(shù)，采用算術(shù)平均法，計(jì)算分流域面雨量，形成分流域面雨量實(shí)況數(shù)據(jù)記錄，自動(dòng)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。

其中廣西區(qū)入庫(kù)的逐小時(shí)降雨量整點(diǎn)后10分鐘計(jì)算一次面雨量，云南和貴州省入庫(kù)的逐小時(shí)降雨量分別在整點(diǎn)后10分鐘和50分鐘各計(jì)算一次面雨量。

（3）面雨量圖形顯示

采用Flash ActionScript技術(shù)實(shí)現(xiàn)分流域面雨量實(shí)況圖在網(wǎng)頁(yè)上顯示和分流域自動(dòng)填色的功能，根據(jù)面雨量的不同量級(jí)，選取不同顏色的色斑圖表示，使得圖片顯得形象、直觀、生動(dòng)（圖略）。

4.2 面雨量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警服務(wù)

通過(guò)與廣西電力部門設(shè)置的數(shù)據(jù)傳輸專線，將入庫(kù)的面雨量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到電力服務(wù)器，以網(wǎng)頁(yè)形式顯示與瀏覽。

表2 流域區(qū)間面雨量算術(shù)平均法和泰森多邊形法最大誤差≥10mm個(gè)例分析表

根據(jù)廣西電力部門生產(chǎn)需求，西江流域分區(qū)面雨量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，每小時(shí)處理、計(jì)算生成3小時(shí)、6小時(shí)、12小時(shí)和24小時(shí)累計(jì)面雨量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品各1份，當(dāng)3小時(shí)累計(jì)面雨量≥20mm（暴雨量級(jí)）時(shí)，通過(guò)手機(jī)短信預(yù)警平臺(tái)，為定制用戶發(fā)布預(yù)警信息。

2014年5月9日晚至11日，受高空槽和偏南氣流共同影響，廣西北部、東部的部分市縣出現(xiàn)了暴雨到大暴雨的強(qiáng)降水天氣，過(guò)程具有局地短時(shí)降水強(qiáng)度大的特點(diǎn)，桂林、河池等地的一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)一小時(shí)降水量達(dá)80mm以上，其中天峨縣芭暮鄉(xiāng)高達(dá)117mm，為歷史少見。

統(tǒng)計(jì)5月10日03時(shí)至11日14時(shí)，西江流域總計(jì)有130個(gè)分流域3小時(shí)累計(jì)面雨量≥20mm，過(guò)程短時(shí)強(qiáng)降雨最大范圍出現(xiàn)在5月11日03時(shí)至06時(shí)，有11個(gè)分流域3小時(shí)累計(jì)面雨量≥20mm（圖4，見彩頁(yè)），最強(qiáng)降雨出現(xiàn)在10日24時(shí)至11日03時(shí)的柳江流域，3小時(shí)累計(jì)面雨量有3個(gè)小流域≥50mm（特大暴雨量級(jí)），1個(gè)小流域超過(guò)100 mm（圖5，見彩頁(yè)）。本次短時(shí)強(qiáng)降雨過(guò)程及時(shí)通過(guò)手機(jī)短信預(yù)警平臺(tái)發(fā)布了預(yù)警信息，為電力生產(chǎn)部門制定防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策、采取合理的抗災(zāi)救災(zāi)措施提供了快捷、客觀的科學(xué)依據(jù)。

5 小結(jié)

在對(duì)廣西電網(wǎng)西江流域面雨量監(jiān)測(cè)區(qū)域基礎(chǔ)信息進(jìn)行處理和小流域分區(qū)基礎(chǔ)上，采用比較分析方法，開展分流域面雨量計(jì)算方法研究，對(duì)西江流域?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)流程進(jìn)行了探討，得到：

（1）以1：5萬(wàn)數(shù)字高程模型為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，針對(duì)西江流域河網(wǎng)、自動(dòng)氣象站、水電站等分布特點(diǎn)，結(jié)合水系、等高線特征，沿水系分水嶺對(duì)西江流域干流進(jìn)行精細(xì)化分區(qū)，為分流域面雨量計(jì)算提供基礎(chǔ)參數(shù)。

（2）對(duì)分流域面雨量采用算術(shù)平均法與泰森多邊形法計(jì)算，兩種方法計(jì)算結(jié)果偏差較小，由于算術(shù)平均法計(jì)算簡(jiǎn)便、運(yùn)算速度快，取算術(shù)平均法為流域分區(qū)面雨量計(jì)算方法。

（3）編制逐小時(shí)降雨量實(shí)況數(shù)據(jù)處理和面雨量計(jì)算程序、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)和編制數(shù)據(jù)自動(dòng)入庫(kù)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)西江流域面雨量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；2014年5月9日至11日西江流域出現(xiàn)一次短時(shí)強(qiáng)降雨過(guò)程，通過(guò)實(shí)時(shí)資料的處理、計(jì)算，形成流域短時(shí)強(qiáng)面雨量產(chǎn)品并及時(shí)發(fā)布預(yù)警服務(wù)信息。

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