城市防洪中水文預(yù)報(bào)技術(shù)的運(yùn)用研究

李 杰

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118000)

城市防洪中水文預(yù)報(bào)技術(shù)的運(yùn)用研究

李 杰

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118000)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)日益進(jìn)步，中國城市防洪基本形成了以工程措施為主、以非工程措施為輔的防洪新格局。遼寧省丹東市也不例外，近年來在城市防洪中積極采用新技術(shù)、新手段、科學(xué)防洪，應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害。水文預(yù)報(bào)技術(shù)作為一項(xiàng)非工程防洪措施，其在一定程度上大大提高了人們生活與生產(chǎn)的安全性?；诖?，文章將重點(diǎn)以遼寧省丹東市為例，對(duì)現(xiàn)代水文預(yù)報(bào)技術(shù)在丹東市防洪中的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行論述，以此提高當(dāng)?shù)氐姆篮樾省?/p>

遼寧丹東；防洪；水文預(yù)報(bào)；技術(shù)應(yīng)用

丹東市作為中國最大的邊境城市，其位于遼寧省東南地區(qū)以及遼東半島經(jīng)濟(jì)開放區(qū)東南部鴨綠江與黃海的匯合處，東與朝鮮民主主義人民共和國的新義洲市隔江相望，因此丹東市水系發(fā)達(dá)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅丹東地區(qū)100km2和2km以上的河流分別有42條以及944條，其為該地區(qū)特大洪水災(zāi)害的發(fā)生留下了巨大的安全隱患。在分析過程中，文章以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐，通過對(duì)該地區(qū)的防洪信息和水文預(yù)報(bào)等相關(guān)信息進(jìn)行及時(shí)接收和處理、檢索、查詢，從而構(gòu)建集洪水作業(yè)預(yù)報(bào)以及洪水預(yù)報(bào)服務(wù)為一體的集成化工作平臺(tái)，充分發(fā)揮水文預(yù)報(bào)技術(shù)在該地區(qū)防洪減災(zāi)中的重要作用。

1 丹東市防洪減災(zāi)的必要性

總體而言，丹東市年降水量時(shí)間分布不均，由于區(qū)域內(nèi)地形變化差異較大，因此丹東年降水地區(qū)分布也不均衡；另外，從天氣系統(tǒng)來看，丹東市暴雨天氣系統(tǒng)主要由副熱帶高空槽以及高壓、臺(tái)風(fēng)和氣旋等組成，因此極其惡劣的天氣系統(tǒng)導(dǎo)致該地區(qū)每次暴雨時(shí)常大約1-3d，而且70%以上的特大暴雨都集中于同一天，由此使當(dāng)?shù)睾樗兓厔莩蕟畏逍汀３酥?，受?dāng)?shù)靥鞖夂蜌庀箅p重因素影響，該地70%以上的降水大多集中于6—9月份。因此，一旦發(fā)生洪水災(zāi)害，影響極為惡劣，當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展將會(huì)受到巨大影響。但是，在防洪過程中，遼寧省丹東市通過工程措施以及非工程措施積極預(yù)報(bào)洪災(zāi)和應(yīng)對(duì)洪災(zāi)，近年來取得了明顯的成效。

實(shí)踐證明，防洪減災(zāi)是人類順應(yīng)自然以及改造自然的一項(xiàng)重要活動(dòng)，其不僅需要遵循自然發(fā)展客觀規(guī)律，更要有組織、有計(jì)劃，將防洪減災(zāi)制度付諸于實(shí)踐。因此，防洪減災(zāi)在某種程度上而言，是人類對(duì)區(qū)域水文特點(diǎn)以及洪水特性和時(shí)空分布規(guī)律的再認(rèn)識(shí)，同樣也是人與自然正確處理利害關(guān)系的重要環(huán)節(jié)，這對(duì)于水災(zāi)成災(zāi)機(jī)理的探討以及防洪減災(zāi)體系的構(gòu)建和防洪工程措施與非工程措施的不斷完善具有至關(guān)重要的作用[1]。

2 水文預(yù)報(bào)技術(shù)

現(xiàn)代水文預(yù)報(bào)技術(shù)是在人類不斷認(rèn)識(shí)自然和改造自然以及順應(yīng)自然、和自然和諧相處過程中，逐漸形成的一種防洪手段，從防洪效益和防洪功能上來講，現(xiàn)代水文預(yù)報(bào)技術(shù)在城市防洪過程中具有“參謀”作用和“耳目”作用。其中，充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及現(xiàn)代通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行水文預(yù)報(bào)，是當(dāng)今人類科學(xué)防洪以及高效防洪的必然要求，同樣也是構(gòu)建人與自然和諧相處新生態(tài)的重要理念[2]。

其作為一項(xiàng)重要的非工程措施，為城市流域以及河道和水庫等提供了一種有效的防洪減災(zāi)手段，也為城市相關(guān)管理部門防汛、抗洪提供了科學(xué)、準(zhǔn)確的預(yù)見期。在實(shí)際防洪水文預(yù)報(bào)過程中，重點(diǎn)包括2個(gè)方面的技術(shù)內(nèi)容：①準(zhǔn)確編制城市防洪水文預(yù)報(bào)方案；②結(jié)合防洪方案，積極開發(fā)水文預(yù)報(bào)信息系統(tǒng)。

文章在對(duì)遼寧省丹東市水文以及氣候和流域、降水等相關(guān)資料進(jìn)行準(zhǔn)確收集基礎(chǔ)上，結(jié)合遼寧省現(xiàn)有洪水預(yù)報(bào)與資源調(diào)度系統(tǒng)，開發(fā)了新型的城市水文預(yù)報(bào)信息集成系統(tǒng)[3]。因此，為該研究區(qū)重點(diǎn)流域防洪減災(zāi)提供了一種極為高效的技術(shù)手段。

3 水文預(yù)報(bào)技術(shù)在丹東市防洪中的應(yīng)用

3.1 準(zhǔn)確編制丹東市洪水預(yù)報(bào)監(jiān)測技術(shù)方案

水文預(yù)報(bào)技術(shù)方案的編制，需要通過研究流域內(nèi)洪水演進(jìn)以及氣候特點(diǎn)和地形、地勢等相關(guān)水文氣象要素的實(shí)況[4]，以此結(jié)合下墊面的具體情況，選擇適當(dāng)?shù)暮樗A(yù)報(bào)技術(shù)模型，當(dāng)前較為常見的幾種水文預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型有：

1)流域水文模型：這一數(shù)學(xué)模型又可分為陜北模型、API模型(前期影響降雨量模型)、SAC模型(薩克拉門托)以及新安江模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、TANK模型(水箱模型)及分布式流域水文模型。

2)河道洪水演進(jìn)模型：這一水文預(yù)報(bào)技術(shù)模型主要分為特征河長法以及馬斯京根法。

3)實(shí)時(shí)校正模型：這一水文預(yù)報(bào)技術(shù)模型主要分為卡爾曼濾波以及自回歸和誤差實(shí)時(shí)校正、滑動(dòng)平均等。

綜上幾種常用的水文預(yù)報(bào)技術(shù)模型，文章考慮到遼寧省丹東市位于北方地區(qū)，因此其適宜在城市防洪中，采用遼寧指數(shù)模型及相關(guān)線性模型和蓄滿產(chǎn)流模型。故文章將重點(diǎn)采用上述3種水文預(yù)報(bào)模型，通過率定遼寧省丹東市的相關(guān)水文參數(shù)，以此針對(duì)3種模型的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而為相關(guān)部門以及大眾提供精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)信息。

3.2 科學(xué)構(gòu)建丹東市洪水預(yù)報(bào)監(jiān)測信息系統(tǒng)

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)是預(yù)報(bào)作業(yè)人員的技術(shù)平臺(tái)。傳統(tǒng)預(yù)報(bào)模式中，僅僅依靠技術(shù)人員采用相應(yīng)的模型，然后將水文信息數(shù)據(jù)資料錄入系統(tǒng)，再由人工展開繁瑣計(jì)算，故其可靠性與實(shí)效性大大降低[4]。而文章在研究中，構(gòu)建了科學(xué)的洪水預(yù)報(bào)信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)丹東市水文信息的智能監(jiān)測、收集與分析、計(jì)算及預(yù)報(bào)，因此這一信息系統(tǒng)的主要功能為：

1)科學(xué)率定丹東市水文預(yù)報(bào)信息參數(shù)。

2)對(duì)丹東市年、月、日等降雨量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

3)通過流域匯流計(jì)算和流域產(chǎn)流計(jì)算，以此對(duì)丹東市的降雨徑流情況進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。

4)對(duì)丹東市河道的洪水進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。

5)采用實(shí)時(shí)校正模型，對(duì)丹東市實(shí)時(shí)洪水變化情況進(jìn)行預(yù)報(bào)。

6)對(duì)城市防洪水文預(yù)報(bào)信息系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)維管理。

在上述功能實(shí)現(xiàn)過程中，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一項(xiàng)核心技術(shù)。首先，其在信息接收處理中，能夠?qū)⑾到y(tǒng)接收到的相關(guān)信息進(jìn)行及時(shí)處理及保存，然后將其存于丹東市水文預(yù)報(bào)信息數(shù)據(jù)庫中，如圖1所示：

圖1 丹東市水情信息處理與分析

其次，在對(duì)丹東市洪水以及水文信息情況進(jìn)行預(yù)報(bào)過程中，為了能夠及時(shí)掌握相關(guān)信息數(shù)據(jù)的變化動(dòng)態(tài)，需對(duì)系統(tǒng)中的備用信息進(jìn)行查詢和檢索，從而提取有用信息，與用戶進(jìn)行直接交互處理[5]。因此，這一系統(tǒng)的穩(wěn)定性和交互性要求較高。為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行安全性，文章在研究時(shí)，通過對(duì)系統(tǒng)服務(wù)端程序進(jìn)行透明處理，以此提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力[6]。文章中的信息系統(tǒng)信息檢索以及查詢，采用三層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，系統(tǒng)利用電子地圖，將丹東市水情信息與矢量化的地圖數(shù)據(jù)有效結(jié)合在一起。如丹東市某流域上游的水文預(yù)報(bào)中心，可將各個(gè)分中心以及各個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測站點(diǎn)的的大、小河流數(shù)據(jù)集中到一個(gè)集成系統(tǒng)中，以此通過電子地圖，直觀展示相關(guān)數(shù)據(jù)。

除此之外，該信息系統(tǒng)還可充分利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及GIS技術(shù)，通過Visual Studio.NET、Delphi等開發(fā)平臺(tái)、組件及編程技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。在此設(shè)計(jì)運(yùn)維過程中，系統(tǒng)采用B/S、C/S編程技術(shù)及多層次結(jié)構(gòu)，對(duì)丹東市水文預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型分析交互模塊和系統(tǒng)運(yùn)行界面進(jìn)行實(shí)時(shí)、規(guī)范化處理。與此同時(shí)，水文預(yù)報(bào)成果和實(shí)時(shí)水情信息在丹東市防洪信息傳遞過程中發(fā)揮著重要的作用。因此，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)及撥號(hào)和語音自動(dòng)查詢等?？傊冗M(jìn)的現(xiàn)代水文預(yù)報(bào)信息系統(tǒng)，能夠用于信息保存以及檢索和查詢、打印等，實(shí)現(xiàn)了資源信息共享，提高了丹東市的防洪效率。

圖2 丹東市洪水預(yù)報(bào)監(jiān)測信息系統(tǒng)模型運(yùn)行操作流程圖

3.3 丹東市洪水演進(jìn)數(shù)值三維仿真模擬

丹東市屬于洪水災(zāi)害頻發(fā)的城市之一，因此在洪水到來之前，及時(shí)對(duì)丹東市洪水的淹沒路徑和時(shí)間以及范圍等相關(guān)要素進(jìn)行準(zhǔn)確模擬非常關(guān)鍵。流量和歷時(shí)以及洪峰作為洪水三要素，其只能表征洪水的大小，而無法表示洪水對(duì)區(qū)域影響的實(shí)際程度[7]。對(duì)于丹東市區(qū)泛濫的洪水而言，只有通過洪水沖擊力以及歷時(shí)和水深等相關(guān)指標(biāo)，才能對(duì)洪水的實(shí)際災(zāi)害嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)估。因此，文章主要采用力學(xué)模型綜合了黑箱模型和物理模型的優(yōu)勢：

1)采用二維非恒定流雙曲線型偏微分方程組作為基本的模型控制方程。

2)采用無結(jié)構(gòu)不規(guī)則的網(wǎng)格，對(duì)計(jì)算信息進(jìn)行科學(xué)剖分。

3)綜合有限差法和有限體積法，準(zhǔn)確構(gòu)建離散控制方程，對(duì)阻水建筑物以及灘地型和河道型等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。

4)對(duì)丹東市河域周邊邊界條件和開邊界條件、內(nèi)部邊界及動(dòng)邊界等進(jìn)行邊界處理以及初始條件優(yōu)化。

5)在對(duì)丹東市沖淤情況進(jìn)行計(jì)算分析基礎(chǔ)上，結(jié)合泥沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)丹東市河床進(jìn)行變形定量預(yù)測研究。

因此，與以往單一的物理模型與數(shù)學(xué)模型相比，采用洪水演進(jìn)模型并結(jié)合數(shù)字流域技術(shù)，能夠?qū)Φ|市洪水演進(jìn)實(shí)時(shí)情況進(jìn)行仿真模擬。比如，對(duì)丹東市水位變化過程線以及流速流量變化和瞬時(shí)等深相、流場圖等進(jìn)行仿真分析[8]。一直以來，我國各地區(qū)在洪水預(yù)報(bào)過程中，都采用GIS技術(shù)進(jìn)行信息收集與監(jiān)測。但是，基于二維平面的GIS技術(shù)，主要采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫對(duì)實(shí)體幾何關(guān)系進(jìn)行管理，故傳統(tǒng)水文預(yù)報(bào)過程中，三維技術(shù)功能非常有限，無法對(duì)丹東市的地形坡度和坡向以及洪水流向等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行演進(jìn)模擬等。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，文章大范圍采用三維場景仿真技術(shù)，并將其應(yīng)用于丹東市防洪水文預(yù)報(bào)過程中，通過對(duì)當(dāng)?shù)亓饔騼?nèi)的洪水進(jìn)行真實(shí)預(yù)演，同時(shí)采用仿真技術(shù)將最終的信息預(yù)報(bào)結(jié)果真實(shí)重現(xiàn)，以此通過洪水演進(jìn)仿真系統(tǒng)為，丹東市防洪輔助決策提供智力和信息支持[9]。

該信息仿真系統(tǒng)是基于三維流域的地形虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)。通過對(duì)傳統(tǒng)二維洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型的相關(guān)信息進(jìn)行匯總，然后在此基礎(chǔ)上，按照先后順序，科學(xué)創(chuàng)建丹東市洪水表面層，以此科學(xué)全面反映河流流速及水深和水流方向等相關(guān)動(dòng)態(tài)化信息等。與此同時(shí)，通過對(duì)丹東市地形景觀及三維流域地形信息等進(jìn)行疊加和顯示演進(jìn)，以此展示河域水流的逼真變動(dòng)效果，最終對(duì)當(dāng)?shù)胤篮樘峁Q策支持[10]。

4 結(jié) 語

綜上可知，遼寧省丹東市受天氣以及地形影響，年降水量分布基本由西南向東北遞減增，因此經(jīng)常引發(fā)洪水災(zāi)害。而水文預(yù)報(bào)由于能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)該地區(qū)未來一段時(shí)間內(nèi)流域洪水變化情況。因此，使洪水在到來之前，通過準(zhǔn)確監(jiān)測、預(yù)報(bào)，及時(shí)將可能遭受洪災(zāi)影響的設(shè)備及物質(zhì)和人口等轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域。故從防洪減災(zāi)效果來看，水文預(yù)報(bào)技術(shù)作為一種現(xiàn)代防洪非工程措施，能夠結(jié)合丹東市不同地段以及河域的洪水特點(diǎn)，制定科學(xué)的防洪預(yù)報(bào)技術(shù)方案。文章通過詳細(xì)介紹水文預(yù)報(bào)技術(shù)在丹東防洪中的實(shí)際應(yīng)用情況，最終提出了具有發(fā)展性、繼承性的自動(dòng)化解決方案。因此，該集成化信息系統(tǒng)妥善解決了丹東市在以往防洪減災(zāi)過程中存在的信息發(fā)布不及時(shí)及信息預(yù)報(bào)有誤等問題。

[1]米熱，古麗，& 麥麥提.地下水污染現(xiàn)狀調(diào)查及處理.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2013(11)，35-37.

[2]孫寧.城市水資源污染治理與環(huán)境保護(hù)芻議[J].水利技術(shù)監(jiān)督,2016，24(01),45-46.

[3]嚴(yán)登華，何巖，王浩，等.生態(tài)水文過程對(duì)水環(huán)境影響研究述評(píng)[J].水科學(xué)進(jìn)展，2005(05)：747-752.

[4]高素麗.遼河流域河道生態(tài)工程建設(shè)方案[J].水土保持應(yīng)用技術(shù)，2011(06)：35-38.

[5]李學(xué)森.凌河流域水資源現(xiàn)狀及保護(hù)措施[J].水土保持應(yīng)用技術(shù)，2015(03)：36-37.

[6]劉莉.水文生態(tài)安全法律保障研究[D].西安：長安大學(xué)，2014.

[7]張建云，宋曉猛，王國慶，等.變化環(huán)境下城市水文學(xué)的發(fā)展與挑戰(zhàn)——城市水文效應(yīng)[J].水科學(xué)進(jìn)展，2014(04)：594-605.

[8]金云杰.凌河流域人工濕地對(duì)水環(huán)境質(zhì)量影響分析評(píng)價(jià)[J].水土保持應(yīng)用技術(shù)，2015(05)：27-28.

[9]何鵬.南水北調(diào)東線工程受水區(qū)水環(huán)境累積影響評(píng)價(jià)[D].石家莊：河北工程大學(xué)，2012.

[10]羅蔚.變化環(huán)境下鄱陽湖典型濕地生態(tài)水文過程及其調(diào)控對(duì)策研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2014.

1007-7596(2016)12-0028-04

2016-11-20

李杰(1968-)，女，遼寧丹東人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗乃Y源。

P338

B