金華站預報方案建模及洪水預報系統(tǒng)研制

元曉華，王 浩

(浙江省水文局，浙江杭州 310009)

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金華站預報方案建模及洪水預報系統(tǒng)研制

元曉華，王 浩

(浙江省水文局，浙江杭州 310009)

摘要隨著人類活動的加劇，金華江流域下墊面情況發(fā)生了很大變化，原有預報方案很難反映金華站洪水規(guī)律。從這一點出發(fā)，重新制定金華站洪水預報方案，將重要水利工程考慮到方案中，并在資料選取、預報根據(jù)站選擇，以及參數(shù)率定的過程中充分論證，采用合理的方法消除資料不足、面雨量計算及土壤初值等誤差因素對方案的干擾，取得了較為滿意的效果。最后，采用組態(tài)化的免編程技術，建設金華站洪水預報系統(tǒng)，提高金華站洪水預報服務能力。

關鍵詞預報方案；洪水預報系統(tǒng)；誤差；組態(tài)化；金華站

金華站控制金華江5 953 km2的流域面積，距離蘭江只有25 km，其水量監(jiān)測及洪水預報在金華江、蘭江乃至整個錢塘江的防洪工作中均占據(jù)著舉足輕重的位置。20世紀90年代，金華江流域曾構建洪水預報方案和研制洪水預報系統(tǒng)。然而，隨著近年來人類活動的加劇，金華江流域內新增了許多水利工程，土地利用情況也發(fā)生了較大的變化，原有洪水預報方案已很難反映金華站洪水規(guī)律。同時，新操作系統(tǒng)和新數(shù)據(jù)平臺更新速度加快，原有孤島化預報系統(tǒng)也已經很難滿足當前信息化系統(tǒng)搭建環(huán)境的需求。因此，修訂金華站洪水預報方案，搭建新的洪水預報系統(tǒng)平臺十分必要。

1洪水影響因子分析

金華流域為盆地地形，三面環(huán)山，區(qū)域內熱量豐富，氣流抬升，遇高山地形容易形成地形雨。特殊的地理位置，全年有2個明顯的雨季：4～6月的春雨梅汛期為主要降水季節(jié)；8～9月有時受臺風影響的臺汛期，區(qū)域產流明顯。流域內已建大型水庫2座(橫錦水庫、南江水庫)、中型水庫11座，其蓄放水對金華站洪水過程產生影響。單庫影響可能不足為患，但必須考慮其遭遇組合的影響。流域內攔河工程較多，因庫容普遍不大，且多在河道流量達到一定級別時泄水保壩，因此對小洪水影響較大，對大洪水的洪峰影響不大。

2方案建模

2.1方案輸入綜上，金華洪水預報方案建?？紤]的模型輸入主要有3種：第1種，將金華站以上有閘門控制的7座大中型水庫的出庫流量作為模型輸入之一。除楊溪水庫外，其余6座中型水庫在浙江省防汛防治抗旱指揮部辦公室下達的報汛任務書中有明確人工拍報閘門啟閉數(shù)據(jù)及其他水文要素的任務，并且通過人工數(shù)據(jù)融合至數(shù)據(jù)中心，可在實時預報中獲取水庫報汛流量數(shù)據(jù)。水庫泄流發(fā)生在河道里，為河道匯流，此次建模以MSK河道分段連續(xù)演算法[1]模擬水庫泄流匯流。

第2種，剔除7座大中型水庫面積，至金華水文站之間的區(qū)域(4 874.6 km2)稱為“金華區(qū)間”，以下簡稱“區(qū)間”。區(qū)間形成的洪水由新安江三水源產匯流模型[2]以區(qū)間降雨為輸入來模擬計算。選取流域面上分布均勻且能控制各主要支流的22個資料站作為預報根據(jù)站(圖1)，這樣，各資料站控制流域面積相差不會太大，能在很大程度上消減面雨量計算誤差對方案造成的干擾。

第3種，金華站大斷面相對較為穩(wěn)定，自20世紀80年代至今，約有4次較大的變化。2004年至今，水位流量關系曲線相對穩(wěn)定，在2007年有一次比較明顯的變化。

圖1　區(qū)間預報根據(jù)站分布Fig.1　Distribution of interval prediction station

2.2方案輸出金華站為河道水文站，防汛工作往往更關注水位情況。此次方案建模采用先預報流量，再通過Z—Q曲線轉換成水位的方式預報金華站水位，因此，方案輸出結果有2個：水位和流量。而流量由7個大中型水庫泄流經河道匯流演算，與區(qū)間降雨產匯流流量線性疊加組成。

2.3歷史洪水篩選為減少參數(shù)率定的不確定因素，在水庫放水資料相對齊全的年份中挑選洪水，消除水庫蓄放水對方案造成的水量誤差，從而影響洪峰。從原始報文查找出庫流量更具考證價值，可判斷數(shù)據(jù)庫中沒有泄流數(shù)據(jù)是因為沒有報汛還是沒有放水。目前，共收集到2007年以來共9年的原始報文。結合防汛實際需求，金華站水位接近或達到警戒水位34.67 m時，需要密切關注天氣狀況及水雨情信息，做好預報工作。因此，選取金華站2007年以來發(fā)生接近或超過警戒水位的洪水作為參數(shù)率定的依據(jù)，共16場，其中15場洪水用于參數(shù)率定，最后一場用于檢驗。

3參數(shù)率定及精度評定

3.1參數(shù)率定為了消除土壤含水量初值的影響，主要采用復式洪水(有2個或2個以上的洪峰，且第1個洪峰能保證流域蓄滿)率定參數(shù)，因為第1場洪水流域蓄滿后，第2場洪水的模擬精度便不再受土壤初值的影響。

金華水文站為河道站，河道防洪關注的是洪峰而非洪量，加之上游水利工程較多，影響金華站洪水過程形狀。因此，參數(shù)率定過程中主要考慮洪峰及峰現(xiàn)時間的精度。洪水模擬效果舉例見圖2，模擬精度見表1。

圖2　金華站洪水模擬結果Fig.2　Flood simulation results of Jinhua Station

洪號HonghaoQp,實測m3/sQp,計算m3/s相對誤差Relativeerror∥%Zp,實測mZp,計算m絕對誤差Absoluteerror水位許可誤差Waterlevelpermissionerror峰時誤差Peaktimeerror峰時許可誤差Peaktimepermissibleerror合格否Qualifiedornot2007091914601440.2-1.434.0033.96-0.040.570-15.7合格 2007100930403067.20.935.3435.350.010.388-25.4合格 2008061021302100.9-1.434.3634.31-0.050.64825.1合格 2010030722501950.8-13.334.4634.14-0.320.038-45.4不合格2010041222602049.7-11.534.4734.25-0.220.69208.4合格 2011062036503851.33.135.9036.070.170.822-25.1合格 ??????????合格

注：共15場歷史洪水，1場不合格，合格率93.3%。

Note：There were in all 15 floods，and one flood was unqualified.Thus，the qualified rate was 93.3%.

3.2精度評定從金華站歷史洪水模擬結果來看，當金華站實測流量在1 500 m3/s以上時，洪水過程平滑，而當實測流量在1 000 m3/s及以下時，洪水過程常常會有突變。根據(jù)有歷史水文資料的中型水庫放水規(guī)律分析和常規(guī)中小型水利工程的控制運行計劃分析，金華江上幾百個流量級別的洪水，主要以蓄為主，當洪水級別到1 000 m3/s及以上時，中小型水利工程以放水為主，容易導致多個中小型水庫集中放水造峰，此時，洪水實測洪峰通常偏高；而當洪峰流量在3 000、4 000 m3/s左右時，洪水模擬精度較高，這種洪水多發(fā)生在連續(xù)陰雨的梅雨主汛期，證明水利工程對大洪水影響較小。

從表1可知，金華站15場歷史洪水，14場合格，合格率為93.3%。根據(jù)《水文情報預報規(guī)范》GB/T 22482—2008，金華洪水預報方案為甲級精度。洪號20100307洪水不合格主要是洪量不平衡，該場洪水各預報根據(jù)站雨量整編資料齊全，最可能的原因就是沒有掌握到部分水庫的泄流數(shù)據(jù)。經分析，3月份浙江省還未進入汛期，部分水庫還未開始報汛，該場洪水基本只有源口、橫錦、南江3座水庫在拍報出庫流量。

以洪號20140820洪水來檢驗參數(shù)，模擬精度如下：Qp，實測為4 180 m3/s，Qp，計算為4 256.2 m3/s，相對誤差1.8%，Zp，實測為36.49 m，Zp，計算為36.40 m，絕對誤差-0.09，水位許可誤差0.442，峰時誤差1，峰時許可誤差3.6。由此表明，金華站方案參數(shù)通過檢驗，方案合理，可用于實時作業(yè)預報。

4洪水預報系統(tǒng)

當前信息化技術發(fā)展日新月異，新操作系統(tǒng)和新數(shù)據(jù)平臺更新速度加快，防洪工作對信息共享提出了更高的要求，以往的孤島化預報系統(tǒng)已難以滿足防汛實際需求。因此，采用模型組態(tài)化的免編程技術、以C/S和B/S相結合的方式建

立金華站洪水預報系統(tǒng)，系統(tǒng)結構見圖3。預報模型子系統(tǒng)是C/S方式運行的軟件系統(tǒng)，與WEB洪水預報子系統(tǒng)緊密相連。預報模型子系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)中心搭建，所編輯管理的預報模型、方案都在數(shù)據(jù)中心進行管理，其成果直接應用于WEB洪水預報子系統(tǒng)，并不需額外的數(shù)據(jù)交換過程。

圖3　系統(tǒng)結構Fig.3　Diagram of system structure

預報模型子系統(tǒng)集成了種類繁多的水文模型，主要分2類：允許用戶自主編輯的腳本計算模型，以及用程序定制好的模型，如輸入、輸出等。這些水文模型被模塊化，做成像工具零部件一樣的成品，方案由各模塊組合而成，使方案構建更靈活，不但可快速搭建方案，且有多種方法可供選擇。

在模型組態(tài)化的基礎上，金華站洪水預報系統(tǒng)集成了斷面管理、模型管理、方案管理、歷史洪水模擬、接入未來降雨的實時洪水預測、自動洪水預報、預報結果管理、歷史數(shù)據(jù)維護等功能，能夠滿足根據(jù)未來天氣形勢和當前水雨情勢做洪水預測和分析的防汛實際需求。

5結語

金華水文站受上游眾多水利工程蓄放水影響，方案參數(shù)率定存在很大的不確定性。經分析，攔河工程及小型水庫、山塘主要影響流量級別在1 000 m3/s左右的洪水，對流量級別在3 000、4 000 m3/s左右的大洪水不會產生影響。無閘門控制的中型水庫因水庫蓄滿才會溢流，具有一定的規(guī)律性；有閘門控制的大中型水庫根據(jù)調度規(guī)則或者調令開閘泄洪，泄流能力大且泄流時間不確定。該研究抓住主要影響因子，將流域內具有閘門控制的大中型水庫作為方案輸入項之一，并嚴謹?shù)貜脑紙笪目甲C出庫流量的可靠性，對金華站洪水預報方案參數(shù)率定的合理性起到了至關重要的作用。

金華區(qū)間集雨面積4 874.6 km2，若預報根據(jù)站網布設不合理，將會影響區(qū)間面雨量的計算，給洪水預報帶來大的誤差。該研究采用分散性三水源新安江模型模擬金華區(qū)間產匯流，即考慮降水和下墊面條件的不均勻分布，將流域分成22個單元(每個預報根據(jù)站代表1個單元)，對每個單元進行產匯流計算，在流域出口處做線性疊加。22個預報根據(jù)站為區(qū)間內分布均勻的、控制各主要支流具有長系列資料的國家基本雨量站，這樣即使各雨量站等權重，也不會帶來很大的誤差。采用免編程技術、以C/S和B/S相結合的方式建立金華站洪水預報系統(tǒng)，方案構建便捷、靈活，大大提升了金華站洪水預報服務能力。系統(tǒng)功能強大，能夠滿足防汛工作對洪水預測分析的實際需求。

參考文獻

[1] 華東水利學院.中國濕潤地區(qū)洪水預報方法[M].北京：水利水電出版社，1978:74-84.

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基金項目浙江省中小河流監(jiān)測系統(tǒng)建設項目(中央投資，浙發(fā)改函[2012]358號)。

作者簡介元曉華(1981- )，女，吉林集安人，工程師，碩士，從事水文學及水資源研究。

收稿日期2016-05-12

中圖分類號S 27

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)16-254-02

Modeling and Development of Flood Forecasting System of Jinhua Station

YUAN Xiao-hua, WANG Hao

(Hydrological Bureau of Zhejiang Province, Hangzhou, Zhejiang 310009)

AbstractAs Jinhua river basin has been greatly changed by human activities, the original forecast scheme is difficult to reflect the flood law of Jinhua Station. From this point, the flood forecasting scheme of Jinhua station is re-established by taking into account the major water project. With a full analysis and demonstration, a reasonable approach was used in data selection, rainfall station selection, and calibration to avoid error influence of insufficient data, areal rainfall calculation and initial moisture content of soil on scheme; the results were satisfactory. At last, the flood forecasting system of Jinhua Station was built by using configurable technology, which could improve the flood forecasting service ability of Jinhua Station.

Key wordsForecast scheme; Flood forecast system; Error; Configuration; Jinhua Station