浙東沿海城市洪水預(yù)報(bào)模型建設(shè)研究

盧 克

(浙江水利水電學(xué)院 信息工程與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，浙江 杭州 310018)

浙東沿海城市洪水預(yù)報(bào)模型建設(shè)研究

盧 克

(浙江水利水電學(xué)院 信息工程與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，浙江 杭州 310018)

隨著水利信息化的推進(jìn)和城市防洪減災(zāi)要求的提高，精準(zhǔn)洪水預(yù)報(bào)需求越來(lái)越迫切.根據(jù)浙東沿海城市洪水發(fā)生的特點(diǎn)，提出建設(shè)洪水預(yù)報(bào)模型的一些技術(shù)要求，包括分布式水文模型選型、數(shù)據(jù)需求、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用流程；同時(shí)指出該地區(qū)在開展先期試點(diǎn)研究工作時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，選擇適宜的分布式模型，根據(jù)參數(shù)要求進(jìn)行前期的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)工作，為后期模型系統(tǒng)開發(fā)運(yùn)行和率定打下基礎(chǔ)，為洪水精確預(yù)報(bào)提供有效的技術(shù)保障.

浙東沿海城市；洪水預(yù)報(bào)；分布式水文模型

我國(guó)多數(shù)區(qū)域極易發(fā)生洪澇災(zāi)害，造成人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失，如何做好防洪治澇工作，減少災(zāi)害損失是各地區(qū)當(dāng)前防災(zāi)減災(zāi)的重點(diǎn)任務(wù).利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和水文學(xué)知識(shí)來(lái)建立區(qū)域雨洪和排澇模型，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同量級(jí)外洪及內(nèi)澇形成的水位、淹沒范圍、水深、流速流量以及淹沒持續(xù)時(shí)間，能提前進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)或暴雨致洪預(yù)警，并為科學(xué)地制定防洪排澇方案提供技術(shù)依據(jù)和決策支持，災(zāi)后還能進(jìn)行損失評(píng)估.洪水預(yù)報(bào)模型建設(shè)是當(dāng)前防汛減災(zāi)的重要研究方向.

浙東沿海區(qū)域在暴雨、臺(tái)風(fēng)天氣下，容易發(fā)生外洪與內(nèi)澇并存的現(xiàn)象.由于受到外江高洪水位的影響，內(nèi)澇難以排出，若碰上天文大潮，極易形成洪水倒灌，造成內(nèi)河漫頂，形成更嚴(yán)重的內(nèi)澇，往往存在外洪、內(nèi)澇、大潮“三碰頭”的情況.另外，該地區(qū)具有小流域特征、暴漲暴落、非蓄滿產(chǎn)流等特點(diǎn).因此，在建設(shè)洪水預(yù)報(bào)模型時(shí)，應(yīng)該將降水、地面產(chǎn)匯流、管網(wǎng)匯流和河網(wǎng)匯流等過(guò)程進(jìn)行綜合考慮，并根據(jù)暴雨強(qiáng)度、區(qū)域地形、城市外江水位和潮位變化過(guò)程等情況來(lái)準(zhǔn)確模擬城市外洪和內(nèi)澇的排除過(guò)程[1].

1 洪水預(yù)報(bào)模型選擇

洪水預(yù)報(bào)是水文工作中測(cè)、報(bào)、算中的一項(xiàng)重要內(nèi)容.水文模型就是使用數(shù)學(xué)語(yǔ)言或物理模型對(duì)降雨、徑流等水文過(guò)程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行描述或比擬，并在借助必要計(jì)算工具下對(duì)水文變量進(jìn)行模擬、預(yù)測(cè)和分析[2].在其方法上可分為經(jīng)驗(yàn)和模型兩種，多年來(lái)從總體上走過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式—集總模型—分布式模型的趨勢(shì)發(fā)展.

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，分布式水文模型得到廣泛的應(yīng)用.由于分布式水文模型充分考慮空間的異質(zhì)性以及參數(shù)具有明確的物理意義，并從水循環(huán)過(guò)程的物理機(jī)制入手，將產(chǎn)匯流、土壤水運(yùn)動(dòng)、地下水運(yùn)動(dòng)及蒸發(fā)過(guò)程等聯(lián)系起來(lái)綜合研究，響應(yīng)土地利用、地形等下墊面的時(shí)空變異性，從而增強(qiáng)了水循環(huán)的空間描述能力以及提高了對(duì)洪水過(guò)程的模擬和預(yù)測(cè)能力.

沿海地區(qū)降水產(chǎn)流機(jī)制是洪水預(yù)報(bào)的核心，與常用的水文模型還有一定應(yīng)用差別，如小流域特征、暴漲暴落、非蓄滿產(chǎn)流等，在模型的開發(fā)或選擇上需要進(jìn)一步考慮.建議在經(jīng)驗(yàn)公式法、常規(guī)集總模型改進(jìn)的基礎(chǔ)上，或者相互結(jié)合等方式，分析比較分布式各種模型應(yīng)用的實(shí)際效果，作為建模的前期性工作.同時(shí)，一定要有模型選擇評(píng)估的過(guò)程，以支撐后續(xù)模型相關(guān)各項(xiàng)工作的推動(dòng)開展.開展模型選擇有關(guān)工作涉及到已有水文觀測(cè)基礎(chǔ)、預(yù)報(bào)短中長(zhǎng)期目標(biāo)、現(xiàn)有模型可用性、模型的率定運(yùn)行等必要的配套條件等.

利用模型進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)需要整合國(guó)土、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、氣象等多部門的信息，借助地理信息系統(tǒng)，通過(guò)龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)水文預(yù)報(bào)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性、可靠性等要求.常用分布式模型[3](見表1).

表1 常用分布式水文模型

2 分布式水文模型的數(shù)據(jù)需求

浙東沿海城市所在的區(qū)域情況較為特殊，在構(gòu)建適宜其特征的分布式水文模型需要多個(gè)參數(shù)確定的相關(guān)配套數(shù)據(jù)支撐及模型驗(yàn)證來(lái)提高模擬精度，因此需要有大量的基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行支撐，要做好前期的準(zhǔn)備和積累.模型主要支撐數(shù)據(jù)包括：

(1)基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)

高精度的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，簡(jiǎn)稱DEM)，是分布式水文模型計(jì)算的基礎(chǔ)，其分辨率的高低直接影響模型運(yùn)算結(jié)果的精度[4].基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)可從建設(shè)和測(cè)繪等部門獲得.有條件的區(qū)域建議使用1 ∶500或1 ∶1 000比例尺地形圖生成DEM.

(2)排水系統(tǒng)數(shù)據(jù)

排水系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要包括河道、水庫(kù)山塘、溝渠、地下排水管網(wǎng)等數(shù)據(jù)，可從建設(shè)、農(nóng)業(yè)、水利和測(cè)繪等部門獲得.該數(shù)據(jù)獲得為精確計(jì)算管網(wǎng)匯流過(guò)程和河網(wǎng)匯流過(guò)程提供了基礎(chǔ).

(3)土地利用數(shù)據(jù)

土地利用數(shù)據(jù)包含流域內(nèi)林地、農(nóng)作地、城鎮(zhèn)等矢量信息，可從國(guó)土、林業(yè)、農(nóng)業(yè)等獲得.土地利用的變化信息可以從規(guī)劃部門獲得.另外，可以利用衛(wèi)星遙感影像或無(wú)人機(jī)航拍等方式來(lái)對(duì)土地利用變化信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)更新反饋.

(4)土壤類型

土壤類型、各個(gè)土壤類型的空間矢量分布圖需要收集的數(shù)據(jù)包括土壤名稱、土壤層數(shù)、根系深度和表層到底層土壤深度，一般可以通過(guò)《土壤志》并結(jié)合實(shí)地調(diào)查與監(jiān)測(cè)獲得.

(5)氣象數(shù)據(jù)

流域范圍內(nèi)各氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)主要包括流域的降水(逐日或逐時(shí)降雨強(qiáng)度)、氣溫(最高、最低和日平均氣溫)、相對(duì)濕度和太陽(yáng)輻射等數(shù)據(jù)，以及各站點(diǎn)位置，可從氣象和水利部分獲得.建議一個(gè)小流域根據(jù)大小，至少有兩個(gè)以上的雨量站.

(6)水文資料

水文資料，用于模型率定和驗(yàn)證的流域內(nèi)相關(guān)斷面的逐日水位(或流量)過(guò)程.建議一個(gè)小流域至少要有一個(gè)水位站，監(jiān)測(cè)項(xiàng)包括逐日水位、洪水發(fā)生時(shí)的實(shí)時(shí)水位過(guò)程；此外，對(duì)于重點(diǎn)流域，以及較大和重點(diǎn)區(qū)域的水系，建議有條件進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)，特別是洪水發(fā)生時(shí)的實(shí)時(shí)流量過(guò)程.外排水閘的開關(guān)閘信息，以及閘前和外海水位自動(dòng)監(jiān)測(cè).從洪水預(yù)報(bào)的角度，重點(diǎn)數(shù)據(jù)是洪水發(fā)生時(shí)的實(shí)時(shí)過(guò)程信息.

分布式水文模型種類較多，根據(jù)所選擇的類型，可能還需要其他類型的參數(shù)信息，建議盡早專題研究，做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和積累[5].

由于人工觀測(cè)水文數(shù)據(jù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且時(shí)間間隔精度有限；因此，各地在推進(jìn)水利信息化時(shí)，建議應(yīng)先期開展自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)工作，為后期的模型應(yīng)用提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)內(nèi)容(見表2).

表2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)內(nèi)容

3 模型構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)

(1)GIS技術(shù)

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡(jiǎn)稱GIS)是在計(jì)算機(jī)軟、硬件支持下，對(duì)地理空間和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析和顯示的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[6].GIS是一門綜合性學(xué)科，與分布式水文模型結(jié)合，能夠?yàn)槠涮峁?qiáng)大的數(shù)據(jù)管理、查詢、計(jì)算分析等能力，促進(jìn)模型的發(fā)展和進(jìn)步.由于分布式水文模型參與運(yùn)算的各參數(shù)都帶有空間位置信息，因此GIS在分布式水文建模的空間數(shù)據(jù)管理、水文特征提取、模型水文參數(shù)獲取、計(jì)算分析與結(jié)果可視化等多個(gè)方面揮著重要作用[7].

(2)模型系統(tǒng)開發(fā)

模型系統(tǒng)開發(fā)工作主要表現(xiàn)在空間數(shù)據(jù)查詢處理分析、模擬過(guò)程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可視化展示與結(jié)果應(yīng)用等方面.模型結(jié)構(gòu)方面，“組件式模型庫(kù)系統(tǒng)”的思想極大地方便了模型的應(yīng)用和推廣，這種模型系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)針對(duì)具體的問題耦合相應(yīng)的模塊，對(duì)水文循環(huán)過(guò)程或其中一個(gè)環(huán)節(jié)采取不同的處理手段.開發(fā)可視化的管理系統(tǒng)可以提高模型的交互性和易用性，組件技術(shù)已經(jīng)成為開發(fā)高效、交互式桌面程序和B/S程序的最好選擇，并且有許多集成開發(fā)工具供選擇.根據(jù)水文模型與GIS的集成程度可以分為松散耦合、緊密耦合和完全集成3種.大多數(shù)模型都是松散耦合的，如VIC、MIKE-SHE、SWAT、PDTank等，而在集成開發(fā)環(huán)境(如VisualStutio.NET等)上采用組件式GIS開發(fā)GIS功能及水文模塊才能實(shí)現(xiàn)完全集成，這種方式有利于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、數(shù)據(jù)傳遞和提高執(zhí)行效率，是分布式水文模型和GIS集成發(fā)展的方向[8].

4 模型應(yīng)用流程

模型應(yīng)用流程主要包括模型結(jié)構(gòu)確定、提取模型參數(shù)及運(yùn)行、率定模型等過(guò)程.

(1)模型結(jié)構(gòu)確定

根據(jù)浙東沿海地區(qū)的水文過(guò)程特征、洪水預(yù)報(bào)的需求和數(shù)據(jù)資料收集情況，確定參與模擬的子過(guò)程主要包括：降水、截留、入滲、填洼、河道匯流、管網(wǎng)匯流、蒸散發(fā)、滲漏、壤中流、地下水和融雪等.

選擇各子過(guò)程合適的算法：很多子過(guò)程都具有多個(gè)不同的實(shí)現(xiàn)算法，應(yīng)根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)、數(shù)據(jù)特征和時(shí)空尺度等條件為子過(guò)程選擇適用的算法.

(2)模型參數(shù)提取

具有明確物理含義的參數(shù)一般都可根據(jù)下墊面數(shù)據(jù)(如DEM、排水系統(tǒng)、土地利用、土壤類型等)提取.參數(shù)提取是一個(gè)較復(fù)雜的過(guò)程，需要模型開發(fā)人員具備較高的數(shù)據(jù)預(yù)處理加工能力、工作流方法和技術(shù)以及軟件綜合使用等方面的要求，后期開發(fā)的模型軟件系統(tǒng)應(yīng)針對(duì)該過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化和易用性處理.

(3)模型運(yùn)行和率定

模型的計(jì)算單元(又稱為水文單元)可根據(jù)資料的收集情況進(jìn)行確定(包括類型和分辨率兩個(gè)方面)，如規(guī)則網(wǎng)格、坡面單元、地貌單元或子流域等.入滲、填洼、截留、滲漏、蒸發(fā)等水文過(guò)程發(fā)生在獨(dú)立的各個(gè)水文單元，而坡面匯流、壤中流、河道與管網(wǎng)匯流等水文過(guò)程則需要按照上下游關(guān)系由多個(gè)水文單元共同參與運(yùn)算.通常需通過(guò)數(shù)值方法求解偏微分方程，與傳統(tǒng)的集總式模型相比，模型計(jì)算量更大，運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)[9].

為了提高模型運(yùn)算結(jié)果的正確率，一般采用自動(dòng)率定方式進(jìn)行.通過(guò)自動(dòng)不斷迭代修正參數(shù)的方式在一定程度上降低了用戶參數(shù)率定的難度，是為一種高效的方式.當(dāng)前較流行的方法主要包括：遺傳算法、模擬退火、粒子群算法、SCE-UA算法、NSGAII算法等[10].由于自動(dòng)率定在迭代過(guò)程中需不斷調(diào)用模型，且模型一次運(yùn)算量就已很大，導(dǎo)致自動(dòng)參數(shù)率定的運(yùn)行量巨大，容易造成運(yùn)行效率低下的問題.因此在水文單元多、時(shí)空尺度精度高、待率定參數(shù)數(shù)量大的情況下，應(yīng)加大對(duì)分布式水文模型軟件系統(tǒng)的運(yùn)算性能的關(guān)注，采用云計(jì)算方式來(lái)提升運(yùn)算效能.

5 結(jié) 語(yǔ)

構(gòu)建適宜區(qū)域特征的分布式水文模型是探索和認(rèn)識(shí)復(fù)雜水文循環(huán)過(guò)程與機(jī)理的有效手段，是解決當(dāng)前水文領(lǐng)域進(jìn)行洪水精確預(yù)報(bào)的有效工具.從國(guó)家層面和各地區(qū)開展情況來(lái)看，分布式水文模型建設(shè)目前還處于前期探索階段，離大面積推廣應(yīng)用還有一個(gè)相對(duì)漫長(zhǎng)的過(guò)程.浙東沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，且飽受洪水災(zāi)害之苦，隨著水利信息化的推進(jìn)和洪水預(yù)報(bào)需求的迫切，可以開展先期試點(diǎn)研究工作.該地區(qū)水利部門應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，選擇適宜的分布式模型，根據(jù)參數(shù)要求進(jìn)行前期的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)工作，為后期模型系統(tǒng)開發(fā)運(yùn)行和率定打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).隨著該區(qū)域試點(diǎn)工作的不斷推進(jìn)和應(yīng)用水平的逐步提高，將推動(dòng)洪水預(yù)報(bào)模型技術(shù)的發(fā)展，為防洪決策提供有效的技術(shù)保障.

[1] 鐘力云.基于GIS的城市洪澇模型研究[D].杭州:浙江大學(xué)，2006.

[2] 焦學(xué)軍.基于高分辨率DEM的小流域分布式水文模擬[D].鄭州:河南大學(xué)，2008.

[3] 江凈超，朱阿興，秦承志，等.分布式水文模型軟件系統(tǒng)研究綜述.地理科學(xué)進(jìn)展，2014，33(8):1090-1100.

[4] 徐宗學(xué)，程 磊.分布式水文模型研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].水利學(xué)報(bào)，2010，41(9)：1009-1017.

[5] 郭藝歌.基于GIS的小流域產(chǎn)流計(jì)算方法研究[D].武漢:華中科技大學(xué)，2005.

[6] 陳 鵬，孫瀅悅，張立峰，等.基于GIS的城市洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及時(shí)空演變.南水北調(diào)與水利科技，2014，12(3):170-175.

[7] 賈仰文，王 浩，倪廣恒，等.分布式流域水文模型原理與實(shí)踐[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

[8] 張金存，芮孝芳.分布式水文模型構(gòu)建理論與方法述評(píng)[J].水科學(xué)進(jìn)展，2007，18(2)：286-292.

[9] 朱雪芹，潘世兵，張建立.流域水文模型和GIS集成技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J].地理與地理信息科學(xué)，2003，19(3)：10-13.

[10] 丁 飛.SWAT模型小尺度流域模擬的適宜性研究[D].南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

OnFloodForecastingModelforCoastalCitiesinEasternZhejiang

LU Ke

(College of Information Engineering and Art Design,Zhejiang University of Water Resources and Electric Power,Hangzhou 310018,China)

Due to the information construction of water conservancy and the requirements of urban flood control and disaster reduction,the demand for accurate flood forecasting is becoming more and more urgent. According to the flood characteristics in coastal cities in eastern Zhejiang,some of the technical requirements and suggestions in the construction of flood forecasting model are given,including distributed hydrological model selection,data requirement,key technology and application process. It is pointed out that the appropriate distributed model should be chosen according to the actual situation in the pilot study,and the data preparation and automatic monitoring network construction should be carried out according to the requirement of the parameters.

coastal cities in eastern Zhejiang; flood forecasting; distributed hydrological model

2016-03-09

2014年度浙江省水利廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(RC1453)

盧 克(1982-)，男，浙江瑞安人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)樗畔⒒瘧?yīng)用.

TV147

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1008-536X(2016)10-0039-04