大凌河流域水文氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用分析

冀連華

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

暴雨是引發(fā)洪澇災(zāi)害的“罪魁禍?zhǔn)住?。近年來，因暴雨?dǎo)致的區(qū)域間接和直接經(jīng)濟(jì)損失已達(dá)數(shù)百億元。據(jù)不完全資料統(tǒng)計(jì)，僅遼寧省朝陽市境內(nèi)就有大凌河、小凌河、青龍河、老哈河等多條河流，大大小小的河流集水總面積已超過19 777 km2；多年平均地面徑流量可達(dá)13.22億 m3。其中，流域面積在100 km2以上的河流就有將近70條，總長度可達(dá)2 560 km。另外，該研究區(qū)境內(nèi)還分布有大面積的水庫、湖泊等，都需要依靠先進(jìn)的水文氣象預(yù)警系統(tǒng)展開數(shù)據(jù)資料監(jiān)測、分析，以保障地區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展穩(wěn)定、安全[1]。在此背景下，本文將基于我國逐步完善的水文氣象預(yù)警技術(shù)，為了充分適應(yīng)遼寧省朝陽市“十三五”時(shí)期經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展需求，通過構(gòu)建以GIS技術(shù)為支撐的先進(jìn)水文氣象預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)，以此對朝陽市境內(nèi)流域、水文氣象、定量降水、洪水情況展開監(jiān)測、估算與預(yù)報(bào)和預(yù)警。

1 縣域概況

朝陽市別稱“龍城”，其位于遼寧省西部，東與遼寧省中部工業(yè)城市群相連，西與京、津、冀經(jīng)濟(jì)圈接壤，南與秦皇島相臨，北同內(nèi)蒙古腹地相依，地理位置優(yōu)越，被國務(wù)院評為“全國優(yōu)秀旅游城市”。截止到目前，朝陽市共轄2市、2縣、1個(gè)自治縣，且代管2個(gè)縣級市。該區(qū)域丘陵起伏，土地類型多樣，在北溫帶大陸性季風(fēng)氣候影響下，四季分明，雨熱同期，光照充足，全年降水量較少，約450～580 mm。大凌河作為朝陽市最大的河流之一，流經(jīng)長度約為226.7 km，流域面積2.35萬 km2，流域內(nèi)年降水量為450～600 mm。近年來，大凌河流域水質(zhì)污染現(xiàn)象日益嚴(yán)重，水中的BOD5、COD和揮發(fā)酚等均超過三級地面水標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響了境內(nèi)水生態(tài)系統(tǒng)平衡[1]。

2 水文氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 預(yù)報(bào)系統(tǒng)總體構(gòu)建方案及基本原理

本系統(tǒng)旨在基于GIS技術(shù)，采用先進(jìn)的水文氣象預(yù)報(bào)、預(yù)警技術(shù)平臺(tái)，對朝陽市境內(nèi)河流、氣象和降水、洪水等相關(guān)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析，以對該市自然災(zāi)害防范提供決策依據(jù)[2]。系統(tǒng)建成后，可通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，對該研究區(qū)內(nèi)流域水文氣象綜合信息進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)報(bào)與查詢。系統(tǒng)主要基于B/C/S三層技術(shù)架構(gòu)，通過C/S系統(tǒng)進(jìn)行總體邏輯設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對研究區(qū)內(nèi)流域、降水等進(jìn)行定量估算和定性描述；同時(shí)，基于中尺度數(shù)值模式，對研究區(qū)洪水、水文、水情等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合處理。

在此基礎(chǔ)上，采用B/S架構(gòu)模式，實(shí)現(xiàn)對水文氣象資料信息的實(shí)時(shí)顯示與發(fā)布。在本系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計(jì)過程中，主要基于“先進(jìn)、實(shí)用、開放、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范與可擴(kuò)展、可兼容”幾大基本原則，使平臺(tái)服務(wù)器能夠在Microsoft Window XP操作系統(tǒng)中穩(wěn)定運(yùn)行。本系統(tǒng)網(wǎng)頁平臺(tái)制作采用工具Asp.Net 4.0，采用C#語言編程，Microsoft SQL Sever為網(wǎng)頁數(shù)據(jù)庫平臺(tái)。通過ODBC與后臺(tái)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，系統(tǒng)WEB服務(wù)器為Microsoft IIS 5.0，采用IE瀏覽器可訪問系統(tǒng)客戶端。

2.2 預(yù)報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行具體技術(shù)流程

朝陽市大凌河流域水文氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)施主要技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 朝陽市大凌河流域水文氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)施流程

如圖1所示，本系統(tǒng)首先在C/S層面，通過量站監(jiān)測、雷達(dá)探測和模式預(yù)報(bào)三個(gè)環(huán)節(jié)，對朝陽市境內(nèi)大凌河及相關(guān)附屬河流流域中的實(shí)際情況和降水資料信息進(jìn)行獲取，以此結(jié)合數(shù)據(jù)監(jiān)測分析結(jié)果，制作水文氣象圖形產(chǎn)品文件。與此同時(shí)，需將其正確轉(zhuǎn)換為水文氣象資料模型所需的各種文件格式，并將其準(zhǔn)確輸入到該水文系統(tǒng)模型中，從而對朝陽市大凌河流域相關(guān)水文氣象和大氣資料進(jìn)行預(yù)報(bào)監(jiān)測及預(yù)警；最終，通過系統(tǒng)平臺(tái)B/S層面中的網(wǎng)頁，對相關(guān)預(yù)報(bào)、預(yù)警信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)發(fā)布[3]。

3 預(yù)報(bào)系統(tǒng)基本功能介紹

朝陽市大凌河流域水文氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)構(gòu)建的主要目標(biāo)，在于為本研究區(qū)水文氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)、預(yù)警提供一種實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)與先進(jìn)的雷達(dá)探測技術(shù)、雨量站監(jiān)測技術(shù)和中尺度水文效應(yīng)預(yù)報(bào)模式，從而讓用戶通過流域水文氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)，基于Internet對研究區(qū)目標(biāo)范圍內(nèi)相關(guān)水文氣象數(shù)據(jù)資料進(jìn)行預(yù)測、瀏覽及查詢[4]。所以，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)宗旨是一切為了用戶，推動(dòng)朝陽市區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，以水文氣象管理規(guī)范為準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)以下幾大基本功能：

(1) 用戶信息資料管理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與平臺(tái)構(gòu)建的主要服務(wù)對象是用戶。因此，用戶操作行為是否合理，將直接決定系統(tǒng)能否長效、科學(xué)與安全運(yùn)行。故本系統(tǒng)首先在功能方面加強(qiáng)了對用戶信息安全和保密管理，通過對用戶登錄和進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行授權(quán)，讓用戶登錄時(shí)通過用戶名和密碼驗(yàn)證，調(diào)取系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的特征信息量后方可通過驗(yàn)證；然后由系統(tǒng)管理員對用戶類型進(jìn)行判斷，結(jié)合用戶身份為其提供不同的操作權(quán)限，讓用戶以系統(tǒng)操作為核心，進(jìn)行流域數(shù)據(jù)資料管理、屬性查詢和流域名稱、代碼查詢、增減、描述與輸入輸出，然后將相關(guān)操作信息記錄上傳存儲(chǔ)至系統(tǒng)服務(wù)器中的流域管理屬性列表中，以供其它用戶調(diào)用。

(2) 大凌河流域概況分析。此功能模塊的主要作用是通過系統(tǒng)圖形展示和文字描述，以此為用戶清晰展示大凌河流域內(nèi)的地理地形和相關(guān)水文氣象數(shù)據(jù)信息資料等。

(3) 大凌河流域內(nèi)大氣降水實(shí)況監(jiān)測。該功能模塊的核心功能，是通過區(qū)域加密站和國家自動(dòng)氣象站及水文站等相關(guān)數(shù)據(jù)資料，以實(shí)現(xiàn)對大凌河流域內(nèi)每小時(shí)、12 h內(nèi)及24 h內(nèi)相關(guān)降水實(shí)況進(jìn)行全方位、動(dòng)態(tài)監(jiān)測[5]。

(4) 基于雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)，對大凌河流域內(nèi)降水情況進(jìn)行估算。此功能模塊的主要作用，在于采用雷達(dá)通信技術(shù)對研究區(qū)內(nèi)降水情況進(jìn)行監(jiān)測、顯示及采用雷達(dá)預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的SWAN模塊，對研究區(qū)內(nèi)實(shí)時(shí)降水量進(jìn)行估算和顯示。

(5) 流域內(nèi)降水預(yù)報(bào)分析。本功能模塊的主要作用，在于通過WRF模式和T639模式及AREM三種不同模式，對研究區(qū)內(nèi)降雨情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測與預(yù)報(bào)，以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)研究區(qū)流域內(nèi)1 h、3 h和6 h及12 h和24 h內(nèi)的實(shí)時(shí)降水情況進(jìn)行顯示。

(6) 研究區(qū)流域內(nèi)水文實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)與預(yù)警。此模塊的主要作用是分別通過中尺度暴雨預(yù)報(bào)技術(shù)和自動(dòng)雨量站、雷達(dá)估算技術(shù)，對流域內(nèi)高時(shí)空分辨率的降水監(jiān)測預(yù)報(bào)信息進(jìn)行預(yù)報(bào)，并對風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)警。

(7) 流域內(nèi)水文數(shù)據(jù)監(jiān)測。此模塊的主要功能在于對大凌河流域內(nèi)水位和水量信息實(shí)時(shí)顯示，并對水位進(jìn)行預(yù)警，同時(shí)向用戶提供日數(shù)據(jù)查詢功能[6]。

4 預(yù)報(bào)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)與具體應(yīng)用成果轉(zhuǎn)化

結(jié)合上述基本功能目標(biāo)，在朝陽市大凌河流域水文氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用過程中，考慮到朝陽市大凌河流域是一個(gè)以河流為主線、以分水嶺為邊界的特殊區(qū)域。所以，流域不同，其面積和分水嶺及水系發(fā)育狀況、具體形狀、方向等相關(guān)屬性信息也不同。

(1) 以大凌河流域?yàn)楸尘暗乃臍庀筚Y料信息預(yù)報(bào)，主要工作就是對大凌河流域內(nèi)分水嶺和水系等基本信息資料進(jìn)行提取及處理[7]。

(2) 基于DEM水文分析模型，采用GIS地理信息技術(shù)和雷達(dá)監(jiān)測通信技術(shù)，對研究區(qū)試驗(yàn)流域邊界進(jìn)行劃分，以此獲取目標(biāo)流域內(nèi)相關(guān)水文氣象信息資料[8]。

(3) 結(jié)合大凌河流域?qū)嶋H水系進(jìn)行數(shù)據(jù)校核，最終確定流域內(nèi)水域和地名等信息資料。

(4)對收集和提取的相關(guān)信息數(shù)據(jù)、資料進(jìn)行數(shù)字化處理和描述。如圖2所示分別為水文氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)下，大凌河流域水文氣象預(yù)報(bào)圖及GIS地理信息技術(shù)和雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)下生成的大凌河流域源頭保護(hù)區(qū)水源綜合治理保護(hù)三維效果圖。

圖2 GIS地理信息和雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)下大凌河流域源頭保護(hù)區(qū)水源綜合保護(hù)效果圖

如圖2所示，大凌河流域內(nèi)的水文區(qū)域被劃分為一類、二類、三類和四類及五類、劣五類六個(gè)不同區(qū)域，由此通過不同顏色可以看出，大凌河流域源頭水文、水質(zhì)等存在風(fēng)險(xiǎn)的程度。通過預(yù)警、預(yù)報(bào)，可及時(shí)對源頭水源進(jìn)行保護(hù)和治理[9]。

5 結(jié)語

綜上可知，朝陽市大凌河流域水文氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)在本研究區(qū)內(nèi)水文氣象、定量降水、洪水情況監(jiān)測、估算與預(yù)報(bào)和預(yù)警方面發(fā)揮了重要作用。本文通過構(gòu)建朝陽市大凌河流域水文氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)，以朝陽市研究區(qū)基本水文、氣候和降水等一般資料為基礎(chǔ)，基于GIS技術(shù)、中尺度數(shù)值模式和雷達(dá)監(jiān)測通信技術(shù)，對本研究區(qū)目標(biāo)流域內(nèi)水文氣象信息資料進(jìn)行分析、監(jiān)測，最終結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以WEB形式實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、及時(shí)、全面對朝陽市大凌河流域內(nèi)實(shí)況降水、預(yù)報(bào)降水和水庫、河流水位進(jìn)行預(yù)警及預(yù)報(bào)，且通過高分辨率的降水信息，實(shí)現(xiàn)了洪水入庫過程監(jiān)測。與此同時(shí)，采用本系統(tǒng)對2016年朝陽市大凌河流域水庫和水壩等進(jìn)行汛期監(jiān)測與預(yù)報(bào)服務(wù)，取得了良好的服務(wù)應(yīng)用成效。

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