基于小流域洪水預(yù)警體系布設(shè)研究

李麗娜， 謝 靖， 盛思遠(yuǎn)

(1.連云港市通榆河北延送水工程管理處， 江蘇 連云港 222000；2.連云港市水利規(guī)劃辦公室， 江蘇 連云港 222000)

洪水是當(dāng)今自然界對(duì)人類的主要威脅之一。洪澇災(zāi)害已成為中國(guó)高頻發(fā)和高死亡率的自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅了國(guó)民生命財(cái)產(chǎn)安全和水安全，是中國(guó)防汛減災(zāi)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題[1]。作為防洪減災(zāi)的重要依據(jù)，洪水預(yù)報(bào)預(yù)警起著巨大的作用。對(duì)于實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，希望能以最少的站網(wǎng)來滿足洪水預(yù)報(bào)的精度要求。雨量站網(wǎng)密度和站址選擇直接影響洪水預(yù)報(bào)精度，而洪水預(yù)報(bào)方法又影響站網(wǎng)的確定，兩者間的關(guān)系為洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)站網(wǎng)確定所重視[2]。因此，建全一套完善的洪水預(yù)警體系，應(yīng)合理科學(xué)規(guī)劃水雨情監(jiān)測(cè)站和視頻監(jiān)測(cè)站布局，采用技術(shù)手段使洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)自動(dòng)采集，提供豐富信息，提升預(yù)報(bào)水平和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)修正能力。

為加快補(bǔ)齊短板，提升防汛抗洪和防災(zāi)減災(zāi)能力，2017年5月，水利部、國(guó)家發(fā)展改革委、財(cái)政部組織編制了《加快災(zāi)后水利薄弱環(huán)節(jié)建設(shè)實(shí)施方案》(以下簡(jiǎn)稱《實(shí)施方案》)，其中一項(xiàng)重要建設(shè)內(nèi)容是開展農(nóng)村基層防汛預(yù)報(bào)預(yù)警體系建設(shè)，力爭(zhēng)到“十三五”末基本完成?！秾?shí)施方案》安排了江蘇省75個(gè)縣(市、區(qū))農(nóng)村基層防汛預(yù)報(bào)預(yù)警體系建設(shè)項(xiàng)目，明確了江蘇省的投資規(guī)模和具體項(xiàng)目。本文以連云港市海州區(qū)農(nóng)村基層防汛預(yù)報(bào)預(yù)警體系建設(shè)項(xiàng)目為背景，以連云港市海州區(qū)為研究區(qū)域，研究水雨情監(jiān)測(cè)站網(wǎng)優(yōu)化布設(shè)方案。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

連云港市市區(qū)現(xiàn)由海州區(qū)、連云區(qū)和贛榆區(qū)組成，海州區(qū)為主城區(qū)。海州區(qū)地處江蘇省東北部，位于連云港市中部，南與灌云縣接壤，北與贛榆區(qū)相連，東靠連云區(qū)，西與東海縣毗鄰。地處北緯34°25′45″～34°35′13″，東經(jīng) 119°4′17″～119°13′10″，居淮河流域沂沭泗水系的下游。海州區(qū)地形以平原為主，約占總面積的80%。境內(nèi)地勢(shì)低平，平原高山齊觀，河湖丘陵、灘涂俱備，平均海拔為5 m。

1.2 氣象水文概況

氣候條件優(yōu)越，屬暖溫帶南緣濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候區(qū)，處于暖溫帶和北亞熱帶過渡地帶，受海洋調(diào)節(jié)，四季分明，氣候溫和，光照充足，雨量較豐，雨熱同期。常年平均氣溫14 ℃，最冷月平均氣溫零下0.2 ℃，最熱月平均氣溫27 ℃，冬季基本上無凍土層。春季氣溫回升較快。年平均降水量900.9 mm，主要集中在夏季，占年降水量的60%～65%。年平均日照時(shí)數(shù)2 530.8 h，年平均無霜期216 d，全年大于0℃的日照時(shí)數(shù)1 600 h以上。

1.3 水系分布概況

海州區(qū)地處南北氣候過渡地段，位于淮河流域沂沭泗水系最下游，處在江水北調(diào)和江淮水供給的最末端。沂沭地區(qū)的主要排洪河道新沭河等均從區(qū)內(nèi)入海，故有“洪水走廊”之稱。境內(nèi)河網(wǎng)稠密，水庫(kù)眾多，水利工程體系龐大。有在冊(cè)小型水庫(kù)8座(二澗水庫(kù)、園林水庫(kù)、雙龍水庫(kù)、王莊水庫(kù)、張莊水庫(kù)、鳳凰山水庫(kù)、當(dāng)路水庫(kù)、大村水庫(kù))，重點(diǎn)塘壩11座；流域性河道2條(新沭河和通榆河)，區(qū)域性河道4條(沭新河、薔薇河、古泊善后河、鹽河)，地方性骨干河道6條；小型涵閘80余座，小型排灌站12座，主要河道堤防151 km；水資源總量5.3億m3，利用率40%，人均水資源占有量1 600 m3。

2 布設(shè)方案

海州區(qū)實(shí)施農(nóng)村基層防汛預(yù)報(bào)預(yù)警體系項(xiàng)目，包含基層實(shí)際的水雨情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，建立群測(cè)群防體系，使基層防汛預(yù)報(bào)預(yù)警體系基本覆蓋有防洪排澇任務(wù)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。針對(duì)海州區(qū)地形地貌及水利特征，劃分海州區(qū)低洼易澇區(qū)、外洪侵襲區(qū)，調(diào)查人口分布、水文氣象、地形地貌、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、歷史洪澇災(zāi)害、涉水工程、危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)劃分、預(yù)警指標(biāo)以及洪澇災(zāi)害防治現(xiàn)狀等基礎(chǔ)信息，為洪澇災(zāi)害預(yù)警體系水雨情站網(wǎng)布設(shè)提供科學(xué)、全面、詳細(xì)的信息支撐。

2.1 布設(shè)情況

海州區(qū)水雨情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)堅(jiān)持以人為本的原則，以保護(hù)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，保護(hù)人口密集區(qū)，保護(hù)機(jī)關(guān)和企事業(yè)單位作為重點(diǎn)；堅(jiān)持滿足洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)、預(yù)警要求的原則；堅(jiān)持站網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化組合的原則。站網(wǎng)布設(shè)時(shí)，充分調(diào)查和分析了區(qū)境內(nèi)主要河流歷史洪澇災(zāi)害的發(fā)生情況，自然環(huán)境的演變情況和當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展情況，對(duì)重點(diǎn)工作區(qū)進(jìn)行了危險(xiǎn)度劃分，對(duì)分布在洪澇災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的人口居住密度以及學(xué)校、機(jī)關(guān)、企業(yè)的分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)；同時(shí)考慮區(qū)內(nèi)和對(duì)外通信、交通等運(yùn)行管理維護(hù)條件，對(duì)建設(shè)站網(wǎng)的條件進(jìn)行綜合評(píng)估和分析，擇優(yōu)選址。

水雨情站點(diǎn)布設(shè)時(shí)應(yīng)考慮不同流域面積、洪澇災(zāi)害影響程度、影響范圍和保護(hù)范圍重要程度等實(shí)際情況因地制宜確定。在低洼易澇區(qū)設(shè)置自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位站。布設(shè)地點(diǎn)將考慮預(yù)警時(shí)效、影響區(qū)域、控制范圍等因素綜合確定，并考慮通信、交通等運(yùn)行管理維護(hù)條件。已有的自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位站應(yīng)納入本系統(tǒng)站網(wǎng)，其監(jiān)測(cè)信息應(yīng)進(jìn)入縣級(jí)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)。對(duì)海州區(qū)通榆河、新沭河等主要流域基本資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)該區(qū)域雨量站網(wǎng)布設(shè)進(jìn)行評(píng)價(jià)，災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)內(nèi)防洪能力較弱且分布有大量村莊、人口較為密集的區(qū)域，需增設(shè)測(cè)站提高預(yù)警能力。各河流基本情況如表1所示。

上述結(jié)果表明，目前海州區(qū)已有水雨情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)13個(gè)和視頻監(jiān)測(cè)站點(diǎn)14個(gè)，覆蓋密度較低，海州區(qū)防汛部門不能實(shí)時(shí)獲取到完全的水雨情監(jiān)測(cè)信息。本文將采用回歸分析法[3-4]建立預(yù)測(cè)模型來研究防汛預(yù)測(cè)體系布設(shè)方案。

2.2 水雨情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)相關(guān)性分析

水雨情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)通常根據(jù)人口密度和監(jiān)控站監(jiān)控有效面積分析各站點(diǎn)的控制覆蓋率，然后對(duì)各個(gè)水雨情監(jiān)測(cè)控制站點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)性分析。利用SPSS 21軟件分別進(jìn)行海州區(qū)各水雨情站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲線擬合(線性、對(duì)數(shù)、二次、復(fù)合、冪)函數(shù)分析，得出水情監(jiān)測(cè)人均利用率和水情監(jiān)測(cè)覆蓋率具有一定相關(guān)性，本研究探索以水情監(jiān)測(cè)覆蓋率為自變量，進(jìn)行二者的相關(guān)性研究。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS軟件計(jì)算得判定系數(shù)(R2)和估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差(Se)值。分析上述測(cè)站的函數(shù)降雨特性的相關(guān)性(表2)?？傮w而言，冪函數(shù)的(R2=0.891)數(shù)值相關(guān)性最好，因此為保證洪水預(yù)警體系計(jì)算需求，選擇冪函數(shù)方程為增設(shè)站點(diǎn)預(yù)測(cè)方程。

表1 海州區(qū)主要流域水雨情和視頻監(jiān)測(cè)站點(diǎn)情況

表2 水雨情監(jiān)測(cè)站回歸函數(shù)擬合度評(píng)估結(jié)果

2.3 視頻監(jiān)測(cè)站點(diǎn)相關(guān)性分析

海州區(qū)目前已有14處重點(diǎn)水利工程實(shí)現(xiàn)工程視頻監(jiān)測(cè)。根據(jù)已有視頻站點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)覆蓋范圍為海州區(qū)易導(dǎo)致洪澇災(zāi)害的重點(diǎn)水庫(kù)、重點(diǎn)河流和危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果見表3。

經(jīng)過分析得出需求視頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)判定系數(shù)(R2)和估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差(Se)值，二次函數(shù)判定系數(shù)(R2=0.818)最趨近于1，因此基本實(shí)現(xiàn)對(duì)海州區(qū)洪澇災(zāi)害頻發(fā)、人口密集的城區(qū)、重點(diǎn)場(chǎng)鎮(zhèn)以及水庫(kù)、河道、水閘、泵站、行蓄洪區(qū)、圩口、險(xiǎn)工險(xiǎn)段等重要防洪位置的全覆蓋的視頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型方程為二次函數(shù)。

2.4 小流域預(yù)警系統(tǒng)布設(shè)

中小流域洪水預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)旨在基于GIS技術(shù)開發(fā)出三維的可視化的便捷洪水預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)[5]。海州區(qū)水雨情監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)擬引入3G通信與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)作為主要技術(shù)支撐，采用穩(wěn)定成熟的技術(shù)和GIS技術(shù)，在預(yù)警方面能實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)查詢預(yù)警指標(biāo)，人口及城鎮(zhèn)的分布，淹沒范圍的顯示，進(jìn)行網(wǎng)格化預(yù)警管理，發(fā)布預(yù)警信息等。水雨情數(shù)據(jù)通過GPRS方式發(fā)送到連云港市水情分中心，連云港市水情分中心通過水雨情數(shù)據(jù)交換平臺(tái)同步到海州區(qū)防辦水文實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)庫(kù)，然后再傳遞到省防辦，實(shí)現(xiàn)四級(jí)聯(lián)動(dòng)機(jī)制。海州區(qū)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)數(shù)據(jù)流見圖1。

需建設(shè)完善的海州區(qū)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)軟硬件、數(shù)據(jù)庫(kù)、防汛視頻會(huì)商等，實(shí)現(xiàn)水雨情及視頻數(shù)據(jù)接入，動(dòng)態(tài)分析生成預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息發(fā)布、響應(yīng)、跟蹤、反饋等。分析各監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)得出：應(yīng)在海州區(qū)建立1個(gè)區(qū)級(jí)綜合廣播預(yù)警平臺(tái)，建立6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)預(yù)警平臺(tái)，在26個(gè)低洼村各建設(shè)1套村預(yù)警接收系統(tǒng)(共26個(gè))，在131個(gè)村委會(huì)各建立1套人工預(yù)警設(shè)備(每村1套)。實(shí)現(xiàn)省、市、區(qū)、鎮(zhèn)四級(jí)防汛預(yù)警聯(lián)動(dòng)，及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)險(xiǎn)情，從而進(jìn)行科學(xué)調(diào)度指揮[6]。

表3 視頻監(jiān)測(cè)站回歸函數(shù)擬合度評(píng)估結(jié)果

圖1 海州區(qū)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)數(shù)據(jù)流圖

3 結(jié) 語

本文基于對(duì)小流域預(yù)警系統(tǒng)布設(shè)的需求，以連云港市海州區(qū)為例，對(duì)該地現(xiàn)有水雨情監(jiān)測(cè)站和視頻監(jiān)測(cè)站進(jìn)行合理性分析和優(yōu)化布設(shè)研究，并將其研究結(jié)果與預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，對(duì)于水雨情監(jiān)測(cè)、預(yù)警監(jiān)測(cè)、預(yù)警響應(yīng)的相關(guān)處理，均能在GIS上進(jìn)行可視化處理查詢，彌補(bǔ)信息化水平不足，增強(qiáng)小流域防洪抗災(zāi)能力。

通過本次對(duì)海州區(qū)水雨情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的完善，實(shí)現(xiàn)了小流域預(yù)警系統(tǒng)優(yōu)化配置和水雨情站網(wǎng)的模型預(yù)測(cè)分析的結(jié)合，使該地區(qū)今后能更快捷、準(zhǔn)確提供信息，為科學(xué)防汛調(diào)度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。