石漫灘水庫洪水預報程序設計

李 敏，賈 璐，孟鵬程

（1.河南省陸渾水庫管理局，河南 洛陽 471000；2.嵩縣紀律檢查委員會，河南 嵩縣 471400）

0 引言

隨著經濟社會的發(fā)展，水庫在防洪抗旱中的地位和作用越來越突出。如何最大限度地發(fā)揮水庫的防洪及興利效益，是水庫管理單位必須高度重視的一項基本技術工作。

水庫洪水預報調度系統(tǒng)是水庫防洪措施中重要的非工程措施之一，它綜合遙感遙測技術、空間技術、地理信息技術、計算機技術及現(xiàn)代通信技術，采用衛(wèi)星云圖接收、雷達測雨及數(shù)值天氣預報等技術手段，對水庫控制流域內的水情信息進行科學的計算、分析。該系統(tǒng)可為水庫防洪決策提供準確的雨水情信息，為水庫采取有效防洪措施爭取時間，是提高水庫防洪減災能力和水庫綜合經濟效益的有效措施之一［1］。

1998年是石漫灘水庫復建竣工后投入運用的第一年，這一年汛期相繼發(fā)生了4次較大的暴雨洪水，其后的2000年、2013年、2018年汛期也多次發(fā)生較大的暴雨洪水，在石漫灘水庫科學預報、適時攔蓄調節(jié)下，下游河道未出現(xiàn)險情，每次均減少直接洪災損失數(shù)千萬元。在多次迎戰(zhàn)洪水的過程中，尤其是面對降水歷時短、強度大、雨量大的暴雨洪水時，洪水預報的重要性顯得愈加突出。充分利用現(xiàn)代的數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡通訊、數(shù)據(jù)庫和計算機技術，及時實現(xiàn)降雨和洪水的提前、準確預報，是確保石漫灘水庫實現(xiàn)防洪減災、發(fā)揮社會效益的基本保障。因此，建立一套基于降雨信息處理、分析及產、匯流計算的洪水預報系統(tǒng)是石漫灘水庫科學防汛的必要條件，而良好的洪水預報程序設計則是保障該系統(tǒng)發(fā)揮作用的核心環(huán)節(jié)。

1 石漫灘水庫概況

1.1 庫工程概況

石漫灘水庫位于河南省平頂山市所轄舞鋼市境內，始建于1951年，是新中國成立后國家在淮河流域上游建成的第一座大型水庫，控制流域面積為230km2，總庫容為1.2 m3，是一座以防洪為主，兼顧工業(yè)供水、農田灌溉、水產養(yǎng)殖、旅游等綜合利用的大（Ⅱ）型水利工程。

石漫灘水庫大壩位于淮河上游洪河支流滾河上游，由兩岸非溢流壩及中間溢流壩段組成。主壩為全斷面碾壓混凝土壩，壩長為132m，設13孔泄洪閘，閘門為弧形閘門，寬8m、高6m，閘底高程為105m，最大泄洪量為3927m3／s。壩頂高程為112.5 ，防浪墻高為1.2 ，墻頂高程為113.7 。

1975年8月，石漫灘水庫遭遇歷史上罕見的特大暴雨，致使洪水漫壩潰決失事。1998年1月復建工程完成，并投入運用。復建后的石漫灘水庫防洪標準為百年一遇設計，千年一遇校核，主要防護滾河楊莊以下至五溝營區(qū)間的農田、工程設施及群眾的生命財產安全。

1.2 庫在淮河防洪體系中的作用

石漫灘水庫主河道長29.6 m，坡降為4.27 ，多年平均徑流量為8400萬m3，源短流急，極易形成洪澇災害。石漫灘水庫的建設提高了下游河道的防洪能力，減輕了滯洪區(qū)的負擔，減小了洪水對下游城鎮(zhèn)居民生命財產安全和重要設施的威脅，發(fā)揮了較大的防汛減災效益，有力地促進了水庫周邊地區(qū)經濟社會的全面、協(xié)調和可持續(xù)發(fā)展。

1.3 庫防洪調度運用原則

水漫灘水庫壩址位于豫西丘陵和豫東平原的過渡地帶，是河南省主要暴雨集中區(qū)之一，且降雨多集中在每年的6～9月。水庫控制流域為低山丘陵區(qū)，下游河道狹窄，且有京廣鐵路、107國道、京珠高速公路、主干光纜等重要設施和多座縣城，防洪位置十分重要。按照河南省防汛抗旱總指揮部辦公室批復的關于石漫灘水庫汛期調度運用計劃，石漫灘水庫汛期防洪調度運用原則是指導水庫防洪調度的基本原則，主要內容如下：（1）當庫水位低于汛限水位時，不泄洪；（2）當庫水位達到汛限水位后，控制下泄流量100m3／s；（3）當庫水位達到五年一遇洪水位時，控制下泄流量500m3／s；（4）當庫水位達到二十年一遇洪水位時，溢流壩閘門全開泄洪。

2 洪水預報模型及參數(shù)確定

2.1 水預報模型

單元面積分級單位線法產、匯流預報模型在我國中部地區(qū)較為適用，河南省大多數(shù)水庫均采用此模型。其做法是：將水庫控制流域劃分為若干個單元面積，降雨以后，各單元面積的出口斷面處都將產生相應的徑流過程。從各單元出口斷面開始進行河道匯流計算，一直演進至流域出口斷面，求得各單元在流域出口處的流量過程線。將各單元流量過程線進行線性疊加，得出流域出流（入庫洪水）過程線［2-3］。

在對石漫灘水庫流域進行深入分析的基礎上，根據(jù)石漫灘水庫管理局提供的《石漫灘水庫防洪調度手冊》（二〇〇九年三月），針對單元面積分級單位線法產、匯流預報模型應用所要求的地理、氣象、水文等環(huán)境條件，對比、分析石漫灘水庫流域多方面的現(xiàn)實情況，對石漫灘水庫流域歷年的水文特征和典型洪水進行了深入研究，確定了石漫灘水庫流域的單元面積分級單位線產、匯流預報模型及其相關參數(shù)，編制了石漫灘水庫洪水預報程序［4-5］。程序設計所需的庫水位～庫容關系曲線、庫水位～泄量關系曲線、調度運用計劃等均依據(jù)《石漫灘水庫防洪調度手冊》（二〇〇九年三月）。

2.2 元面積劃分

由于石漫灘水庫控制流域面積較小，為230km2，且沒有較大匯流河道，因此，將全流域作為一個單元。即降雨產流后直接匯入水庫，無河道匯流過程。

2.3 期影響雨量（Pa）計算

在流域產流計算中，流域土壤的干濕狀況對降雨產生徑流的多少影響很大。因此，要高度重視流域降雨前土壤含水量即前期影響雨量（Pa）的計算。在石漫灘水庫控制流域內，共設有7個雨量觀測站，用于收集水庫控制流域的降雨信息，即時段雨量。該雨量的報訊時間間隔為10min，雨量數(shù)據(jù)自動傳入水庫機房的數(shù)據(jù)庫服務器。程序采用預報模型的雨量時段長為1h，前期影響雨量（Pa）采用7個雨量站日雨量的算術平均值計算。

前期影響雨量按45d計算，最大初損值Im=120 mm，各月K值可按表1選取。

表1 計算前期影響雨量時K取值表Tab.1 Values of K when calculating the early affected rainfall

2.4 雨量計算

根據(jù)《石漫灘水庫防洪調度手冊》中提供的資料，數(shù)字化后的降雨量與徑流深（凈雨量）關系如表2所示，時段凈雨量采用二次直線插值計算。

2.5 流計算

系統(tǒng)會根據(jù)時段凈雨量自動選擇相應的單位線，并進行同時段疊加，得出流域出流（入庫洪水）過程線。單元面積分級單位線（10mm）如表3所示。

表3 單元面積分級單位線Tab.3 Unit line of unit area classification

3 洪水預報程序設計

3.1 序設計環(huán)境

Visual Basic是Microsoft公司開發(fā)的一種通用的基于對象的程序設計語言，以結構化、模塊化、面向對象、包含協(xié)助開發(fā)環(huán)境的事件驅動為機制的可視化程序設計語言。Visual Basic2015是微軟公司VB.NET編程語言的較新版本，是Visual Studio 2015環(huán)境支持的數(shù)種語言之一。Visual Basic2015具有通用性、易用性、可視化和高效率等較多的優(yōu)勢，其中最主要的是其易用性和高速度。利用該語言可以輕松、快捷地編寫Windows Forms、WPF Windows、Web、WPF Browser等應用程序，以及移動設備應用程序和Web服務［6］。

系統(tǒng)選用Microsoft Visual Basic2015應用程序開發(fā)工具開發(fā)設計有關用戶操作、應用界面，數(shù)據(jù)庫開發(fā)選用Microsoft SQL Server2016數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)程序運行環(huán)境為Windows7及以上操作系統(tǒng)的多媒體計算機。

3.2 序設計

在完善需求分析、明確目標要求、運用靈活算法的基礎上，緊扣預報模型結構及相關參數(shù)，完成了程序編碼以及多目標、有針對性的系統(tǒng)運行測試和代碼修改，達到了洪水預報精準、快速、自動化的較高要求。本程序采用對象式程序設計，不具有較為復雜的層次性結構，面向對象的模塊化設計，更增強了該程序的可維護性、復用性及可擴展性［7］。

本程序實現(xiàn)了以下主要功能：（1）前期影響的自動延續(xù)計算；（2）自動讀取降水量及人工置數(shù)（修正）；（3）不同時間段的靈活調整預報；（4）洪水預報過程與實時洪水過程的對比、分析；（5）預報洪水過程的表格與圖形的展示和輸出。

4 結語

洪水預報是水庫防汛、搶險、救災工作中的重要環(huán)節(jié)。精準、高效的進行洪水預報是提前做好各項防洪準備措施的基本保障。洪水預報系統(tǒng)的正常運行能夠為防洪搶險爭取更多的分析、決策、實施時間，能夠為水庫及下游河道防洪決策提供及時、準確的重要參考依據(jù)。水庫管理單位應當高度重視洪水預報系統(tǒng)的高標準建設。

水庫洪水預報程序設計應深入了解水庫控制流域的自然環(huán)境，準確掌握歷史洪水的形成特點，選擇科學合理的預報模型，做好現(xiàn)實環(huán)境下的需求分析。程序設計應滿足直觀、簡便、易用的要求，能夠靈活實現(xiàn)歷史、實時、預報等不同降雨條件下的洪水預報，預報的洪水過程應能夠準確輸出并及時存儲，以作為領導決策的科學依據(jù)。