石漫灘水庫洪水預報程序設(shè)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(jīng)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(shù)工作。

水庫洪水預報調(diào)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(shù)、空間技術(shù)、地理信息技術(shù)、計算機技術(shù)及現(xiàn)代通信技術(shù)，采用衛(wèi)星云圖接收、雷達測雨及數(shù)值天氣預報等技術(shù)手段，對水庫控制流域內(nèi)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(jīng)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(diào)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(luò)通訊、數(shù)據(jù)庫和計算機技術(shù)，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(chǎn)、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(shè)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(nèi)，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(nóng)田灌溉、水產(chǎn)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(shè)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(shè)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(nóng)田、工程設(shè)施及群眾的生命財產(chǎn)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(shè)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(chǎn)安全和重要設(shè)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(jīng)濟社會的全面、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。

1.3 庫防洪調(diào)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(shè)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(guān)于石漫灘水庫汛期調(diào)度運用計劃，石漫灘水庫汛期防洪調(diào)度運用原則是指導水庫防洪調(diào)度的基本原則，主要內(nèi)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(chǎn)、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(chǎn)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(chǔ)上，根據(jù)石漫灘水庫管理局提供的《石漫灘水庫防洪調(diào)度手冊》（二〇〇九年三月），針對單元面積分級單位線法產(chǎn)、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(chǎn)、匯流預報模型及其相關(guān)參數(shù)，編制了石漫灘水庫洪水預報程序［4-5］。程序設(shè)計所需的庫水位～庫容關(guān)系曲線、庫水位～泄量關(guān)系曲線、調(diào)度運用計劃等均依據(jù)《石漫灘水庫防洪調(diào)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(chǎn)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(chǎn)流計算中，流域土壤的干濕狀況對降雨產(chǎn)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(nèi)，共設(shè)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(wù)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(shù)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(diào)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(guān)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(shè)計

3.1 序設(shè)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(shè)計語言，以結(jié)構(gòu)化、模塊化、面向?qū)ο?、包含協(xié)助開發(fā)環(huán)境的事件驅(qū)動為機制的可視化程序設(shè)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(shè)備應用程序和Web服務(wù)［6］。

系統(tǒng)選用Microsoft Visual Basic2015應用程序開發(fā)工具開發(fā)設(shè)計有關(guān)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(shè)計

在完善需求分析、明確目標要求、運用靈活算法的基礎(chǔ)上，緊扣預報模型結(jié)構(gòu)及相關(guān)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(shè)計，不具有較為復雜的層次性結(jié)構(gòu)，面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)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?qū)崿F(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(diào)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(jié)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(shè)。

水庫洪水預報程序設(shè)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(shè)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(lǐng)導決策的科學依據(jù)。