淺析城市防洪中水文預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用

賈新穎

（河北省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050021）

一、水文預(yù)報(bào)技術(shù)在城市防洪中的應(yīng)用價(jià)值

（一）實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確掌握城市防洪具體形勢(shì)

在城市防洪項(xiàng)目中，水文預(yù)報(bào)技術(shù)是在已掌握資料信息基礎(chǔ)上準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間水文變化趨勢(shì)及具體情況，以及將實(shí)況觀測(cè)結(jié)果傳送至預(yù)報(bào)中心和發(fā)布預(yù)警信息。因此，對(duì)水文預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用，可以幫助相關(guān)政府職能部門全面、準(zhǔn)確掌握當(dāng)下和未來(lái)一段時(shí)間的城市防洪形勢(shì)，獲取暴雨和地面徑流量、洪水演進(jìn)情況、斷面水面線高程等具體信息，為防洪救災(zāi)方案的制定提供明確依據(jù)，最大程度減小城市洪澇災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡。例如，根據(jù)水文預(yù)報(bào)結(jié)果，幫助救災(zāi)人員與指揮部門準(zhǔn)確掌握洪水淹沒(méi)范圍，集中力量對(duì)淹沒(méi)范圍內(nèi)的受災(zāi)人群開展救援工作。

（二）提供健全的預(yù)報(bào)服務(wù)

依托水文預(yù)報(bào)技術(shù)，逐漸在城市防洪項(xiàng)目中構(gòu)建起完善的水文預(yù)報(bào)防洪體系，體系由信息接收處理、信息檢索查詢、水情預(yù)警、水情信息資源庫(kù)等配套子系統(tǒng)加以組成，具備多元化使用功能，切實(shí)滿足了城市防洪與救災(zāi)工作的開展需要。例如，信息接收系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)處理功能，工作人員僅需預(yù)先導(dǎo)入控制方案或下達(dá)控制指令，系統(tǒng)即可基于程序運(yùn)行準(zhǔn)則從所收集海量數(shù)據(jù)中篩選出具備較高價(jià)值的原始信息，根據(jù)信息間的關(guān)聯(lián)屬性進(jìn)行分類解析處理，再將處理后的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入水情信息資源庫(kù)中對(duì)應(yīng)類別文件中歸檔保存。信息檢索查詢系統(tǒng)具備快速檢索功能，用戶僅需輸入關(guān)鍵詞，即可查閱所需信息，如特定時(shí)間段的歷史水文觀測(cè)數(shù)據(jù)與氣象資料，以及使用系統(tǒng)自帶工具來(lái)自動(dòng)生成圖表，或是導(dǎo)入電子地圖與三維信息模型中。

（三）洪水過(guò)程模擬與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

在早期開展的城市防洪工作中，受到技術(shù)水平限制，雖然可以在洪水出現(xiàn)前的一段時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)通報(bào)，粗略判斷洪水規(guī)模。但是，卻無(wú)法精準(zhǔn)預(yù)測(cè)洪水淹沒(méi)過(guò)程，由此引發(fā)防洪準(zhǔn)備工作不到位、無(wú)效救援等問(wèn)題出現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致防洪救災(zāi)方案不具備實(shí)施條件。

水文預(yù)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，可以替代人工完成大量的數(shù)據(jù)計(jì)算、分析處理等任務(wù)，準(zhǔn)確描述洪澇災(zāi)害中各項(xiàng)要素間的關(guān)系，預(yù)測(cè)洪水流量、最高水位、河網(wǎng)極限需水量等數(shù)值，準(zhǔn)確模擬不同情境下的洪水淹沒(méi)過(guò)程，這對(duì)城市防洪工作質(zhì)量及效率的提升有著重要意義。

二、水文預(yù)報(bào)技術(shù)在城市防洪中的具體應(yīng)用場(chǎng)景

（一）水文預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)采集處理

在數(shù)據(jù)采集處理場(chǎng)景中，將數(shù)據(jù)分為地形、氣象、水文三類，具體如下：第一，地形數(shù)據(jù)采集處理。使用全站儀、3D 激光掃描儀等設(shè)備或GPS 系統(tǒng)，采集山脊、坡面及地物目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)值和地形數(shù)據(jù)，從中提取DEM數(shù)據(jù)，分析坡度、溝床比降、等地形參數(shù)，計(jì)算提取水流方向、匯流累積量、集水區(qū)出水點(diǎn)等水系參數(shù)，經(jīng)過(guò)內(nèi)業(yè)處理后繪制大比例尺數(shù)字地形圖。第二，氣象數(shù)據(jù)采集處理。在測(cè)區(qū)內(nèi)設(shè)置若干處雨量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)以及氣象站點(diǎn)，在其基礎(chǔ)上形成城市水文監(jiān)測(cè)網(wǎng)，持續(xù)采集實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)，還可選擇組合應(yīng)用雷達(dá)衛(wèi)星觀測(cè)法對(duì)所獲取氣象數(shù)據(jù)加以反演處理來(lái)提高觀測(cè)精度。同時(shí)，氣象數(shù)據(jù)由氣溫、降雨兩部分?jǐn)?shù)據(jù)組成，從氣象數(shù)據(jù)中提取月平均最低/最高氣溫等參數(shù)，采取反距離加權(quán)方式進(jìn)行插值處理來(lái)生成氣溫分布圖，并使用GIS 軟件對(duì)降雨數(shù)據(jù)采取空間插值處理方法來(lái)獲取雨量分布圖。第三，水文數(shù)據(jù)采集處理。水文數(shù)據(jù)由水位、流速與流量組成，使用水尺工具與設(shè)置水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)獲取水位資料，根據(jù)斷面水位及流量二者狀態(tài)變化來(lái)判斷水位-流量關(guān)系和預(yù)測(cè)未來(lái)變化。隨后，采取電離子法、固體法或分子法等方法來(lái)測(cè)量洪水流速，以電離子法為例，在洪水中添加含導(dǎo)電離子溶液，溶液溶于水后隨洪水流動(dòng)，通過(guò)測(cè)算電子通過(guò)時(shí)間來(lái)獲取流速參數(shù)。最后，將所獲取斷面平均流速值導(dǎo)入對(duì)應(yīng)計(jì)算公式中，根據(jù)斷面平均流速和過(guò)流斷面面積二者關(guān)系來(lái)計(jì)算洪水和徑流流量值。

（二）構(gòu)建分布式水文模型

在水文預(yù)報(bào)技術(shù)體系中，對(duì)分布式水文模型的構(gòu)建，可以在模型中直觀展示城市防洪具體形勢(shì)，以及在可視化狀態(tài)下演示水位、流量、流速等參數(shù)之間的互動(dòng)反饋過(guò)程，主要包括HEC 降雨徑流模型、產(chǎn)流模擬模型以及匯流模擬模型。以HEC 降雨徑流模型為例，在軟件中導(dǎo)入降雨量、最大洪峰流量等數(shù)據(jù)，在其基礎(chǔ)上構(gòu)建松散耦合式水文模型，采取綜合單位線法或是推理公式法，在模型中以分水線為界來(lái)計(jì)算子流域的產(chǎn)流及匯流過(guò)程，最終演算至流域出口斷面處，所構(gòu)建HEC 降雨徑流模型在城市防洪工作中起到解決流量資料缺乏和提供淹沒(méi)范圍模擬數(shù)據(jù)的作用。

（三）淹沒(méi)過(guò)程計(jì)算

淹沒(méi)過(guò)程計(jì)算是水文預(yù)報(bào)技術(shù)體系中的一項(xiàng)重要應(yīng)用場(chǎng)景，依托所構(gòu)建淹沒(méi)模型來(lái)模擬洪澇災(zāi)害過(guò)程，準(zhǔn)確計(jì)算不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的水位、流速、流量、淹沒(méi)水深以及淹沒(méi)范圍，主要計(jì)算項(xiàng)目包括洪水演進(jìn)計(jì)算、淹沒(méi)水深計(jì)算和淹沒(méi)范圍計(jì)算。其中，在洪水演進(jìn)計(jì)算項(xiàng)目中，可使用圣維南演算方程或是馬斯京根演算方程，圣維南演算方程是在一維漸變非恒定流公式中導(dǎo)入平均流速與過(guò)水?dāng)嗝媪髁康葏?shù)來(lái)判斷水位-流量在不同時(shí)間下的變化關(guān)系，馬斯京根演算方程是采取建立槽蓄曲線方程與水量平衡聯(lián)立方程組的方式來(lái)演算出流過(guò)程。在淹沒(méi)水深計(jì)算項(xiàng)目中，預(yù)先構(gòu)建淹沒(méi)水深模型，將模型中高程未達(dá)到淹沒(méi)水位計(jì)算值的城市地塊劃入淹沒(méi)區(qū)進(jìn)行無(wú)源淹沒(méi)計(jì)算，或是在模型中添加水流方向、洼地連通、地形阻擋等條件進(jìn)行有源淹沒(méi)計(jì)算。而在淹沒(méi)范圍計(jì)算項(xiàng)目中，工作人員使用GeoRAS 等軟件來(lái)構(gòu)建HEC-RAS 模型，根據(jù)已掌握的洪水高程值來(lái)計(jì)算淹沒(méi)面積，基于洪水水量和總水量體積相等原理初步劃定洪水淹沒(méi)范圍。隨后，在模型中輸入斷面點(diǎn)高程與斷面位置等信息，構(gòu)建配套非恒定流模型，對(duì)DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行疊合處理來(lái)模擬具體的洪水淹沒(méi)范圍。

三、城市防洪中水文預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用措施

（一）做好汛前準(zhǔn)備工作

在城市防洪工作中，水位預(yù)報(bào)技術(shù)主要起到準(zhǔn)確反映實(shí)際城市防洪形勢(shì)、提供防洪救災(zāi)方案制定依據(jù)的參照指導(dǎo)作用，如何充分利用技術(shù)參照指導(dǎo)作用來(lái)組織開展城市防洪工作，是發(fā)揮出水位預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)有作用的關(guān)鍵。因此，在城市洪澇災(zāi)害來(lái)臨前，必須圍繞水文預(yù)報(bào)技術(shù)體系和已掌握水文氣象資料來(lái)開展汛前準(zhǔn)備工作，工作內(nèi)容包括預(yù)先性部署、防洪救災(zāi)方案制定、儀器設(shè)備準(zhǔn)備、人員就位等。例如，工作人員應(yīng)用水文預(yù)報(bào)技術(shù)，在已掌握水文氣象資料與觀測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上判斷是否存在出現(xiàn)洪澇災(zāi)害的可能性，模擬洪量過(guò)程，掌握洪澇災(zāi)害出現(xiàn)時(shí)間、淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)水位等具體信息，針對(duì)性制定城市防洪應(yīng)急預(yù)案，在洪水來(lái)臨前做好淹沒(méi)區(qū)域的受災(zāi)人員與財(cái)產(chǎn)物資轉(zhuǎn)移工作。同時(shí)，根據(jù)淹沒(méi)過(guò)程模擬結(jié)果進(jìn)行預(yù)先性部署，明確設(shè)定各城市區(qū)域中儀器設(shè)備與人員數(shù)量，切實(shí)滿足防洪救災(zāi)工作開展需求。

（二）持續(xù)提高水文預(yù)報(bào)技術(shù)水平

根據(jù)水文預(yù)報(bào)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，仍舊存在諸多技術(shù)問(wèn)題有待解決，例如，水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的水情預(yù)警流程較為復(fù)雜，水情預(yù)警通報(bào)渠道單一，在出現(xiàn)特大洪水災(zāi)害時(shí)不具備全天候?qū)崟r(shí)預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)的技術(shù)條件。因此，需要加大對(duì)水文預(yù)報(bào)技術(shù)的研究力度，積極引進(jìn)全新技術(shù)手段，以城市防洪工作開展需求作為技術(shù)發(fā)展導(dǎo)向，具體措施包括升級(jí)水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)、建立專屬數(shù)據(jù)庫(kù)、采取多元化預(yù)報(bào)方式。

首先，升級(jí)水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)功能配置結(jié)構(gòu)進(jìn)行變更調(diào)整，增加收轉(zhuǎn)報(bào)自動(dòng)專揀、水情自動(dòng)預(yù)警、城市防汛決策建議、自動(dòng)生成洪水警示地圖等功能。例如，工作人員預(yù)先在系統(tǒng)中設(shè)置水量、水位等參數(shù)的警戒閥值，在系統(tǒng)運(yùn)行期間檢測(cè)到觀測(cè)數(shù)據(jù)中所提取參數(shù)超過(guò)或臨近警戒值時(shí)，基于程序運(yùn)行準(zhǔn)則自動(dòng)發(fā)送水情報(bào)警信號(hào)，向相關(guān)部門與工作人員發(fā)送報(bào)告與所生成洪水警示地圖，以此來(lái)提高水情預(yù)警效率與強(qiáng)化應(yīng)急處置能力。

其次，在水位預(yù)報(bào)系統(tǒng)中建立區(qū)域性或全國(guó)性的專屬數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)自動(dòng)或是由人工將所獲取水文氣象資料、洪水災(zāi)害期間現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果、淹沒(méi)過(guò)程計(jì)算結(jié)果等信息數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)中，將數(shù)據(jù)庫(kù)與各地區(qū)水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)保持連接狀態(tài)。如此，可以在任何地區(qū)的終端上直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)用本地區(qū)或其他地區(qū)的歷史水文預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，在真正意義上實(shí)現(xiàn)水文情報(bào)共用目標(biāo)，獲取更高的技術(shù)效益。

最后，在水文預(yù)報(bào)技術(shù)體系中采取多元化的預(yù)報(bào)方式，包括實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)、統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)、流域預(yù)報(bào)等。以實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)為例，采取ORSEC技術(shù)手段，配置直升機(jī)、無(wú)人機(jī)等飛行器，在出現(xiàn)特大洪水災(zāi)害時(shí)前往現(xiàn)場(chǎng)對(duì)洪水情況進(jìn)行全程監(jiān)視，采集實(shí)時(shí)水文氣象資料與洪水水位、淹沒(méi)范圍、流量等參數(shù)，在新掌握信息資料基礎(chǔ)上定期重復(fù)開展淹沒(méi)過(guò)程計(jì)算工作，生成最新的洪水警示圖，以此來(lái)保證水文預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

結(jié)語(yǔ)：綜上所述，為全面提高城市防洪搶險(xiǎn)救災(zāi)工作質(zhì)量及效率，提前預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的災(zāi)害性水文現(xiàn)象并發(fā)送水情報(bào)警信號(hào)。因此，需要加大對(duì)水文預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用力度，重點(diǎn)開展汛前準(zhǔn)備工作，持續(xù)提高技術(shù)水平。唯有如此，方可快速獲取第一手水文氣象資料，為現(xiàn)代化城市防洪搶險(xiǎn)機(jī)制的建設(shè)提供技術(shù)支撐。