基于遙感大數(shù)據(jù)的安陽(yáng)河流域洪水預(yù)報(bào)技術(shù)設(shè)計(jì)

趙靜怡

（安陽(yáng)市彰武南海水庫(kù)工程管理局，河南 安陽(yáng) 455000）

1 工程概況

安陽(yáng)河流域是海河流域衛(wèi)河的第二大支流，流域全長(zhǎng)164 km，面積1 920 km2，且流域地形總體呈西高東低趨勢(shì)。安陽(yáng)河流域在2016年7月發(fā)生“7·19”特大洪水后便開始著力建設(shè)全流域山洪災(zāi)害易發(fā)區(qū)檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)以及群測(cè)群防系統(tǒng)，目前已經(jīng)基本建成覆蓋全流域的山洪災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，現(xiàn)有的安陽(yáng)河流域山洪災(zāi)害預(yù)警體系無(wú)法滿足防汛部門對(duì)于江河范圍洪水聯(lián)合調(diào)度及聯(lián)合預(yù)警方面的實(shí)際需求。以流域現(xiàn)有山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)為依托，加強(qiáng)對(duì)監(jiān)測(cè)成果的數(shù)據(jù)集成、挖掘分析，積極拓展現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，構(gòu)建起支撐江河范圍的洪水聯(lián)合調(diào)度及聯(lián)合預(yù)報(bào)技術(shù)，對(duì)于流域平穩(wěn)度汛及洪水資源合理開發(fā)利用意義重大。

2 洪水預(yù)報(bào)技術(shù)設(shè)計(jì)

技術(shù)體系設(shè)計(jì)在充分分析安陽(yáng)河流域洪水預(yù)報(bào)預(yù)警現(xiàn)狀及實(shí)際需求的前提下，提出以衛(wèi)星遙感大數(shù)據(jù)為支撐的“天-空-地”三個(gè)層位的流域洪水預(yù)報(bào)技術(shù)。在該技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合應(yīng)用GIS中的成因推理工具、產(chǎn)匯流模型以及BTOPMC分布式水文模型，集合衛(wèi)星遙感遙測(cè)技術(shù)、數(shù)字流域技術(shù)、航測(cè)技術(shù)及數(shù)字氣象、地理信心技術(shù)，構(gòu)建起以遙感大數(shù)據(jù)為依據(jù)和依托的安陽(yáng)河流域降雨預(yù)報(bào)分析、水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度、河道洪水演進(jìn)等模塊為核心的流域洪水測(cè)報(bào)模型，旨在實(shí)現(xiàn)安陽(yáng)河流域從降水、防洪分析，到調(diào)度決策及決策評(píng)估等全過程的高效管理，使流域防洪聯(lián)動(dòng)及綜合調(diào)度、會(huì)商等能力顯著提升。

2.1 技術(shù)方案

2.1.1 收集數(shù)據(jù)

應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)收集全球范圍內(nèi)氣象云圖、輻射、雷達(dá)等資料，并進(jìn)行影響數(shù)據(jù)、歷史水文、地理數(shù)據(jù)等的高精度遙感；結(jié)合流域洪水測(cè)報(bào)需求收集流域范圍內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)、河道地形地貌、水庫(kù)利庫(kù)容及水電站發(fā)電規(guī)模、灌區(qū)作物類型及灌水規(guī)模等參數(shù)；并通過具體技術(shù)手段打通流域洪水預(yù)報(bào)端與國(guó)家氣象局、天氣預(yù)報(bào)中心、氣象廳等氣象數(shù)據(jù)采集通道。

2.1.2 分析數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)清洗可采用自動(dòng)或手動(dòng)兩種方式，在數(shù)據(jù)分析前應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)格式的統(tǒng)一設(shè)置，應(yīng)用數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）生成全球水系圖，結(jié)合土地利用、地形地貌、全球影像等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)流域歷史水文數(shù)據(jù)及參數(shù)的自動(dòng)分析并校正，基于此，將從多渠道獲取的氣象水文數(shù)據(jù)融合處理，自動(dòng)生成5 km2×5 km2網(wǎng)格化數(shù)據(jù)后輸入模型，并同時(shí)修正模型參數(shù)，從而形成數(shù)據(jù)閉環(huán)，使測(cè)報(bào)精度不斷提升。

2.1.3 技術(shù)方案

安陽(yáng)河流域梯級(jí)水庫(kù)數(shù)量多、規(guī)模大，關(guān)聯(lián)范圍廣，且流域水系復(fù)雜，出于防洪調(diào)度系統(tǒng)便捷集成、靈活部署、穩(wěn)定高效運(yùn)行、維護(hù)簡(jiǎn)便等方面的考慮，以水利行業(yè)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及信息安全機(jī)制為根基，以安陽(yáng)市水利業(yè)務(wù)信息交互共享及發(fā)布為依托，構(gòu)建起兼具防洪形勢(shì)分析、防洪調(diào)度演算、調(diào)度方案管理及復(fù)查評(píng)估、防洪預(yù)案研判等功能在內(nèi)的由數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、功能層及用戶層所構(gòu)成的流域洪水測(cè)報(bào)系統(tǒng)。具體見圖1和圖2。安陽(yáng)河流域洪水測(cè)報(bào)技術(shù)模型主要采用混合云結(jié)構(gòu)，其私有云部分的作用在于采集、分析互聯(lián)網(wǎng)公共數(shù)據(jù)并進(jìn)行模型運(yùn)算、數(shù)據(jù)提煉和推送；而公共云部分則主要用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、地理信息服務(wù)和門戶網(wǎng)站托管等。

圖1 安陽(yáng)河流域洪水預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)技術(shù)框架圖

圖2 安陽(yáng)河流域洪水測(cè)報(bào)服務(wù)系統(tǒng)圖

2.2 技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

構(gòu)建的安陽(yáng)河流域洪水預(yù)報(bào)模型依托于統(tǒng)一感知和海量計(jì)算，能有效實(shí)現(xiàn)流域雨洪一體化測(cè)報(bào)，具備區(qū)域服務(wù)通用化、測(cè)報(bào)結(jié)果實(shí)用化等特征，能顯著提升流域雨洪預(yù)報(bào)的時(shí)效性與準(zhǔn)確性，對(duì)于無(wú)測(cè)報(bào)設(shè)施的流域洪水預(yù)報(bào)優(yōu)勢(shì)明顯。該模型所依托的地形地貌、降水等專業(yè)數(shù)據(jù)均來(lái)自全球公共資源數(shù)據(jù)庫(kù)，信息量大，權(quán)威且可靠。模型參數(shù)可直接提取自地表物理特征，測(cè)報(bào)精度高、運(yùn)算速度快，并注重大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)與流域洪水測(cè)報(bào)過程的有機(jī)結(jié)合，突出迭代演進(jìn)，可保證模型數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。

以衛(wèi)星遙感大數(shù)據(jù)為依托的流域降水及洪水測(cè)報(bào)技術(shù)可使流域降水測(cè)報(bào)的時(shí)空分辨率顯著提升。從空間和時(shí)間兩個(gè)角度對(duì)衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行降尺度分解，并根氣象雷達(dá)和地面氣象數(shù)據(jù)加工、清洗、修正衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)，生成5 km2×5 km2、1/2h～72h 的連續(xù)性、高精度、網(wǎng)格化洪水測(cè)報(bào)信息。構(gòu)建的以GIS 技術(shù)為支撐的BTOPMC 分布式水文物理模型為水文資料缺乏流域和地區(qū)洪水測(cè)報(bào)提供了可行思路。該水文模型在所計(jì)算出的土壤含水量的基礎(chǔ)上進(jìn)行土壤實(shí)時(shí)下滲率推求，并比照降水過程模擬凈雨過程，深入分析影響流域河網(wǎng)調(diào)蓄因素的基礎(chǔ)上構(gòu)建起契合流域?qū)嶋H的匯流模型，具有很強(qiáng)的普適性和通用性。

3 洪水預(yù)報(bào)模型的應(yīng)用情況

構(gòu)建的安陽(yáng)河流域洪水測(cè)報(bào)系統(tǒng)根基流域水雨情及水庫(kù)工程工情服務(wù)要求，由流域管理局統(tǒng)一部署、集成適用。其中計(jì)算服務(wù)、web 服務(wù)及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、后臺(tái)服務(wù)等均為需部署的內(nèi)容。

自2021年初起，該設(shè)計(jì)成果便開始應(yīng)用于安陽(yáng)河流域洪水測(cè)報(bào)預(yù)警及水庫(kù)防汛調(diào)度活動(dòng)中，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，在2021年汛期內(nèi)安陽(yáng)河流域灌區(qū)耕地淹沒面積減少1萬(wàn)hm2，直接增收糧食產(chǎn)量約36.45萬(wàn)t，直接受災(zāi)人口數(shù)減少25.40萬(wàn)人，并有效避免了流域流經(jīng)范圍內(nèi)公路、鐵路及沿岸鄉(xiāng)鎮(zhèn)等交通設(shè)施設(shè)備、建筑物受淹。按照安陽(yáng)河流域2021年汛期防洪減災(zāi)效益相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及報(bào)表并結(jié)合《已成防洪工程經(jīng)濟(jì)效益分析計(jì)算及評(píng)價(jià)規(guī)范》（SL 206-2014）等進(jìn)行計(jì)算，2021年汛期安陽(yáng)河流域直接防洪經(jīng)濟(jì)效益逾8 865萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。

4 結(jié)論

在結(jié)合衛(wèi)星遙感大數(shù)據(jù)降水預(yù)報(bào)技術(shù)以及GIS 產(chǎn)匯流模型、BTOPMC分布式水文物理模型等現(xiàn)有流域洪水預(yù)報(bào)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出的基于遙感大數(shù)據(jù)的安陽(yáng)河流域洪水預(yù)報(bào)技術(shù)模型具有較強(qiáng)的普適性和通用性，可大大延長(zhǎng)流域洪水預(yù)測(cè)期與預(yù)見期，保證測(cè)報(bào)精度。項(xiàng)目成果在安陽(yáng)市其他流域水旱災(zāi)防御領(lǐng)域得到應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益較為凸顯。