基于水情預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)平臺的建立及預(yù)報方法探討

陸延華

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司沈陽分公司，沈陽 110003)

0 前 言

在數(shù)字水文平臺的支持下，水文預(yù)報和預(yù)警模型用于預(yù)測洪水,使預(yù)測結(jié)果更加可視化，決策更加科學(xué)，計算較為簡單。從而有效地防洪，減少因洪災(zāi)所造成的損失,為爭取了防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)的時間。

洪水預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)的建立主要包括：修訂和改進各流域洪水預(yù)報方案，提高洪水預(yù)報準(zhǔn)確率，擴大洪水預(yù)報覆蓋面，依靠實時雨水情數(shù)據(jù)等信息資源，歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)庫等，依托計算機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，遵循統(tǒng)一的技術(shù)框架，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，為防汛抗旱提供科學(xué)洪水預(yù)報、預(yù)警和水資源分析等計算結(jié)果，達到滿足防汛抗旱的需要。

1 洪水預(yù)報系統(tǒng)功能流程

依托多種水文計算模型，利用有效的信息網(wǎng)絡(luò)資源和地理信息系統(tǒng)和其他相關(guān)功能, 為了實現(xiàn)流域信息化和洪水管理的現(xiàn)代化，進行了洪水預(yù)報和調(diào)度的實時可視化提供可靠的科學(xué)依據(jù)。基于實時采集、傳輸、存儲和雨水情管理信息等一系列的新技術(shù),如計算機網(wǎng)絡(luò)、通信、數(shù)據(jù)庫、水文預(yù)報和預(yù)警模型，全面用于構(gòu)建操作系統(tǒng)的流域洪水預(yù)報結(jié)果。實現(xiàn)流域雨水情勢信息實時存儲與管理系統(tǒng)，為流域雨水情的實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和管理提供了科學(xué)依據(jù)。流域洪水預(yù)報的信息級和模型級決策支持，提高防洪調(diào)度的正確性[1]。

在現(xiàn)有流域預(yù)報方案、實時水文數(shù)據(jù)庫在原有預(yù)報方案參數(shù)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，建立了實時的洪水預(yù)報系統(tǒng)，系統(tǒng)是基于實時水文數(shù)據(jù)庫、特殊預(yù)測數(shù)據(jù)庫和客戶端/服務(wù)器環(huán)境，采用先進的硬件和軟件環(huán)境，將新的預(yù)報模型，添加到各種水文預(yù)報方案中?？赏ㄟ^圖表進行實時交互預(yù)測，人工試錯和自動優(yōu)化相結(jié)合，具有通用數(shù)據(jù)預(yù)處理和實用模塊的特點，具有完善的雨水情預(yù)報功能，該系統(tǒng)適用性強，功能強大，操作容易[2]。

基于歷史和實時水文數(shù)據(jù)庫，利用一個實用的洪水預(yù)報系統(tǒng)，建立預(yù)報參數(shù)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)預(yù)報站的自動化和程序化，實現(xiàn)預(yù)報站的實時預(yù)報和估計，洪水預(yù)報系統(tǒng)的功能流程圖見圖1。

2 預(yù)報方法計算

我國水文預(yù)報實踐中具有計算簡單的行之有效的預(yù)報模型可分為五類：即流域降雨徑流相關(guān)法、河流匯流、水庫調(diào)度、水力學(xué)方法和通用方法。

2.1 流域降雨徑流計算

通過對徑流和匯流計算，得出了流域出口斷面的流量，根據(jù)降雨和蒸發(fā)數(shù)據(jù)、模型類型和模型參數(shù)，將流域徑流與匯流模型可以任意組合，如P+Pa-R相關(guān)、新安江模型、半干旱區(qū)新安江模型等。

圖1 洪水預(yù)報系統(tǒng)功能流程圖

2.2 河道匯流計算

提供河道上游斷面入流、模型類型和模型參數(shù)，通過河道匯流演算得到河道下游斷面出流，如滯后演算法、馬斯京根法、匯流單位線法、指數(shù)退水方法、退水曲線方法等。

2.3 水庫調(diào)節(jié)計算

提供水庫入流、調(diào)度方式，計算出水庫出流、庫水位，如基于水量平衡的水庫調(diào)節(jié)計算法。

2.4 水力學(xué)方法

通過給出了計算區(qū)或河道的邊界條件、地形資料、模型類型和模型等參數(shù)，采用擴散波法、動態(tài)波法等水力學(xué)方法計算出區(qū)域的流量和水位。

2.5 通用方法

提供我國水文預(yù)報實踐中所熟悉的行之有效的、計算簡單的通用方法，如泰森多邊形模型、流域邊界自動提取等。

3 洪水預(yù)報系統(tǒng)

3.1 預(yù)報系統(tǒng)建設(shè)

準(zhǔn)確的洪水預(yù)報和預(yù)警，在一定的可預(yù)測期內(nèi)，與緊急措施相結(jié)合，可以減少洪水造成的損失，洪水預(yù)警系統(tǒng)作為一種重要的非工程防洪措施，在世界范圍內(nèi)一直致力于對現(xiàn)代洪水預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)的研究。

3.2 預(yù)報系統(tǒng)功能

系統(tǒng)預(yù)測類型包括降雨和徑流預(yù)測、經(jīng)驗以及其它相關(guān)預(yù)測、河流洪水演進和區(qū)間降雨徑流重疊預(yù)測等，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對所有水庫、河流、降雨等水情進行監(jiān)測分析，并將計算結(jié)果通過計算進行發(fā)布。

在分析氣象形勢和觀測降雨量的基礎(chǔ)上，完成水文站的洪水預(yù)報和水庫不同的預(yù)測期和不同的預(yù)測精度,并為防洪決策提供科學(xué)依據(jù)，以及對不同降雨模式進行模擬計算，針對洪水發(fā)生的不確定性，與利于制定洪水調(diào)度及測洪方案，預(yù)測河流中長期徑流，為合理利用水資源提供科學(xué)參考，預(yù)測臺風(fēng)登陸路徑，為做好臺風(fēng)防備工作提供依據(jù)，可實現(xiàn)模型參數(shù)的手動或自動標(biāo)定，形成流域預(yù)報方案。

一方面，洪水預(yù)報系統(tǒng)是為了滿足防汛抗旱部門實施防洪的需要，另一方面滿足防汛抗洪預(yù)報預(yù)警的需求，預(yù)測對象分為河道、水庫和蓄洪區(qū)的3個方面，洪水預(yù)報提供不同的精度和預(yù)測期的不同階段防汛抗旱工作，預(yù)報精度和預(yù)報周期應(yīng)符合有關(guān)規(guī)范或滿足防洪運行的需要。洪水預(yù)警預(yù)報共有9個模塊構(gòu)成，分別是系統(tǒng)管理、雨水情成果管理、日水情預(yù)報、雨水情數(shù)據(jù)查詢、水庫工程數(shù)據(jù)管理、單庫模擬、預(yù)警報告、綜合分析預(yù)警及輔助工具9個模塊，系統(tǒng)讀取實時監(jiān)測數(shù)據(jù)后，通過預(yù)測模型計算出未來可能發(fā)生洪水的相關(guān)信息。

3.3 河道洪水

根據(jù)實用洪水預(yù)報方案，建立了“預(yù)報信息數(shù)據(jù)庫”，和“實時水文數(shù)據(jù)庫”，完成了實時的洪水預(yù)報預(yù)測系統(tǒng)。充分利用流域已經(jīng)形成的較為成熟的預(yù)報方案，將預(yù)報方案可視化，使工作人員在使用過程中直觀地了解洪水預(yù)報結(jié)果。

該系統(tǒng)能夠靈活地適應(yīng)員工的需求和更新預(yù)測計劃。所建立的預(yù)測計劃是模塊化的，可實時按比例調(diào)整以適應(yīng)變化的環(huán)境，使員工能夠?qū)崟r更新預(yù)測系統(tǒng)，符合軟件工程設(shè)計的理念。系統(tǒng)交互性強，運行平穩(wěn)，能滿足員工對業(yè)務(wù)預(yù)測的需求。通過該模型可以計算洪水過程，繪制洪水過程線，并與實際過程輸入進行比較。并且隨著洪水的發(fā)生，工作人員可以隨時修改和修正相關(guān)參數(shù)，確保洪水預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.4 水庫洪水

為了提供更多的咨詢和調(diào)度信息，還可以進行人工干預(yù)洪水預(yù)報，同時，可以考慮和分析多種預(yù)測方案，制定決策方案。在系統(tǒng)設(shè)計研制過程中，系統(tǒng)緊密結(jié)合洪水預(yù)報的實際需求，充分利用流域內(nèi)已經(jīng)形成的諸多成熟預(yù)報方案以及可視化洪水預(yù)測方案，這樣員工可以了解洪水預(yù)報和預(yù)測結(jié)果過程，并且可以較好的使用，使員工能夠?qū)崟r更新預(yù)測系統(tǒng)，符合軟件工程設(shè)計的理念。

3.5 監(jiān)視預(yù)警

暴雨洪水監(jiān)測包括水庫防暴雨監(jiān)測功能、查詢功能、預(yù)警發(fā)布功能、流域背景圖顯示功能、視頻監(jiān)控功能5個方面。

3.5.1 水庫抗暴雨監(jiān)控功能

結(jié)合水庫實時水位，將抗暴雨能力與該流域上游的暴雨資料進行了比對。

3.5.2 查詢功能

查詢功能是基于自動洪水監(jiān)測,以便值班人員能夠更好地理解洪水發(fā)展的需要，提供各種定制的查詢方法，包括降雨、水庫水位和流量查詢。

3.5.3 預(yù)警發(fā)布

洪水監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以實時監(jiān)測洪水情況，還可以結(jié)合下墊面和工程應(yīng)用信息，根據(jù)氣象產(chǎn)品應(yīng)用系統(tǒng)的致洪、致災(zāi)暴雨預(yù)測結(jié)果，通過數(shù)學(xué)模型預(yù)測洪水的大小。

1)預(yù)警指標(biāo)：

預(yù)警指數(shù)是指降雨和水情的臨界值,從而誘導(dǎo)水庫洪水災(zāi)難，洪澇災(zāi)害預(yù)警的主要依據(jù)是洪澇災(zāi)害預(yù)警的條件和時間是否接近、達到或超過災(zāi)害的臨界降雨量和水位。預(yù)警指標(biāo)的確定需要對現(xiàn)有歷史災(zāi)害、降雨、水位、水庫特征數(shù)據(jù)進行分析和利用，通過分析計算確定洪水調(diào)度。水庫水位預(yù)警指標(biāo)如表1所示。

表1 水庫水位預(yù)警指標(biāo)

2)預(yù)警信息編制：

根據(jù)實時的水雨情、水文氣象預(yù)報信息和預(yù)警指標(biāo)，決定是否編制預(yù)警信息。

3)預(yù)警信息發(fā)布平臺：

根據(jù)預(yù)警的緊迫性和可能發(fā)生洪水的概率,及時、準(zhǔn)確的預(yù)警信息傳到受災(zāi)地區(qū)，使該地區(qū)的人民能夠及時轉(zhuǎn)移，避免人員傷亡。

3.5.4 背景圖顯示功能

洪水監(jiān)測系統(tǒng)是為了監(jiān)測目標(biāo)區(qū)水文站等水利工程的洪水情況，因此，需要根據(jù)圖形界面和目標(biāo)區(qū)域的實時信息來完成背景圖像復(fù)合疊加。

3.5.5 視頻監(jiān)視功能

視頻監(jiān)控功能是利用網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸手段，實時瀏覽和監(jiān)控水庫大壩、溢洪道、水位計和水文站的畫面。

4 結(jié) 語

在系統(tǒng)建設(shè)過程中，創(chuàng)新性地把城市防洪、治澇工作放在首位，并對遼寧的水文監(jiān)測網(wǎng)進行了全面規(guī)劃。近年來，城市化給自然環(huán)境帶來了巨大壓力，下墊面的保水能力、滲透性、熱力條件和城市的自然條件都發(fā)生了顯著變化，這些因素顯著增加了年降水和局地短期強降水的發(fā)生頻率。在大型城市不透水地區(qū),降雨入滲將不可避免地下降,導(dǎo)致地表徑流的增加,縮短徑流生成時間和增加的融合時間，北方每年6月至9月間,最容易受到雷雨和強對流天氣的影響,為了掌握城市降雨的時間和空間分布和時間, 合理調(diào)整站場網(wǎng)絡(luò)布局，應(yīng)用新技術(shù)、新設(shè)備進行水文監(jiān)測，建立了高效的城市降雨監(jiān)測網(wǎng)，極大的提高了城市的監(jiān)測能力。