鄂北地區水資源配置工程洪水預報系統建設與應用

崔文露 陶鋒 夏玉龍 吳詠芳

摘要：洪水調度預報是防洪保障體系中的一項重要的非工程措施。為提高洪水預報的精度、縮短預見期，為水庫的安全運行和水資源優化配置提供決策依據，建立了鄂北地區水資源配置工程洪水預報系統。通過建立封江口水庫和王家沖水庫洪水預報經驗方案和數學預報模型，輸入各類實時信息，啟動預報模型方案，對洪峰水位（流量）、洪水過程及洪量等洪水要素進行了實時預報。檢驗結果表明，預報方案和流域模型有效提高了預報精度，可為鄂北地區水資源配置工程運行調度提供決策依據。

關鍵詞：洪水預報系統;預報模型;實時預報;封江口水庫;王家沖水庫;鄂北地區水資源配置工程

中圖法分類號：P338文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.021

Abstract： Flood forecast is an important non-structure measure of flood control system. To improve forecast accuracy， shorten the forecasting period and provide decision-making tool for the safe operation of the reservoirs and to optimize water resources allocation， we constructed flood forecast system for the North Hubei Water Transfer Project. By formulating flood forecasting scheme and the mathematical forecasting model for Fengjiangkou Reservoir and Wangjiachong Reservoir， ?real-time forecast of the flood peak water level （discharge） ， flood process and volume can realized by entering real-time information from various sources and initiating the scheme. The results showed that the flood forecasting scheme and model can effectively improve forecasting accuracy， and provide decision-making basis for operation and regulation of the North Hubei Water Transfer Project.

Key words： flood forecast system; forecast model; real-time forecast; Fengjiangkou Reservoir; Wangjiachong Reservoir; North Hubei Water Transfer Project

鄂北地區水資源配置工程（以下簡稱“鄂北工程”）建有封江口和王家沖2座水庫。封江口水庫系大型水庫，集水面積460 km2，興利庫容1.37億m3。王家沖水庫為改建的中型水庫，興利庫容112.2萬m3，總庫容134萬m3。為確保封江口、王家沖水庫的防洪安全，保證鄂北工程的正常運行，需要開發水庫洪水預報系統，為調度決策提供有力的技術支撐。

1 洪水預報系統

1.1 建設目標

以實時水雨情、氣象等數據和工程信息為基礎，運用先進的水利水文技術和信息技術，建立適用的預報模型，構建洪水預報信息化作業平臺，在發生洪水時能及時預報預警，提高洪水預報的精度和預見期，為水庫安全運行和水資源優化配置提供決策依據。

1.2 系統結構

洪水預報系統是鄂北工程自動化調度運行管理系統的應用系統之一，系統基于公用的計算資源（服務器）、數據庫和應用支撐平臺進行開發、部署和運行。系統進行作業預報的數據來源于綜合數據庫，模型研制階段所需的歷史數據由研制者收集整理;系統輸出的預報成果向管理單位發布，同時將成果數據存入數據庫，供決策支持系統和信息服務系統調用。洪水預報系統結構及數據流程見圖1。

1.3 系統功能

洪水預報系統包括預報方案庫管理、預報模型庫管理、歷史洪水數據庫管理、預報方案參數率定、實時預報、信息查詢及系統管理等7個模塊，見圖2。

（1）預報方案庫管理是實現方案的構造以及方案管理的功能，具體包括方案構造、修改、分配、方案輸入、輸出及壓縮。

（2）預報模型庫管理是實現模型的入庫、修改、刪除及默認配置等功能，具體包括模型查詢、增加、刪除及修改。

（3）歷史洪水數據庫管理，包括歷史資料處理、水位流量關系曲線管理。

（4）預報方案參數率定[1]是通過人工試錯和自動優選相耦合的方法，對模型中單值參數進行參數率定，最終確定可用于作業預報的洪水預報方案的各參數值。

（5）實時預報是基于已建立的洪水預報方案，根據當前最新實時雨水情、氣象產品，對未來一段時間內的洪水過程做出預測預報。主要功能包括人工交互預報、自動預報、預報成果優選、輔助查詢、區域管理、預報成果輸出及預報成果精度評定。

（6）信息查詢包括雨水情監視、告警動態監視、雨水情查詢、預報信息查詢、雨水情統計分析及專題分析等。

（7）系統管理主要包括用戶、站點、圖層、預報數據庫等管理功能。

預報模型是洪水預報系統的核心，洪水預報系統功能通過預報、管理預報、運行預報和展現預報等模型的運行結果實現。

2 預報模型庫及方案制定

2.1 預報模型庫

預報模型庫是將眾多常用的模型和方法按一定的結構形式組織起來，并對其進行有效管理和使用的工具。各預報模型和方法的區別在于其理論結構，而共同的組織形式使之成為一個可共享的整體。因此，預報模型庫也可以看作是一個資源庫，可供其他系統重復使用。預報模型庫應至少建立降雨徑流[2]、新安江和分布式等3種水文預報模型[3]。

預報模型庫采用模塊化的結構，實現預報模塊與系統的完全獨立，可規范化和標準化預報模型的輸入輸出文件格式，包括常用的預報模型和方法，并可便捷地增加新的預報模型和方法，用戶可任意選擇和組合模型構建預報方案進行洪水預報。

洪水預報模型和方法應適合于中小河流的水文特征，對于流域面積、傳播時間和資料條件均有差異的河流，所采用的模型和方法應有側重性。

2.2 封江口水庫預報方案

封江口水庫所在流域水文資料較為齊全。對該水庫進行建模需要雨量、水位和流量觀測資料，且歷史觀測資料時間長度不少于5 a。對資料進行分析后，根據匯流時間采用相應的預報方法。

（1）流域匯流時間小于1 h時，應采用臨界雨量預警方法[4]，建立靜態和動態臨界雨量預警模型，推薦使用降雨量指標和前期影響雨量指標（用土壤飽和度指標表示）以共同確定臨界雨量，臨界雨量的時段尺度建議為0.5，1，2，3 h和6 h。

（2）流域匯流時間為1～3 h時，可采用降雨徑流相關圖法、API模型、瞬時單位線、地貌瞬時單位線、人工神經網絡模型和集總式水文模型等。

（3）流域匯流時間大于3 h時，建議采用降雨徑流相關圖法、API模型、實用流域水文模型和基于DEM的分布式水文模型。

2.3 王家沖水庫預報方案

王家沖水庫所處流域資料有限，無法采用常規模型和方法構建預報方案，可根據匯流時間采用相應的方法。

（1）流域匯流時間小于1 h時，應采用臨界雨量預警方法，建立靜態臨界雨量預警模型，推薦使用降雨量指標和前期影響雨量指標（用土壤飽和度指標表示）共同確定臨界雨量，臨界雨量的時段尺度建議為0.5 ，1，2，3 h和6 h。

（2）流域匯流時間為1～3 h時，可采用水文比擬法、瞬時單位線、地貌瞬時單位線、推理公式法等方法建立預報模型。

2.4 預報方案編制及精度要求

根據目前的水情控制站網，采用多方案平行比較的技術方法，建立洪水預報系統。如果資料充分，應配置2套預報方案，編制完整的降雨徑流預報方案。預報方案應達到以下要求：① 可考慮預見期降雨量進行預報分析;② 可進行多方案預報的對比分析;③ 既可實現單站交互作業，也可進行河系連續自動預報;④ 可實現模型參數的自動率定與人工交互。預報方案的編制應盡可能利用大、中、小不同場次洪水的資料，參數率定的洪水場次不少于10場，參數檢驗的洪水場次不少于3場;當資料不足時，應使用所有洪水場次資料。無資料流域的預報方案制作應盡量利用本省暴雨徑流查算圖表的參數、水文條件和地貌條件相似的有資料流域模型參數。

預報方案建立后，應進行精度評定和檢驗，衡量方案的可靠程度，確定方案精度等級。洪水預報精度評定的項目包括洪峰水位（流量）、峰現時間、洪量和洪水過程等。洪水預報誤差標準采用絕對誤差、相對誤差和確定性系數3種指標。

（1）有資料且匯流時間大于6 h的流域，方案精度評定和模型參數率定、檢驗的精度應達到GB/T 22482-2008《水文情報預報規范》的乙級以上標準。

（2）有資料且匯流時間小于6 h的流域，參照《水文情報預報規范》中對驟發性洪水預報可以不進行精度評定的要求，所制作的方案和模型不參加精度評定，但需用于作業預報，在應用過程中不斷根據新的觀測資料修正相應參數，逐步提高預報精度。

（3）無資料流域的預報方案和模型不參加精度評定，但需用于作業預報，在應用過程中不斷根據新的觀測資料修正相應參數，逐步提高預報精度。

3 結 語

鄂北工程是國務院確定的172項節水供水重大水利工程之一，也是湖北省水利的“一號工程”。工程運行期間的防洪調度工作應當受到高度重視，而洪水預報系統是防洪調度決策支持的關鍵組成部分，是實現防洪調度更加科學、高效、可靠決策的基礎，因此建立一套完整的鄂北工程洪水預報系統十分必要。系統的建立只是一個開端，更重要的是要在實際運用中不斷對系統進行完善和校核，才能使其真正服務于工程運行。

參考文獻：

[1] 章四龍，劉九夫. 通用模型參數率定技術研究[J]. 水文，2005，25（1）：4，9-13.

[2] 宋亞婭，朱妙藝，朱富軍. 降雨徑流模型及其應用[J]. 水電能源科學，2012，30（6）：9-12.

[3] 長江水利委員會. 水文預報方法（第二版）[M]. 北京：中國水利電力出版社，1993.

[4] 李蘇，代圣康，劉冬冬. 基于臨界雨量的預警指標分析研究[J]. 人民珠江，2018（5）：24-28.

（編輯：李曉濛）