無資料區(qū)域小流域山洪預(yù)報(bào)預(yù)警的虛擬水庫建構(gòu)和應(yīng)用

曹曉磊

(河北省石家莊水文勘測研究中心，河北 石家莊 050051)

我國山區(qū)的面積比較大，山丘當(dāng)中的小流域因?yàn)槭艿搅肆饔蛎娣e比較小的限制，河道的過水能力也相對較低。洪水呈現(xiàn)出時(shí)間短、洪峰高等特點(diǎn)，帶來的山洪災(zāi)害破壞性更強(qiáng)，已經(jīng)引起了越來越多防洪工作人員的關(guān)注[1-2]。但是山丘當(dāng)中的小流域因?yàn)閷?shí)際情況十分復(fù)雜，各種影響因素比較多。也由于山地的小流域地區(qū)很難建設(shè)多個(gè)水文站點(diǎn)，導(dǎo)致水文資料十分短缺，缺少足夠的數(shù)據(jù)資料來提高洪水預(yù)報(bào)精度，阻礙了無資料區(qū)域小流域山洪災(zāi)害的預(yù)防和預(yù)警工作開展[3]。鑒于此種山洪帶來的巨大破壞性，必須要構(gòu)建起一種可以更加有效山洪災(zāi)害發(fā)生的預(yù)警機(jī)制。

1 問題提出

當(dāng)前全球化的溫室效應(yīng)依然持續(xù)，人們的破壞行為也并未得到收斂。全球各地發(fā)生極端天氣的頻率顯著增加，泥石流、地震、山洪等自然災(zāi)害，嚴(yán)重危害到了人們的生命與財(cái)產(chǎn)安全。而中小流域缺少高效的檢測預(yù)警機(jī)制，加之洪澇災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間比較短，災(zāi)害損失程度也很嚴(yán)重，導(dǎo)致小流域山洪預(yù)警的工作形勢很嚴(yán)峻。

我國也積極頒布了關(guān)于中小河流治理的相關(guān)意見，在全國范圍之內(nèi)開展了重點(diǎn)地區(qū)的山洪調(diào)查和分析工作，得到了較為顯著的成效。在經(jīng)過多年的建設(shè)后，我國水文網(wǎng)的密度在不斷增大，但我國山丘地區(qū)面積大，工程建筑難度也很大[4]。已經(jīng)建設(shè)的水文站點(diǎn)時(shí)間比較久遠(yuǎn)，缺少可靠資料。使得預(yù)警這些地區(qū)的洪水災(zāi)害只能夠采用理論公式完成，得到的結(jié)果必然精度不夠。與此同時(shí)，當(dāng)前GIS技術(shù)、遙感技術(shù)等都已經(jīng)在地理勘測當(dāng)中被廣泛應(yīng)用[5]。也已經(jīng)得到了一些其他種類的資料，比如土壤資料、地貌和地形利用類型等相關(guān)資料，通過對這些資料背后的有用信息開展大量挖掘，便可以得到更顯著的水文模型。增加無資料地區(qū)的小流域山洪預(yù)報(bào)預(yù)警的準(zhǔn)確性和可能性[6]。

2 無資料區(qū)域小流域山洪預(yù)警模型構(gòu)建

2.1 無資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)理論方法

2.1.1 水文比擬方法

此種方法指的是缺少資料和無資料的流域采用和該流域相似的水文資料。如果流域斷面缺少實(shí)測徑流量的具體數(shù)據(jù)和資料，就可以參考上下游地區(qū)或者是水文比較相似地區(qū)的實(shí)測所得到的水文資料。水文比擬方法一般是用來對流域的年徑流量進(jìn)行計(jì)算。采用公式為：

此種方法所得結(jié)果準(zhǔn)確與否，主要取決于所計(jì)算的流域水文條件和參考流域的水文條件相似程度，越相似自然結(jié)果越準(zhǔn)確。

2.1.2 地區(qū)經(jīng)驗(yàn)方法

此種方法也是用來對年凈流量進(jìn)行計(jì)算，構(gòu)建起各種影響到年徑流的相關(guān)因素，所采用的公式為：

2.1.3 瞬時(shí)單位線

將瞬時(shí)凈雨輸入公式當(dāng)中，在流域完成調(diào)蓄之后，得到出口斷面地面徑流過程。綜合瞬時(shí)單位線的計(jì)算，需要降雨量是在流域當(dāng)中平均分布，而且將于的強(qiáng)度很大，歷時(shí)較短，最終得到的總量屬于單元地面凈雨流域出口斷面徑流過程線。

2.2 小流域分類

小流域可以劃分為三種不同類型，分別是：(1)區(qū)間型：匯水區(qū)域包含了河流的兩側(cè)，或者是橫跨了某條河流當(dāng)中一段；(2)坡面型：河流單面或者是河流某側(cè)為匯水區(qū)域；(3)完整型：流域包含了整個(gè)河流，存在著完美對應(yīng)關(guān)系流域。

2.3 無資料區(qū)域小流域基于虛擬水庫山洪預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

2.3.1 洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

所構(gòu)建起的無資料區(qū)域小流域虛擬水庫預(yù)警系統(tǒng)，采取的過程為“制定構(gòu)建規(guī)范、搭建系統(tǒng)所需框架、具體開發(fā)系統(tǒng)過程、集成整合”。在這個(gè)過程當(dāng)中規(guī)范的制定以及框架的搭建為最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以當(dāng)前已經(jīng)成熟的開發(fā)和數(shù)據(jù)、接口規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，開發(fā)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，做好整合工作，圖1為洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)整體框架，如圖1所示。

圖1 小流域洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)整體框架

2.3.2 構(gòu)建類庫結(jié)構(gòu)方法

構(gòu)建無資料地區(qū)小流域山洪災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，所使用的軟件十分復(fù)雜。在水文預(yù)報(bào)技術(shù)不斷提升與發(fā)展的過程中，要求系統(tǒng)可以更好地滿足水文領(lǐng)域發(fā)展的具體需求，對于預(yù)報(bào)系統(tǒng)的構(gòu)建要求也更高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮到擴(kuò)展、維護(hù)以及穩(wěn)定性特點(diǎn)，使用更先進(jìn)的設(shè)計(jì)和語言模式。軟件開發(fā)當(dāng)中采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)方法，本質(zhì)上就是針對抽象對象開展建模操作，核心思想便是需要向人類自然思維方式進(jìn)行借鑒。

2.3.3 系統(tǒng)選型過程及結(jié)果

表1為本次所選擇的數(shù)據(jù)庫、GIS系統(tǒng)具體類型。本次構(gòu)建的預(yù)防系統(tǒng)，所采用的主要數(shù)據(jù)編輯工具為Desktop，這一工具可以實(shí)現(xiàn)土層剪切和投影功能。還使用到了地圖服務(wù)系統(tǒng)，將其當(dāng)做GIS數(shù)據(jù)顯示的重要數(shù)據(jù)源，減少數(shù)據(jù)加載以及存儲(chǔ)過程中所面臨的重要壓力。

表1 系統(tǒng)選型結(jié)果

2.3.4 設(shè)計(jì)功能模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含三部分內(nèi)容，最上冊為菜單，有參數(shù)提取、管理以及預(yù)報(bào)和系統(tǒng)幫助等不同的菜單；在菜單右側(cè)則是系統(tǒng)界面調(diào)整以及用戶管理功能，中間為主要的操作界面功能(見圖2)。

圖2 系統(tǒng)菜單欄、用戶登錄和主操作界面

(1)基礎(chǔ)模塊：包含導(dǎo)入流域基本信息，完成信息展示。在操作欄當(dāng)中按照特定順序來導(dǎo)入基本的地理信息。

(2)提取所測流域具體參數(shù)：先完成提取和展示新導(dǎo)入的相關(guān)流域參數(shù)，然后再開展進(jìn)一步工作。包含提取流域信息、匯流和產(chǎn)流相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)。在導(dǎo)入了相關(guān)信息之后，再利用蓄水容量曲線功能，完成曲線的有效擬合，在對比與分析之后就可以得到蓄水容量曲線。系統(tǒng)則會(huì)按照上述提取的流域蓄水量數(shù)據(jù)，采用SCE-UA方法，找到用來擬合的n和k初值，而且還能對這些數(shù)值進(jìn)行修整，最終得到更優(yōu)曲線。

研究中采用不同方法來計(jì)算不同土壤含水量以及洪峰流量的相關(guān)數(shù)據(jù)，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果最準(zhǔn)確的是采用超滲-蓄滿混合模型。此種計(jì)算方法得到的結(jié)果也是與實(shí)際情況更加符合，更合理和成熟。表2為土壤含水量為50 Wm/%情況下，分別在1 h、12 h、24 h內(nèi)四種方法的洪峰流量計(jì)算結(jié)果。

表2 洪峰流量時(shí)間差異結(jié)果

圖3為四種模型計(jì)算計(jì)算結(jié)果的變化趨勢圖，我們能夠很明顯地看出來混合模型與設(shè)計(jì)的洪峰流量之間十分接近，由此說明了混合模型的準(zhǔn)確程度更高。還能及時(shí)查看得到的相關(guān)參數(shù)，如圖4所示。

圖3 模型趨勢對比結(jié)果

圖4 相關(guān)參數(shù)查看界面

(3)山洪預(yù)報(bào)模塊構(gòu)建：這一預(yù)報(bào)功能模塊的構(gòu)建基于之前收集與分析得到的參數(shù)，再將降雨的場次輸入其中，就能夠得到山洪發(fā)生可能性的預(yù)報(bào)效果。還需要與實(shí)際測量得到的徑流資料完成有效對比。再結(jié)合收集到的和河流地區(qū)相關(guān)的各種地理信息資料之后，就需要對不同危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的人口完成統(tǒng)計(jì)，按照具體的小流域基礎(chǔ)信息，再結(jié)合得到的洪水要素結(jié)果，對不同危險(xiǎn)區(qū)域的人口進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。如表3所示。

表3 洪澇重現(xiàn)不同區(qū)域的危險(xiǎn)人數(shù)對比結(jié)果

2.3.5 后臺(tái)關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

(1)需要以小時(shí)為單位，導(dǎo)入流量和雨量。在主要站點(diǎn)其實(shí)仍然存在著時(shí)間段中斷的相關(guān)問題。完成外部數(shù)據(jù)的讀取，經(jīng)過插值函數(shù)處理，將其變成以小時(shí)為單位，得到節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。再將得到的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳入到水文模型當(dāng)中，完成進(jìn)一步計(jì)算。

(2)提取地理相關(guān)信息。使用水文分析工具針對流域當(dāng)中的EDM完成填洼、計(jì)算具體的流向，得到匯流結(jié)果。再對流域當(dāng)中的幾何特點(diǎn)，如形狀、周長、面積和地形地貌等信息進(jìn)行提取。還需要將使用Python所編寫的腳本調(diào)用出來，采用D8算法完成坡度和流向的計(jì)算，得到地形指數(shù)，得到地形指數(shù)數(shù)據(jù)的分布圖。

3 結(jié)語

(1)本次研究中的無資料地區(qū)小流域山洪預(yù)警系統(tǒng)，其中涉及到的指標(biāo)包含流量、雨量、臨界水位等。引入具體的地區(qū)構(gòu)建山洪預(yù)警系統(tǒng)，再引入計(jì)算方法，得到成災(zāi)地區(qū)的流量與水位信息，為無資料區(qū)域的小流域地區(qū)更好預(yù)防山洪災(zāi)害發(fā)生提供有效的解決方法。

(2)因?yàn)闊o資料地區(qū)小流域山洪災(zāi)害預(yù)防預(yù)警技術(shù)本身還有很多需要不斷提升的空間，因此構(gòu)建起的預(yù)警系統(tǒng)也需要進(jìn)一步提升改善。結(jié)合山區(qū)自然災(zāi)害的實(shí)際情況完善群測群防系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，爭取得到信息數(shù)據(jù)的共享目標(biāo)。也要向群眾加大普及如何防范和自救互救的藝術(shù)能力，以最大努力減少山洪災(zāi)害帶來的損失。