基于水情預警預報系統平臺的建立及預報方法探討

陸延華

(遼寧省水利水電科學研究院有限責任公司沈陽分公司，沈陽 110003)

0 前 言

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

洪水預警預報系統的建立主要包括：修訂和改進各流域洪水預報方案，提高洪水預報準確率，擴大洪水預報覆蓋面，依靠實時雨水情數據等信息資源，歷史洪水數據庫等，依托計算機網絡環境，遵循統一的技術框架，建立相應的數據庫，為防汛抗旱提供科學洪水預報、預警和水資源分析等計算結果，達到滿足防汛抗旱的需要。

1 洪水預報系統功能流程

依托多種水文計算模型，利用有效的信息網絡資源和地理信息系統和其他相關功能, 為了實現流域信息化和洪水管理的現代化，進行了洪水預報和調度的實時可視化提供可靠的科學依據。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,如計算機網絡、通信、數據庫、水文預報和預警模型，全面用于構建操作系統的流域洪水預報結果。實現流域雨水情勢信息實時存儲與管理系統，為流域雨水情的實時數據采集、傳輸、存儲和管理提供了科學依據。流域洪水預報的信息級和模型級決策支持，提高防洪調度的正確性[1]。

在現有流域預報方案、實時水文數據庫在原有預報方案參數數據庫的基礎上，建立了實時的洪水預報系統，系統是基于實時水文數據庫、特殊預測數據庫和客戶端/服務器環境，采用先進的硬件和軟件環境，將新的預報模型，添加到各種水文預報方案中。可通過圖表進行實時交互預測，人工試錯和自動優化相結合，具有通用數據預處理和實用模塊的特點，具有完善的雨水情預報功能，該系統適用性強，功能強大，操作容易[2]。

基于歷史和實時水文數據庫，利用一個實用的洪水預報系統，建立預報參數數據庫，實現預報站的自動化和程序化，實現預報站的實時預報和估計，洪水預報系統的功能流程圖見圖1。

2 預報方法計算

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

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，根據降雨和蒸發數據、模型類型和模型參數，將流域徑流與匯流模型可以任意組合，如P+Pa-R相關、新安江模型、半干旱區新安江模型等。

圖1 洪水預報系統功能流程圖

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，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、指數退水方法、退水曲線方法等。

2.3 水庫調節計算

提供水庫入流、調度方式，計算出水庫出流、庫水位，如基于水量平衡的水庫調節計算法。

2.4 水力學方法

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

2.5 通用方法

提供我國水文預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 洪水預報系統

3.1 預報系統建設

準確的洪水預報和預警，在一定的可預測期內，與緊急措施相結合，可以減少洪水造成的損失，洪水預警系統作為一種重要的非工程防洪措施，在世界范圍內一直致力于對現代洪水預警系統建設的研究。

3.2 預報系統功能

系統預測類型包括降雨和徑流預測、經驗以及其它相關預測、河流洪水演進和區間降雨徑流重疊預測等，該系統實現了對所有水庫、河流、降雨等水情進行監測分析，并將計算結果通過計算進行發布。

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

一方面，洪水預報系統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報預警的需求，預測對象分為河道、水庫和蓄洪區的3個方面，洪水預報提供不同的精度和預測期的不同階段防汛抗旱工作，預報精度和預報周期應符合有關規范或滿足防洪運行的需要。洪水預警預報共有9個模塊構成，分別是系統管理、雨水情成果管理、日水情預報、雨水情數據查詢、水庫工程數據管理、單庫模擬、預警報告、綜合分析預警及輔助工具9個模塊，系統讀取實時監測數據后，通過預測模型計算出未來可能發生洪水的相關信息。

3.3 河道洪水

根據實用洪水預報方案，建立了“預報信息數據庫”，和“實時水文數據庫”，完成了實時的洪水預報預測系統。充分利用流域已經形成的較為成熟的預報方案，將預報方案可視化，使工作人員在使用過程中直觀地了解洪水預報結果。

該系統能夠靈活地適應員工的需求和更新預測計劃。所建立的預測計劃是模塊化的，可實時按比例調整以適應變化的環境，使員工能夠實時更新預測系統，符合軟件工程設計的理念。系統交互性強，運行平穩，能滿足員工對業務預測的需求。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。并且隨著洪水的發生，工作人員可以隨時修改和修正相關參數，確保洪水預報結果的準確性。

3.4 水庫洪水

為了提供更多的咨詢和調度信息，還可以進行人工干預洪水預報，同時，可以考慮和分析多種預測方案，制定決策方案。在系統設計研制過程中，系統緊密結合洪水預報的實際需求，充分利用流域內已經形成的諸多成熟預報方案以及可視化洪水預測方案，這樣員工可以了解洪水預報和預測結果過程，并且可以較好的使用，使員工能夠實時更新預測系統，符合軟件工程設計的理念。

3.5 監視預警

暴雨洪水監測包括水庫防暴雨監測功能、查詢功能、預警發布功能、流域背景圖顯示功能、視頻監控功能5個方面。

3.5.1 水庫抗暴雨監控功能

結合水庫實時水位，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測,以便值班人員能夠更好地理解洪水發展的需要，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 預警發布

洪水監測系統不僅可以實時監測洪水情況，還可以結合下墊面和工程應用信息，根據氣象產品應用系統的致洪、致災暴雨預測結果，通過數學模型預測洪水的大小。

1)預警指標：

預警指數是指降雨和水情的臨界值,從而誘導水庫洪水災難，洪澇災害預警的主要依據是洪澇災害預警的條件和時間是否接近、達到或超過災害的臨界降雨量和水位。預警指標的確定需要對現有歷史災害、降雨、水位、水庫特征數據進行分析和利用，通過分析計算確定洪水調度。水庫水位預警指標如表1所示。

表1 水庫水位預警指標

2)預警信息編制：

根據實時的水雨情、水文氣象預報信息和預警指標，決定是否編制預警信息。

3)預警信息發布平臺：

根據預警的緊迫性和可能發生洪水的概率,及時、準確的預警信息傳到受災地區，使該地區的人民能夠及時轉移，避免人員傷亡。

3.5.4 背景圖顯示功能

洪水監測系統是為了監測目標區水文站等水利工程的洪水情況，因此，需要根據圖形界面和目標區域的實時信息來完成背景圖像復合疊加。

3.5.5 視頻監視功能

視頻監控功能是利用網絡視頻傳輸手段，實時瀏覽和監控水庫大壩、溢洪道、水位計和水文站的畫面。

4 結 語

在系統建設過程中，創新性地把城市防洪、治澇工作放在首位，并對遼寧的水文監測網進行了全面規劃。近年來，城市化給自然環境帶來了巨大壓力，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生頻率。在大型城市不透水地區,降雨入滲將不可避免地下降,導致地表徑流的增加,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, 合理調整站場網絡布局，應用新技術、新設備進行水文監測，建立了高效的城市降雨監測網，極大的提高了城市的監測能力。