基于GIS的广西电网流域面雨量计算方法与监测预警

2015-03-28钟利华钟仕全曾鹏袁丽军李勇

气象研究与应用 2015年1期

钟利华，钟仕全，曾鹏，袁丽军李勇

（1.广西气象服务中心，南宁530022；2.广西气象减灾研究所，南宁530022）

引言

广西电网直调水电厂分布在珠江流域上游的西江干流上，广西电网电力调度、水电厂发电生产和区域防汛抗洪决策的一个重要依据是流域水位和流量的变化，水位和流量的预报又依赖于流域内面雨量的估计，流域面雨量能客观地反映该流域降雨情况，为水文学上一个重要的参数，如何准确、实时地估计流域内面雨量，首先需要在流域监测区域内，提取精确的、符合流域水系特征的流域边界，以此作为基本参数对流域进行小流域划分，在此基础上，开展分流域面雨精细化的计算，通过对实时数据的处理和计算，最后形成监测产品；许多国内学者在相关领域做出了大量研究，秦福来［1］等依据数字高程模型（DEM）提取流域特征信息的基本原理，应用密云水库北部流域的DEM进行了流域的刻划及SWAT模型运行单元水文响应单元的生成；杨梅［2］等以岷江流域都江堰区域为试验研究对象，论述常用的基于数字高程模型（DEM）提取流域河网水系的方法和原理，采用1：25万DEM作为基本的地形数据，应用ArcGIS地理信息系统软件进行河网水系提取；任立良［3］利用数字高程数据自动提取流域水系，构建数字高程流域水系模型，包括数字高程模型中凹陷区域的识别和处理、平坦部位水流流向设定、子流域集水单元勾划、河网生成、河网与子流域编码及河网结构拓扑关系的建立；曾红伟［4］等以洮河流域为研究对象，利用Arc Hydro Tools，分析了3种DEM在不同地貌类型中数字河网提取；方慈安［5］等运用泰森多边形法、逐步订正格点法、气象站资料的算术平均法、气象站和水文站资料的算术平均法计算了1998年5-9月、1999年5-9月与2000年5-8月湖南5个小流域的实况面雨量，从整体上看，几种方法计算结果无显著差异；秦承平等［6］对清江流域和长江上游干支流域面雨量计算方法进行探讨，结果表明对三峡区间气象测站分布较均匀，雨量资料较齐全的情况，算术平均法简单易行；陈光舟等［7］利用2007年7月淮河流域常规站、自动雨量站和自动气象站逐日降雨量资料，选取泰森多边形法和算术平均法计算淮河流域15个子单元的面雨量实况，结果表明小流域内站点分布均匀，且降水空间分布均匀的情况下，泰森多边形法和算术平均法计算的面雨量相差不大。

由于针对广西电网直调水电厂所处的西江流域，利用广西区、云南和贵州省基础地理信息数据，根据流域地形地貌特征、流域面积、气象站点、水电站与实时降水等多元信息资料，开展精细化的流域分区面雨量计算方法的研究较少，本文将以广西电网直调水电厂所处的西江流域为研究对象，对西江流域分区面雨量的计算方法和实时监测预警服务流程进行了研究和探讨。

1 资料与处理

1.1 研究区域

研究区域为西江流域，含广西区和贵州、云南省部分地区，自江源至出海口依次为南盘江、红水河、黔江、浔江、西江，主要支流有北盘江、柳江、郁江、桂江、贺江等。

1.2 地理信息资料

广西区1：5万和1：25万基础地理信息数据资料，包括行政区域边界、水系、道路、高程（DEM）、等高线、市、县、乡镇以及注记等信息资料，广西岩溶地区地下河部分信息资料。

贵州、云南省西江流域范围1：25万基础地理信息数据，包括行政区域边界、水系、道路、高程（DEM）、等高线、市、县、乡镇等信息资料。

将收集的基础地理信息数据，采用GIS平台统一进行投影变换，构建统一的投影坐标系，形成可进行空间叠加分析的基础数据集；本次投影的统一坐标系为兰勃特投影，比例尺为1：50万。

1.3 自动气象站资料

广西区、云南和贵州省西江流域范围的自动气象站点信息资料，主要包括：站点位置、经纬度、观测要素等，其中广西自动气象站点有1334个，云南有1024个，贵州有285个。

采用GIS技术，根据自动气象站点的经纬度进行投影变换，形成与基础地理信息数据相同投影方式的坐标系统，采用特定点符号标识，以便于与基础地理信息数据进行空间叠加分析。

1.4 水电站资料

研究范围含40个水电站，站点信息包括水电站经纬度、水电站规模等；根据水电站的经纬度信息，采用GIS技术进行投影，形成与基础地理信息的投影方式统一的坐标系，编辑水电站分布图（图略）与站点的空间属性。

2 西江流域面雨量监测区域基础信息处理

2.1 西江流域分区与信息提取

2.1.1 大流域分区

采用1：25万基础地理信息数据，利用GIS技术，根据水电站点空间分布，以及水系、等高线，沿水系分水岭划分大流域分区；将西江流域划分为红水河流域、柳江流域、郁江流域、桂江流域、西江干流流域、沿海和桂东南流域等六大干流域（图1）。

2.1.2 小流域划分

图1 西江流域6大干流域分区示意图

在大流域分区的基础上，根据各大流域的水电站分布情况，采用1：5万基础地理信息进行分区，在GIS平台上，根据高程及等高线分水岭脊线，提取水电站监测流域汇水区域，然后进行汇水流域边线整合、拓扑构面、编辑各汇水区域属性（图2），将分区属性标注在相应的图斑上，最后形成水电站汇水流域监测小流域分区图，根据广西电力部门业务需求，划分了66个汇水流域监测区间（小流域）（图略）。

2.2 多维信息空间叠加分析

利用GIS平台的空间分析技术，将编辑好的流域分区、水电站点、气象观测站点等进行空间相关性叠加拓扑分析，构建用于降水监测的空间信息数据库，进行水电站汇水流域内的自动气象站点统计，利用气象站点观测数据，计算水电站点汇水流域的面雨量。

图2 水电站汇水监测流域分区属性示意图

2.2.1 属性编辑与挂接

（1）气象站点属性字段编辑

在投影好的统一坐标系的气象站点文件中，根据需要编辑属性字段，属性字段主要包括：

气象站点：ID号、区站号、站名、观测要素、省（区）等五个字段。

以ID号为连接代码，将收集的气象站点边界对应的属性字段信息表，采用GIS的属性挂接功能模块，将属性表的信息与投影好的图形代号挂接，形成具有空间属性的气象站点图形文件。

（2）流域分区属性字段编辑

根据水电站所在的流域分区，编辑分区属性，分区属性字段包括：ID号、分区名称、省（区）、面积等字段；以ID号为关联代码，采用GIS的属性挂接功能模块进行分区属性挂接，形成具有统一坐标系、空间属性的水电站流域分区图形文件（图3，见彩页）。

2.2.2 多维信息叠加处理

采用GIS的空间叠加分析模块，将气象站点点文件与水电站汇水流域面文件进行空间叠加分析，合并两个文件的空间属性，通过属性的导出，统计每一个水电站汇水流域内的气象站点数量（表略）以及面积（表略）；通过计算每一个气象站点的降雨量，得到水电站汇水流域的降雨总量，根据气象站点实时降雨量动态观测数据，实现水电站汇水流域面雨量的实时监测。

3 西江流域分区面雨量计算方法

面雨量计算方法较多，主要有：算术平均法、泰森多边形法、等雨量线法、网格插值法和逐步订正格点法等方法，本文选取算术平均法和泰森多边形法进行比较分析，从中选择一种适合的计算方法。

计算广西电网6大流域66个流域区间（小流域）2014年4-6月面雨量，分4个量级进行对比分析，即：小到中雨（RX），面雨量＜15mm；大雨（RD），30.0mm＞面雨量≥15mm；暴雨（RB），60.0mm＞面雨量≥30mm；大暴雨及以上（RDB），面雨量≥60mm。计算结果见表1，从表1可见，各流域各等级两种计算方法的平均误差分别≤0.6mm、≤2.3mm、≤3.7mm和≤6.5mm，最小误差均≤1.2mm，大部流域区间各等级最大误差＜10mm。

进一步分析表1中部分流域区间最大误差≥10mm的情况（表2），从表2可见，在小到中雨量级中，只有桂江流域54个个例中有一个出现最大误差≥10mm的情况，即：2014年5月16日，桂江流域旺村区间算术平均法计算面雨量为10.2mm（小到中雨），泰森多边形法计算面雨量为22.6mm（大雨），反查当日旺村周边流域区间，除金牛坪区间和京南区间出现11.0mm和10.5mm的面雨量外，其它区间均小于5mm，表明旺村区间当日以小到中雨为主，算术平均法更贴近实际；在暴雨量级中，66个区间总计有9个流域区间出现最大误差在10-17mm，而两种计算方法结果接近或在同一个量级（暴雨量级）；在大暴雨量级中，66个区间总计有6个流域区间出现最大误差在11-20mm，而两种计算方法结果均在同一个量级（大暴雨量级）。

综上分析表明：采用算术平均法和泰森多边形法计算流域面雨量时，总体情况两种计算方法误差不大，当出现暴雨以上降雨时，两种计算方法最大误差大部情况＜10mm，个别流域区间出现最大误差≥10mm，两种计算方法均为接近或在同一量级范围，说明由于流域区间自动站网点布局相对较密集，算术平均法和泰森多边形法计算流域面雨量差异不大，但由于算术平均法计算简便，运算过程较泰森多边形法速度快，因此，考虑到流域面雨量业务需实时资料及时性的特点，取算术平均法为电网流域分区面雨量计算方法。

表1 流域区间面雨量算术平均法和泰森多边形法计算误差分析表

4 面雨量实时监测与预警服务

4.1 实时数据收集、计算与入库

（1）降雨量实时数据收集

采用SQL查询语句，从气象局实时资料共享数据库中提取广西区和云南、贵州省自动气象站逐小时降雨量实况数据，归纳整理到同一个数据集合，形成原始数据表。

采用C＃语言和SQL技术，编制实况数据处理程序，广西区逐小时降雨量实况数据在整点后10分钟处理一次，收集得到整点前一小时实时数据后存入数据库；云南、贵州省逐小时降雨量实况数据在整点后10分钟和50分钟各处理一次，以保证数据的及时性和完整性，收集得到整点前一小时实时数据后存入数据库。

（2）面雨量实时数据计算与入库

采用C＃语言，编制入库面雨量信息处理程序，对入库的逐小时降雨量数据，进行分流域信息、自动站信息与实况降雨量数据表的处理，通过C＃中的LINQ技术、SQL技术，采用算术平均法，计算分流域面雨量，形成分流域面雨量实况数据记录，自动写入数据库。

其中广西区入库的逐小时降雨量整点后10分钟计算一次面雨量，云南和贵州省入库的逐小时降雨量分别在整点后10分钟和50分钟各计算一次面雨量。

（3）面雨量图形显示

采用Flash ActionScript技术实现分流域面雨量实况图在网页上显示和分流域自动填色的功能，根据面雨量的不同量级，选取不同颜色的色斑图表示，使得图片显得形象、直观、生动（图略）。

4.2 面雨量实时监测与预警服务

通过与广西电力部门设置的数据传输专线，将入库的面雨量实时监测数据传送到电力服务器，以网页形式显示与浏览。

表2 流域区间面雨量算术平均法和泰森多边形法最大误差≥10mm个例分析表

根据广西电力部门生产需求，西江流域分区面雨量实时监测产品，每小时处理、计算生成3小时、6小时、12小时和24小时累计面雨量实时监测产品各1份，当3小时累计面雨量≥20mm（暴雨量级）时，通过手机短信预警平台，为定制用户发布预警信息。

2014年5月9日晚至11日，受高空槽和偏南气流共同影响，广西北部、东部的部分市县出现了暴雨到大暴雨的强降水天气，过程具有局地短时降水强度大的特点，桂林、河池等地的一些乡镇一小时降水量达80mm以上，其中天峨县芭暮乡高达117mm，为历史少见。

统计5月10日03时至11日14时，西江流域总计有130个分流域3小时累计面雨量≥20mm，过程短时强降雨最大范围出现在5月11日03时至06时，有11个分流域3小时累计面雨量≥20mm（图4，见彩页），最强降雨出现在10日24时至11日03时的柳江流域，3小时累计面雨量有3个小流域≥50mm（特大暴雨量级），1个小流域超过100 mm（图5，见彩页）。本次短时强降雨过程及时通过手机短信预警平台发布了预警信息，为电力生产部门制定防灾减灾对策、采取合理的抗灾救灾措施提供了快捷、客观的科学依据。