城市防洪中水文预报技术的运用研究

李 杰

(辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118000)

城市防洪中水文预报技术的运用研究

李 杰

(辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118000)

随着现代科学技术日益进步，中国城市防洪基本形成了以工程措施为主、以非工程措施为辅的防洪新格局。辽宁省丹东市也不例外，近年来在城市防洪中积极采用新技术、新手段、科学防洪，应对自然灾害。水文预报技术作为一项非工程防洪措施，其在一定程度上大大提高了人们生活与生产的安全性。基于此，文章将重点以辽宁省丹东市为例，对现代水文预报技术在丹东市防洪中的实际应用情况进行论述，以此提高当地的防洪效率。

辽宁丹东；防洪；水文预报；技术应用

丹东市作为中国最大的边境城市，其位于辽宁省东南地区以及辽东半岛经济开放区东南部鸭绿江与黄海的汇合处，东与朝鲜民主主义人民共和国的新义洲市隔江相望，因此丹东市水系发达。据统计，仅丹东地区100km2和2km以上的河流分别有42条以及944条，其为该地区特大洪水灾害的发生留下了巨大的安全隐患。在分析过程中，文章以先进的计算机以及网络技术为支撑，通过对该地区的防洪信息和水文预报等相关信息进行及时接收和处理、检索、查询，从而构建集洪水作业预报以及洪水预报服务为一体的集成化工作平台，充分发挥水文预报技术在该地区防洪减灾中的重要作用。

1 丹东市防洪减灾的必要性

总体而言，丹东市年降水量时间分布不均，由于区域内地形变化差异较大，因此丹东年降水地区分布也不均衡；另外，从天气系统来看，丹东市暴雨天气系统主要由副热带高空槽以及高压、台风和气旋等组成，因此极其恶劣的天气系统导致该地区每次暴雨时常大约1-3d，而且70%以上的特大暴雨都集中于同一天，由此使当地洪水变化趋势呈单峰型。除此之外，受当地天气和气象双重因素影响，该地70%以上的降水大多集中于6—9月份。因此，一旦发生洪水灾害，影响极为恶劣，当地经济社会发展将会受到巨大影响。但是，在防洪过程中，辽宁省丹东市通过工程措施以及非工程措施积极预报洪灾和应对洪灾，近年来取得了明显的成效。

实践证明，防洪减灾是人类顺应自然以及改造自然的一项重要活动，其不仅需要遵循自然发展客观规律，更要有组织、有计划，将防洪减灾制度付诸于实践。因此，防洪减灾在某种程度上而言，是人类对区域水文特点以及洪水特性和时空分布规律的再认识，同样也是人与自然正确处理利害关系的重要环节，这对于水灾成灾机理的探讨以及防洪减灾体系的构建和防洪工程措施与非工程措施的不断完善具有至关重要的作用[1]。

2 水文预报技术

现代水文预报技术是在人类不断认识自然和改造自然以及顺应自然、和自然和谐相处过程中，逐渐形成的一种防洪手段，从防洪效益和防洪功能上来讲，现代水文预报技术在城市防洪过程中具有“参谋”作用和“耳目”作用。其中，充分利用现代计算机网络技术以及现代通信技术和互联网技术进行水文预报，是当今人类科学防洪以及高效防洪的必然要求，同样也是构建人与自然和谐相处新生态的重要理念[2]。

其作为一项重要的非工程措施，为城市流域以及河道和水库等提供了一种有效的防洪减灾手段，也为城市相关管理部门防汛、抗洪提供了科学、准确的预见期。在实际防洪水文预报过程中，重点包括2个方面的技术内容：①准确编制城市防洪水文预报方案；②结合防洪方案，积极开发水文预报信息系统。

文章在对辽宁省丹东市水文以及气候和流域、降水等相关资料进行准确收集基础上，结合辽宁省现有洪水预报与资源调度系统，开发了新型的城市水文预报信息集成系统[3]。因此，为该研究区重点流域防洪减灾提供了一种极为高效的技术手段。

3 水文预报技术在丹东市防洪中的应用

3.1 准确编制丹东市洪水预报监测技术方案

水文预报技术方案的编制，需要通过研究流域内洪水演进以及气候特点和地形、地势等相关水文气象要素的实况[4]，以此结合下垫面的具体情况，选择适当的洪水预报技术模型，当前较为常见的几种水文预报数学模型有：

1)流域水文模型：这一数学模型又可分为陕北模型、API模型(前期影响降雨量模型)、SAC模型(萨克拉门托)以及新安江模型、人工神经网络模型、TANK模型(水箱模型)及分布式流域水文模型。

2)河道洪水演进模型：这一水文预报技术模型主要分为特征河长法以及马斯京根法。

3)实时校正模型：这一水文预报技术模型主要分为卡尔曼滤波以及自回归和误差实时校正、滑动平均等。

综上几种常用的水文预报技术模型，文章考虑到辽宁省丹东市位于北方地区，因此其适宜在城市防洪中，采用辽宁指数模型及相关线性模型和蓄满产流模型。故文章将重点采用上述3种水文预报模型，通过率定辽宁省丹东市的相关水文参数，以此针对3种模型的预报结果进行对比，从而为相关部门以及大众提供精准的预报信息。

3.2 科学构建丹东市洪水预报监测信息系统

洪水预报系统是预报作业人员的技术平台。传统预报模式中，仅仅依靠技术人员采用相应的模型，然后将水文信息数据资料录入系统，再由人工展开繁琐计算，故其可靠性与实效性大大降低[4]。而文章在研究中，构建了科学的洪水预报信息系统，实现对丹东市水文信息的智能监测、收集与分析、计算及预报，因此这一信息系统的主要功能为：

1)科学率定丹东市水文预报信息参数。

2)对丹东市年、月、日等降雨量信息进行实时监测。

3)通过流域汇流计算和流域产流计算，以此对丹东市的降雨径流情况进行及时、准确预报。

4)对丹东市河道的洪水进行准确预报。

5)采用实时校正模型，对丹东市实时洪水变化情况进行预报。

6)对城市防洪水文预报信息系统进行运维管理。

在上述功能实现过程中，计算机网络技术是一项核心技术。首先，其在信息接收处理中，能够将系统接收到的相关信息进行及时处理及保存，然后将其存于丹东市水文预报信息数据库中，如图1所示：

图1 丹东市水情信息处理与分析

其次，在对丹东市洪水以及水文信息情况进行预报过程中，为了能够及时掌握相关信息数据的变化动态，需对系统中的备用信息进行查询和检索，从而提取有用信息，与用户进行直接交互处理[5]。因此，这一系统的稳定性和交互性要求较高。为了提高系统的运行安全性，文章在研究时，通过对系统服务端程序进行透明处理，以此提高系统的容错能力[6]。文章中的信息系统信息检索以及查询，采用三层数据结构设计方式，系统利用电子地图，将丹东市水情信息与矢量化的地图数据有效结合在一起。如丹东市某流域上游的水文预报中心，可将各个分中心以及各个数据监测站点的的大、小河流数据集中到一个集成系统中，以此通过电子地图，直观展示相关数据。

除此之外，该信息系统还可充分利用现代网络技术及GIS技术，通过Visual Studio.NET、Delphi等开发平台、组件及编程技术进行系统开发。在此设计运维过程中，系统采用B/S、C/S编程技术及多层次结构，对丹东市水文预报数学模型分析交互模块和系统运行界面进行实时、规范化处理。与此同时，水文预报成果和实时水情信息在丹东市防洪信息传递过程中发挥着重要的作用。因此，利用计算机网络技术，能够实现系统联网及拨号和语音自动查询等。总之，先进的现代水文预报信息系统，能够用于信息保存以及检索和查询、打印等，实现了资源信息共享，提高了丹东市的防洪效率。

图2 丹东市洪水预报监测信息系统模型运行操作流程图

3.3 丹东市洪水演进数值三维仿真模拟

丹东市属于洪水灾害频发的城市之一，因此在洪水到来之前，及时对丹东市洪水的淹没路径和时间以及范围等相关要素进行准确模拟非常关键。流量和历时以及洪峰作为洪水三要素，其只能表征洪水的大小，而无法表示洪水对区域影响的实际程度[7]。对于丹东市区泛滥的洪水而言，只有通过洪水冲击力以及历时和水深等相关指标，才能对洪水的实际灾害严重程度进行评估。因此，文章主要采用力学模型综合了黑箱模型和物理模型的优势：

1)采用二维非恒定流双曲线型偏微分方程组作为基本的模型控制方程。

2)采用无结构不规则的网格，对计算信息进行科学剖分。

3)综合有限差法和有限体积法，准确构建离散控制方程，对阻水建筑物以及滩地型和河道型等相关参数进行科学计算。

4)对丹东市河域周边边界条件和开边界条件、内部边界及动边界等进行边界处理以及初始条件优化。

5)在对丹东市冲淤情况进行计算分析基础上，结合泥沙数学模型，对丹东市河床进行变形定量预测研究。

因此，与以往单一的物理模型与数学模型相比，采用洪水演进模型并结合数字流域技术，能够对丹东市洪水演进实时情况进行仿真模拟。比如，对丹东市水位变化过程线以及流速流量变化和瞬时等深相、流场图等进行仿真分析[8]。一直以来，我国各地区在洪水预报过程中，都采用GIS技术进行信息收集与监测。但是，基于二维平面的GIS技术，主要采用关系数据库对实体几何关系进行管理，故传统水文预报过程中，三维技术功能非常有限，无法对丹东市的地形坡度和坡向以及洪水流向等相关参数进行演进模拟等。而随着计算机技术不断发展，文章大范围采用三维场景仿真技术，并将其应用于丹东市防洪水文预报过程中，通过对当地流域内的洪水进行真实预演，同时采用仿真技术将最终的信息预报结果真实重现，以此通过洪水演进仿真系统为，丹东市防洪辅助决策提供智力和信息支持[9]。

该信息仿真系统是基于三维流域的地形虚拟现实仿真系统。通过对传统二维洪水演进数学模型的相关信息进行汇总，然后在此基础上，按照先后顺序，科学创建丹东市洪水表面层，以此科学全面反映河流流速及水深和水流方向等相关动态化信息等。与此同时，通过对丹东市地形景观及三维流域地形信息等进行叠加和显示演进，以此展示河域水流的逼真变动效果，最终对当地防洪提供决策支持[10]。

4 结 语

综上可知，辽宁省丹东市受天气以及地形影响，年降水量分布基本由西南向东北递减增，因此经常引发洪水灾害。而水文预报由于能准确预报该地区未来一段时间内流域洪水变化情况。因此，使洪水在到来之前，通过准确监测、预报，及时将可能遭受洪灾影响的设备及物质和人口等转移到安全区域。故从防洪减灾效果来看，水文预报技术作为一种现代防洪非工程措施，能够结合丹东市不同地段以及河域的洪水特点，制定科学的防洪预报技术方案。文章通过详细介绍水文预报技术在丹东防洪中的实际应用情况，最终提出了具有发展性、继承性的自动化解决方案。因此，该集成化信息系统妥善解决了丹东市在以往防洪减灾过程中存在的信息发布不及时及信息预报有误等问题。

[1]米热，古丽，& 麦麦提.地下水污染现状调查及处理.水利规划与设计,2013(11)，35-37.

[2]孙宁.城市水资源污染治理与环境保护刍议[J].水利技术监督,2016，24(01),45-46.

[3]严登华，何岩，王浩，等.生态水文过程对水环境影响研究述评[J].水科学进展，2005(05)：747-752.

[4]高素丽.辽河流域河道生态工程建设方案[J].水土保持应用技术，2011(06)：35-38.

[5]李学森.凌河流域水资源现状及保护措施[J].水土保持应用技术，2015(03)：36-37.

[6]刘莉.水文生态安全法律保障研究[D].西安：长安大学，2014.

[7]张建云，宋晓猛，王国庆，等.变化环境下城市水文学的发展与挑战——城市水文效应[J].水科学进展，2014(04)：594-605.

[8]金云杰.凌河流域人工湿地对水环境质量影响分析评价[J].水土保持应用技术，2015(05)：27-28.

[9]何鹏.南水北调东线工程受水区水环境累积影响评价[D].石家庄：河北工程大学，2012.

[10]罗蔚.变化环境下鄱阳湖典型湿地生态水文过程及其调控对策研究[D].武汉：武汉大学，2014.

1007-7596(2016)12-0028-04

2016-11-20

李杰(1968-)，女，辽宁丹东人，高级工程师，研究方向为水文水资源。

P338

B