浙东沿海城市洪水预报模型建设研究

卢 克

(浙江水利水电学院 信息工程与艺术设计学院，浙江 杭州 310018)

浙东沿海城市洪水预报模型建设研究

卢 克

(浙江水利水电学院 信息工程与艺术设计学院，浙江 杭州 310018)

随着水利信息化的推进和城市防洪减灾要求的提高，精准洪水预报需求越来越迫切.根据浙东沿海城市洪水发生的特点，提出建设洪水预报模型的一些技术要求，包括分布式水文模型选型、数据需求、关键技术和应用流程；同时指出该地区在开展先期试点研究工作时，应根据当地的实际情况，选择适宜的分布式模型，根据参数要求进行前期的数据准备和自动监测网建设工作，为后期模型系统开发运行和率定打下基础，为洪水精确预报提供有效的技术保障.

浙东沿海城市；洪水预报；分布式水文模型

我国多数区域极易发生洪涝灾害，造成人员伤害和财产损失，如何做好防洪治涝工作，减少灾害损失是各地区当前防灾减灾的重点任务.利用先进的计算机技术和水文学知识来建立区域雨洪和排涝模型，准确地预测不同量级外洪及内涝形成的水位、淹没范围、水深、流速流量以及淹没持续时间，能提前进行洪水预报或暴雨致洪预警，并为科学地制定防洪排涝方案提供技术依据和决策支持，灾后还能进行损失评估.洪水预报模型建设是当前防汛减灾的重要研究方向.

浙东沿海区域在暴雨、台风天气下，容易发生外洪与内涝并存的现象.由于受到外江高洪水位的影响，内涝难以排出，若碰上天文大潮，极易形成洪水倒灌，造成内河漫顶，形成更严重的内涝，往往存在外洪、内涝、大潮“三碰头”的情况.另外，该地区具有小流域特征、暴涨暴落、非蓄满产流等特点.因此，在建设洪水预报模型时，应该将降水、地面产汇流、管网汇流和河网汇流等过程进行综合考虑，并根据暴雨强度、区域地形、城市外江水位和潮位变化过程等情况来准确模拟城市外洪和内涝的排除过程[1].

1 洪水预报模型选择

洪水预报是水文工作中测、报、算中的一项重要内容.水文模型就是使用数学语言或物理模型对降雨、径流等水文过程的运动规律进行描述或比拟，并在借助必要计算工具下对水文变量进行模拟、预测和分析[2].在其方法上可分为经验和模型两种，多年来从总体上走过经验公式—集总模型—分布式模型的趋势发展.

随着计算机技术和地理信息系统的发展，分布式水文模型得到广泛的应用.由于分布式水文模型充分考虑空间的异质性以及参数具有明确的物理意义，并从水循环过程的物理机制入手，将产汇流、土壤水运动、地下水运动及蒸发过程等联系起来综合研究，响应土地利用、地形等下垫面的时空变异性，从而增强了水循环的空间描述能力以及提高了对洪水过程的模拟和预测能力.

沿海地区降水产流机制是洪水预报的核心，与常用的水文模型还有一定应用差别，如小流域特征、暴涨暴落、非蓄满产流等，在模型的开发或选择上需要进一步考虑.建议在经验公式法、常规集总模型改进的基础上，或者相互结合等方式，分析比较分布式各种模型应用的实际效果，作为建模的前期性工作.同时，一定要有模型选择评估的过程，以支撑后续模型相关各项工作的推动开展.开展模型选择有关工作涉及到已有水文观测基础、预报短中长期目标、现有模型可用性、模型的率定运行等必要的配套条件等.

利用模型进行洪水预报需要整合国土、农业、林业、气象等多部门的信息，借助地理信息系统，通过庞大的数据库系统来实现水文预报的及时性、准确性、可靠性等要求.常用分布式模型[3](见表1).

表1 常用分布式水文模型

2 分布式水文模型的数据需求

浙东沿海城市所在的区域情况较为特殊，在构建适宜其特征的分布式水文模型需要多个参数确定的相关配套数据支撑及模型验证来提高模拟精度，因此需要有大量的基础监测数据来进行支撑，要做好前期的准备和积累.模型主要支撑数据包括：

(1)基础地形数据

高精度的数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)，是分布式水文模型计算的基础，其分辨率的高低直接影响模型运算结果的精度[4].基础地形数据可从建设和测绘等部门获得.有条件的区域建议使用1 ∶500或1 ∶1 000比例尺地形图生成DEM.

(2)排水系统数据

排水系统数据主要包括河道、水库山塘、沟渠、地下排水管网等数据，可从建设、农业、水利和测绘等部门获得.该数据获得为精确计算管网汇流过程和河网汇流过程提供了基础.

(3)土地利用数据

土地利用数据包含流域内林地、农作地、城镇等矢量信息，可从国土、林业、农业等获得.土地利用的变化信息可以从规划部门获得.另外，可以利用卫星遥感影像或无人机航拍等方式来对土地利用变化信息进行监测，及时更新反馈.

(4)土壤类型

土壤类型、各个土壤类型的空间矢量分布图需要收集的数据包括土壤名称、土壤层数、根系深度和表层到底层土壤深度，一般可以通过《土壤志》并结合实地调查与监测获得.

(5)气象数据

流域范围内各气象站点的气象数据主要包括流域的降水(逐日或逐时降雨强度)、气温(最高、最低和日平均气温)、相对湿度和太阳辐射等数据，以及各站点位置，可从气象和水利部分获得.建议一个小流域根据大小，至少有两个以上的雨量站.

(6)水文资料

水文资料，用于模型率定和验证的流域内相关断面的逐日水位(或流量)过程.建议一个小流域至少要有一个水位站，监测项包括逐日水位、洪水发生时的实时水位过程；此外，对于重点流域，以及较大和重点区域的水系，建议有条件进行流量监测，特别是洪水发生时的实时流量过程.外排水闸的开关闸信息，以及闸前和外海水位自动监测.从洪水预报的角度，重点数据是洪水发生时的实时过程信息.

分布式水文模型种类较多，根据所选择的类型，可能还需要其他类型的参数信息，建议尽早专题研究，做好数据准备和积累[5].

由于人工观测水文数据费时费力，且时间间隔精度有限；因此，各地在推进水利信息化时，建议应先期开展自动监测网建设工作，为后期的模型应用提供实时数据.自动监测网建设内容(见表2).

表2 自动监测网建设内容

3 模型构建的关键技术

(1)GIS技术

地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS)是在计算机软、硬件支持下，对地理空间和属性数据进行获取、储存、管理、运算、分析和显示的计算机系统[6].GIS是一门综合性学科，与分布式水文模型结合，能够为其提供强大的数据管理、查询、计算分析等能力，促进模型的发展和进步.由于分布式水文模型参与运算的各参数都带有空间位置信息，因此GIS在分布式水文建模的空间数据管理、水文特征提取、模型水文参数获取、计算分析与结果可视化等多个方面挥着重要作用[7].

(2)模型系统开发

模型系统开发工作主要表现在空间数据查询处理分析、模拟过程的结构设计和可视化展示与结果应用等方面.模型结构方面，“组件式模型库系统”的思想极大地方便了模型的应用和推广，这种模型系统在应用时针对具体的问题耦合相应的模块，对水文循环过程或其中一个环节采取不同的处理手段.开发可视化的管理系统可以提高模型的交互性和易用性，组件技术已经成为开发高效、交互式桌面程序和B/S程序的最好选择，并且有许多集成开发工具供选择.根据水文模型与GIS的集成程度可以分为松散耦合、紧密耦合和完全集成3种.大多数模型都是松散耦合的，如VIC、MIKE-SHE、SWAT、PDTank等，而在集成开发环境(如VisualStutio.NET等)上采用组件式GIS开发GIS功能及水文模块才能实现完全集成，这种方式有利于系统结构优化、数据传递和提高执行效率，是分布式水文模型和GIS集成发展的方向[8].

4 模型应用流程

模型应用流程主要包括模型结构确定、提取模型参数及运行、率定模型等过程.

(1)模型结构确定

根据浙东沿海地区的水文过程特征、洪水预报的需求和数据资料收集情况，确定参与模拟的子过程主要包括：降水、截留、入渗、填洼、河道汇流、管网汇流、蒸散发、渗漏、壤中流、地下水和融雪等.

选择各子过程合适的算法：很多子过程都具有多个不同的实现算法，应根据区域特点、数据特征和时空尺度等条件为子过程选择适用的算法.

(2)模型参数提取

具有明确物理含义的参数一般都可根据下垫面数据(如DEM、排水系统、土地利用、土壤类型等)提取.参数提取是一个较复杂的过程，需要模型开发人员具备较高的数据预处理加工能力、工作流方法和技术以及软件综合使用等方面的要求，后期开发的模型软件系统应针对该过程进行简化和易用性处理.

(3)模型运行和率定

模型的计算单元(又称为水文单元)可根据资料的收集情况进行确定(包括类型和分辨率两个方面)，如规则网格、坡面单元、地貌单元或子流域等.入渗、填洼、截留、渗漏、蒸发等水文过程发生在独立的各个水文单元，而坡面汇流、壤中流、河道与管网汇流等水文过程则需要按照上下游关系由多个水文单元共同参与运算.通常需通过数值方法求解偏微分方程，与传统的集总式模型相比，模型计算量更大，运行时间更长[9].

为了提高模型运算结果的正确率，一般采用自动率定方式进行.通过自动不断迭代修正参数的方式在一定程度上降低了用户参数率定的难度，是为一种高效的方式.当前较流行的方法主要包括：遗传算法、模拟退火、粒子群算法、SCE-UA算法、NSGAII算法等[10].由于自动率定在迭代过程中需不断调用模型，且模型一次运算量就已很大，导致自动参数率定的运行量巨大，容易造成运行效率低下的问题.因此在水文单元多、时空尺度精度高、待率定参数数量大的情况下，应加大对分布式水文模型软件系统的运算性能的关注，采用云计算方式来提升运算效能.

5 结 语

构建适宜区域特征的分布式水文模型是探索和认识复杂水文循环过程与机理的有效手段，是解决当前水文领域进行洪水精确预报的有效工具.从国家层面和各地区开展情况来看，分布式水文模型建设目前还处于前期探索阶段，离大面积推广应用还有一个相对漫长的过程.浙东沿海地区经济较为发达，且饱受洪水灾害之苦，随着水利信息化的推进和洪水预报需求的迫切，可以开展先期试点研究工作.该地区水利部门应根据当地的实际情况，选择适宜的分布式模型，根据参数要求进行前期的数据准备和自动监测网建设工作，为后期模型系统开发运行和率定打下坚实的基础.随着该区域试点工作的不断推进和应用水平的逐步提高，将推动洪水预报模型技术的发展，为防洪决策提供有效的技术保障.

[1] 钟力云.基于GIS的城市洪涝模型研究[D].杭州:浙江大学，2006.

[2] 焦学军.基于高分辨率DEM的小流域分布式水文模拟[D].郑州:河南大学，2008.

[3] 江净超，朱阿兴，秦承志，等.分布式水文模型软件系统研究综述.地理科学进展，2014，33(8):1090-1100.

[4] 徐宗学，程 磊.分布式水文模型研究与应用进展[J].水利学报，2010，41(9)：1009-1017.

[5] 郭艺歌.基于GIS的小流域产流计算方法研究[D].武汉:华中科技大学，2005.

[6] 陈 鹏，孙滢悦，张立峰，等.基于GIS的城市洪水灾害风险评价及时空演变.南水北调与水利科技，2014，12(3):170-175.

[7] 贾仰文，王 浩，倪广恒，等.分布式流域水文模型原理与实践[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[8] 张金存，芮孝芳.分布式水文模型构建理论与方法述评[J].水科学进展，2007，18(2)：286-292.

[9] 朱雪芹，潘世兵，张建立.流域水文模型和GIS集成技术研究现状与展望[J].地理与地理信息科学，2003，19(3)：10-13.

[10] 丁 飞.SWAT模型小尺度流域模拟的适宜性研究[D].南京:南京农业大学，2007.

OnFloodForecastingModelforCoastalCitiesinEasternZhejiang

LU Ke

(College of Information Engineering and Art Design,Zhejiang University of Water Resources and Electric Power,Hangzhou 310018,China)

Due to the information construction of water conservancy and the requirements of urban flood control and disaster reduction,the demand for accurate flood forecasting is becoming more and more urgent. According to the flood characteristics in coastal cities in eastern Zhejiang,some of the technical requirements and suggestions in the construction of flood forecasting model are given,including distributed hydrological model selection,data requirement,key technology and application process. It is pointed out that the appropriate distributed model should be chosen according to the actual situation in the pilot study,and the data preparation and automatic monitoring network construction should be carried out according to the requirement of the parameters.

coastal cities in eastern Zhejiang; flood forecasting; distributed hydrological model

2016-03-09

2014年度浙江省水利厅科技计划项目(RC1453)

卢 克(1982-)，男，浙江瑞安人，硕士，讲师，主要研究方向为水利信息化应用.

TV147

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1008-536X(2016)10-0039-04