大凌河流域水文气象预报系统构建与应用分析

冀连华

(辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000)

暴雨是引发洪涝灾害的“罪魁祸首”。近年来，因暴雨导致的区域间接和直接经济损失已达数百亿元。据不完全资料统计，仅辽宁省朝阳市境内就有大凌河、小凌河、青龙河、老哈河等多条河流，大大小小的河流集水总面积已超过19 777 km2；多年平均地面径流量可达13.22亿 m3。其中，流域面积在100 km2以上的河流就有将近70条，总长度可达2 560 km。另外，该研究区境内还分布有大面积的水库、湖泊等，都需要依靠先进的水文气象预警系统展开数据资料监测、分析，以保障地区经济、社会发展稳定、安全[1]。在此背景下，本文将基于我国逐步完善的水文气象预警技术，为了充分适应辽宁省朝阳市“十三五”时期经济、社会发展需求，通过构建以GIS技术为支撑的先进水文气象预警监测系统，以此对朝阳市境内流域、水文气象、定量降水、洪水情况展开监测、估算与预报和预警。

1 县域概况

朝阳市别称“龙城”，其位于辽宁省西部，东与辽宁省中部工业城市群相连，西与京、津、冀经济圈接壤，南与秦皇岛相临，北同内蒙古腹地相依，地理位置优越，被国务院评为“全国优秀旅游城市”。截止到目前，朝阳市共辖2市、2县、1个自治县，且代管2个县级市。该区域丘陵起伏，土地类型多样，在北温带大陆性季风气候影响下，四季分明，雨热同期，光照充足，全年降水量较少，约450～580 mm。大凌河作为朝阳市最大的河流之一，流经长度约为226.7 km，流域面积2.35万 km2，流域内年降水量为450～600 mm。近年来，大凌河流域水质污染现象日益严重，水中的BOD5、COD和挥发酚等均超过三级地面水标准，严重影响了境内水生态系统平衡[1]。

2 水文气象预报系统构建

2.1 预报系统总体构建方案及基本原理

本系统旨在基于GIS技术，采用先进的水文气象预报、预警技术平台，对朝阳市境内河流、气象和降水、洪水等相关情况进行数据监测、分析，以对该市自然灾害防范提供决策依据[2]。系统建成后，可通过数据网络平台，对该研究区内流域水文气象综合信息进行监测、预报与查询。系统主要基于B/C/S三层技术架构，通过C/S系统进行总体逻辑设计，以实现对研究区内流域、降水等进行定量估算和定性描述；同时，基于中尺度数值模式，对研究区洪水、水文、水情等数据信息进行综合处理。

在此基础上，采用B/S架构模式，实现对水文气象资料信息的实时显示与发布。在本系统开发、设计过程中，主要基于“先进、实用、开放、标准、规范与可扩展、可兼容”几大基本原则，使平台服务器能够在Microsoft Window XP操作系统中稳定运行。本系统网页平台制作采用工具Asp.Net 4.0，采用C#语言编程，Microsoft SQL Sever为网页数据库平台。通过ODBC与后台系统数据库进行连接，系统WEB服务器为Microsoft IIS 5.0，采用IE浏览器可访问系统客户端。

2.2 预报系统运行具体技术流程

朝阳市大凌河流域水文气象预报系统运行实施主要技术流程如图1所示。

图1 朝阳市大凌河流域水文气象预报系统运行实施流程

如图1所示，本系统首先在C/S层面，通过量站监测、雷达探测和模式预报三个环节，对朝阳市境内大凌河及相关附属河流流域中的实际情况和降水资料信息进行获取，以此结合数据监测分析结果，制作水文气象图形产品文件。与此同时，需将其正确转换为水文气象资料模型所需的各种文件格式，并将其准确输入到该水文系统模型中，从而对朝阳市大凌河流域相关水文气象和大气资料进行预报监测及预警；最终，通过系统平台B/S层面中的网页，对相关预报、预警信息进行实时、动态发布[3]。

3 预报系统基本功能介绍

朝阳市大凌河流域水文气象预报系统构建的主要目标，在于为本研究区水文气象灾害预报、预警提供一种实时、动态与先进的雷达探测技术、雨量站监测技术和中尺度水文效应预报模式，从而让用户通过流域水文气象预报系统技术平台，基于Internet对研究区目标范围内相关水文气象数据资料进行预测、浏览及查询[4]。所以，本系统设计宗旨是一切为了用户，推动朝阳市区域经济、社会和生态环境协调发展，以水文气象管理规范为准则，实现以下几大基本功能：

(1) 用户信息资料管理。系统设计与平台构建的主要服务对象是用户。因此，用户操作行为是否合理，将直接决定系统能否长效、科学与安全运行。故本系统首先在功能方面加强了对用户信息安全和保密管理，通过对用户登录和进入系统进行授权，让用户登录时通过用户名和密码验证，调取系统数据库中的特征信息量后方可通过验证；然后由系统管理员对用户类型进行判断，结合用户身份为其提供不同的操作权限，让用户以系统操作为核心，进行流域数据资料管理、属性查询和流域名称、代码查询、增减、描述与输入输出，然后将相关操作信息记录上传存储至系统服务器中的流域管理属性列表中，以供其它用户调用。

(2) 大凌河流域概况分析。此功能模块的主要作用是通过系统图形展示和文字描述，以此为用户清晰展示大凌河流域内的地理地形和相关水文气象数据信息资料等。

(3) 大凌河流域内大气降水实况监测。该功能模块的核心功能，是通过区域加密站和国家自动气象站及水文站等相关数据资料，以实现对大凌河流域内每小时、12 h内及24 h内相关降水实况进行全方位、动态监测[5]。

(4) 基于雷达监测技术，对大凌河流域内降水情况进行估算。此功能模块的主要作用，在于采用雷达通信技术对研究区内降水情况进行监测、显示及采用雷达预报系统中的SWAN模块，对研究区内实时降水量进行估算和显示。

(5) 流域内降水预报分析。本功能模块的主要作用，在于通过WRF模式和T639模式及AREM三种不同模式，对研究区内降雨情况进行准确预测与预报，以实现对目标研究区流域内1 h、3 h和6 h及12 h和24 h内的实时降水情况进行显示。

(6) 研究区流域内水文实时预报与预警。此模块的主要作用是分别通过中尺度暴雨预报技术和自动雨量站、雷达估算技术，对流域内高时空分辨率的降水监测预报信息进行预报，并对风险数据信息进行预警。

(7) 流域内水文数据监测。此模块的主要功能在于对大凌河流域内水位和水量信息实时显示，并对水位进行预警，同时向用户提供日数据查询功能[6]。

4 预报系统功能实现与具体应用成果转化

结合上述基本功能目标，在朝阳市大凌河流域水文气象预报系统实现与应用过程中，考虑到朝阳市大凌河流域是一个以河流为主线、以分水岭为边界的特殊区域。所以，流域不同，其面积和分水岭及水系发育状况、具体形状、方向等相关属性信息也不同。

(1) 以大凌河流域为背景的水文气象资料信息预报，主要工作就是对大凌河流域内分水岭和水系等基本信息资料进行提取及处理[7]。

(2) 基于DEM水文分析模型，采用GIS地理信息技术和雷达监测通信技术，对研究区试验流域边界进行划分，以此获取目标流域内相关水文气象信息资料[8]。

(3) 结合大凌河流域实际水系进行数据校核，最终确定流域内水域和地名等信息资料。

(4)对收集和提取的相关信息数据、资料进行数字化处理和描述。如图2所示分别为水文气象预报系统下，大凌河流域水文气象预报图及GIS地理信息技术和雷达监测技术下生成的大凌河流域源头保护区水源综合治理保护三维效果图。

图2 GIS地理信息和雷达监测技术下大凌河流域源头保护区水源综合保护效果图

如图2所示，大凌河流域内的水文区域被划分为一类、二类、三类和四类及五类、劣五类六个不同区域，由此通过不同颜色可以看出，大凌河流域源头水文、水质等存在风险的程度。通过预警、预报，可及时对源头水源进行保护和治理[9]。

5 结语

综上可知，朝阳市大凌河流域水文气象预报系统在本研究区内水文气象、定量降水、洪水情况监测、估算与预报和预警方面发挥了重要作用。本文通过构建朝阳市大凌河流域水文气象预报系统，以朝阳市研究区基本水文、气候和降水等一般资料为基础，基于GIS技术、中尺度数值模式和雷达监测通信技术，对本研究区目标流域内水文气象信息资料进行分析、监测，最终结果显示，该系统可以WEB形式实时、动态、及时、全面对朝阳市大凌河流域内实况降水、预报降水和水库、河流水位进行预警及预报，且通过高分辨率的降水信息，实现了洪水入库过程监测。与此同时，采用本系统对2016年朝阳市大凌河流域水库和水坝等进行汛期监测与预报服务，取得了良好的服务应用成效。

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