漳卫南运河洪水预报系统设计与研究

2019-03-15

治淮 2019年2期

（水利部海委漳卫南运河管理局德州 253009）

洪水预报是根据洪水的形成和运动规律，利用过去和实时的水文气象资料，对未来一定时段内的洪水情况进行的预测。随着近年来水文信息化建设的不断深入，洪水预报除了为防汛抗旱减灾提供决策服务，在水资源管理和保护、水利工程施工建设和调度运用管理等领域也得到广泛应用。本文以漳卫南运河为研究对象，利用过去和实时的水文气象资料，对未来一定时段内的洪水发展情况进行预测预报分析，作为防灾减灾的一项重要的非工程措施。

1 概述

漳卫南运河水系主要产流地区集中在漳河和卫河地区，有预报任务的控制站共计11个。对于漳卫南运河流域的洪水预报研究始于20世纪80年代初。目前，在预报模型、预报方法和实际应用方面上取得了一定成绩。与此同时也开发和引进了各种洪水预报软件，在历年的防汛抗洪中为防洪调度决策提供了依据。

近年来，随着洪水预报在各个领域的深入应用，许多问题逐渐显现，主要表现在：预报模型模拟中小量级洪水误差较大；预报软件操作流程复杂、运行效率低；预报控制站及河段固化，未考虑排水、蓄滞洪区应用、下垫面变化对洪水预报的影响，灵活性差；洪水预报使用的雨水情数据库标准不统一，难以保证数据精度等。造成目前这种状况的原因很多：一方面由于流域产流机制复杂、水利工程（包括新修水利工程）较多，另一方面软件开发软硬环境不统一。

2 设计思路

漳卫南运河洪水预报系统基于实时水文数据，通过调用相应的预报模型和算法模块完成洪水预报计算，并对计算成果进行分析和管理。系统由预报方案管理配置、预报方法库、洪水预报、数据管理、成果管理等模块组成见图1。预报方案管理配置提供了一个可视化平台，可自由构建流域拓扑关系，并可将其作为对象，为其配置相应产流、汇流模型以及相应模型参数；预报方法库是洪水预报所有模型和算法的集合，并具有拓展功能，允许新的预报模型和算法集成到预报方法库；洪水预报模块主要根据已配置好的方案调用相应的预报方法库中的模型和算法，进行数据读取、计算分析和成果展示；数据管理模块用来提供数据存取服务，实现数据信息交换与共享机制；成果管理模块对预报成果进行综合管理和展示，形成良好的决策环境。

3 主要功能

3.1 预报方案管理配置

预报方案管理配置采用.NET和GIS技术，根据流域内河流水系、地形、雨量站和水文站点分布状况，划分若干流域水文响应单元、断面和干支流河段等，构建流域拓扑关系，配置相应模型参数，形成通用洪水预报技术平台。

流域各个预报节点、蓄滞洪区、排水口、闸坝以及河道上下游关系都可以作为构建预报方案的设置对象，通过标准化处理后建立各对象联系，形成流域拓扑关系；预报节点对象相关属性包括测站名称、测站编码、计算时段、区间面积以及区间雨量站集合等；预报模型和算法配置，是根据预报控制节点的相关属性和预报需要，将预报方法库中的模型和计算方法分配给相应的预报节点并设置相关参数，通过预报流程配置组合完成模型运行。通过以上配置，可以快速构建流域面上任意一个预报断面的对象预报方案（见图2）。根据流域控制站变化、蓄滞洪区的启用以及河道排水等实际情况，可自行添加或删除预报节点以及相应的属性和计算方法。在实际运用时针对同一对象可选择不同的水文模型和计算方法，可生成不同方案，实现了多模型、多方法的洪水预报。

图1 系统逻辑结构示意图

3.2 预报方法库

根据常用水文预报模型以及现有各水文系统应用的需求，对各模型算法进行了细化，将其具体划分为7个组成部分：①数据提取生成类，主要为从各类水文数据库提取单站的雨量、水位、流量等，对各类水文数据进行插值分析，生成预报模型所需要的任意等时段格式，生成面雨量等算法，以及相应单位线选择。②流域产流模型类，主要包括降水径流关系模型等实用模型。③流域汇流模型类，包括汇流单位线模型等。④河道汇流模型，包括马法演进模型、汇流系数演进模型等。⑤水库调洪演算模型。⑥闸坝蓄滞洪区调洪演算模块，包括行洪区、蓄洪区、闸坝等分洪调度模型；⑦其他计算方法，包括各类相关法，如上下游水位流量相关等。同时预报方法库保留开放式接口，以便有新的模型和算法接入。

3.3 洪水预报

系统依据已建立的洪水预报方案和预报计算流程，进行洪水预报作业，并根据预报经验通过干预预报进程进行综合分析。同时，引入实时校正模型对预报成果进行修正。以使用降雨径流模型为例，洪水预报作业主要分为以下部分：

当粗锡中含铋较高的时候，采用真空蒸馏，比机械结晶机更有优势。但如果粗锡中的银含量较高时，粗锡仍需要通过结晶机除去其中的银，因此，在锡的火法精炼中，用真空炉完全取代结晶机生产四九锡，暂时还难以实现。

3.3.1 时间设置

为洪水预报设置起始时间。

3.3.2 数据提取

前期土湿（Pa）计算及读取：前期土湿是反应土壤含水量的重要参数，直接影响流域产流计算。选择预报区间，设定起止时间后，系统读取该时段实时雨水情数据库中相应雨量信息后按照预报方案配置的算法进行计算并显示结果，用户可根据经验或实际情况对计算结果进行修正。

雨量、水位和流量提取：根据设置的预报起始时间，系统将读取的雨量、水位和流量信息，处理成预报方案要求的时间格式，并进行显示。

基流提取：是指由地下水外渗进入水系中流量。为提高预报精度，系统设计了基流提取功能。

实测流量延长：系统读取预报节点实测流量数据并进行延长，以保证数据完整性。

图2 预报方案管理配置界面图

预报降水生成：根据相关气象预报，若后期预报后期还将出现降雨，可将预报降水数值分配给相关分区，进行后期洪水预报。

3.3.3 产汇流计算

面雨量计算：系统根据预报方案对已读取的雨量信息进行计算，得出面雨量成果。

产流计算：根据预报方案所设定的计算方法和参数，得出各个预报分区的产流量。

汇流计算：主要是指流域汇流，即将产流量按照单位线或者其他计算方法的分配在流域出口形成出流过程。

3.3.4 洪水演进

根据预报方案配置和流域拓扑关系，各个出口断面的出流过程经过相应的计算，在流域的各个预报节点形成洪水过程。

3.3.5 实时校正

实时校正模型就是要对水文模型中未考虑或无法考虑而对实际洪水又有一定影响的误差因素，利用实时系统能获得的观测信息和一切能利用的其他信息对预报误差进行实时校正，以弥补流域水文模型的不足。实时校正可以最大限度地利用预见期内所获得的各种信息对后期预报值进行反馈校正，以提高预报精度。系统的实时校正采用反馈模拟校正法。

3.3.6 预报成果

一次洪水预报结束后，系统对计算成果进行汇总，将各个预报节点和分区的洪水预报要素进行读取、计算和显示，供用户进行对比分析。