浅析城市防洪中水文预报技术的应用

贾新颖

（河北省水利规划设计研究院有限公司，河北 石家庄 050021）

一、水文预报技术在城市防洪中的应用价值

（一）实时、准确掌握城市防洪具体形势

在城市防洪项目中，水文预报技术是在已掌握资料信息基础上准确预测未来一段时间水文变化趋势及具体情况，以及将实况观测结果传送至预报中心和发布预警信息。因此，对水文预报技术的应用，可以帮助相关政府职能部门全面、准确掌握当下和未来一段时间的城市防洪形势，获取暴雨和地面径流量、洪水演进情况、断面水面线高程等具体信息，为防洪救灾方案的制定提供明确依据，最大程度减小城市洪涝灾害造成的经济损失与人员伤亡。例如，根据水文预报结果，帮助救灾人员与指挥部门准确掌握洪水淹没范围，集中力量对淹没范围内的受灾人群开展救援工作。

（二）提供健全的预报服务

依托水文预报技术，逐渐在城市防洪项目中构建起完善的水文预报防洪体系，体系由信息接收处理、信息检索查询、水情预警、水情信息资源库等配套子系统加以组成，具备多元化使用功能，切实满足了城市防洪与救灾工作的开展需要。例如，信息接收系统具备数据处理功能，工作人员仅需预先导入控制方案或下达控制指令，系统即可基于程序运行准则从所收集海量数据中筛选出具备较高价值的原始信息，根据信息间的关联属性进行分类解析处理，再将处理后的数据信息导入水情信息资源库中对应类别文件中归档保存。信息检索查询系统具备快速检索功能，用户仅需输入关键词，即可查阅所需信息，如特定时间段的历史水文观测数据与气象资料，以及使用系统自带工具来自动生成图表，或是导入电子地图与三维信息模型中。

（三）洪水过程模拟与风险评估

在早期开展的城市防洪工作中，受到技术水平限制，虽然可以在洪水出现前的一段时间进行预测通报，粗略判断洪水规模。但是，却无法精准预测洪水淹没过程，由此引发防洪准备工作不到位、无效救援等问题出现，严重时导致防洪救灾方案不具备实施条件。

水文预测技术的应用，可以替代人工完成大量的数据计算、分析处理等任务，准确描述洪涝灾害中各项要素间的关系，预测洪水流量、最高水位、河网极限需水量等数值，准确模拟不同情境下的洪水淹没过程，这对城市防洪工作质量及效率的提升有着重要意义。

二、水文预报技术在城市防洪中的具体应用场景

（一）水文预报数据采集处理

在数据采集处理场景中，将数据分为地形、气象、水文三类，具体如下：第一，地形数据采集处理。使用全站仪、3D 激光扫描仪等设备或GPS 系统，采集山脊、坡面及地物目标的三维空间坐标值和地形数据，从中提取DEM数据，分析坡度、沟床比降、等地形参数，计算提取水流方向、汇流累积量、集水区出水点等水系参数，经过内业处理后绘制大比例尺数字地形图。第二，气象数据采集处理。在测区内设置若干处雨量监测站点以及气象站点，在其基础上形成城市水文监测网，持续采集实时气象数据，还可选择组合应用雷达卫星观测法对所获取气象数据加以反演处理来提高观测精度。同时，气象数据由气温、降雨两部分数据组成，从气象数据中提取月平均最低/最高气温等参数，采取反距离加权方式进行插值处理来生成气温分布图，并使用GIS 软件对降雨数据采取空间插值处理方法来获取雨量分布图。第三，水文数据采集处理。水文数据由水位、流速与流量组成，使用水尺工具与设置水位监测点来获取水位资料，根据断面水位及流量二者状态变化来判断水位-流量关系和预测未来变化。随后，采取电离子法、固体法或分子法等方法来测量洪水流速，以电离子法为例，在洪水中添加含导电离子溶液，溶液溶于水后随洪水流动，通过测算电子通过时间来获取流速参数。最后，将所获取断面平均流速值导入对应计算公式中，根据断面平均流速和过流断面面积二者关系来计算洪水和径流流量值。

（二）构建分布式水文模型

在水文预报技术体系中，对分布式水文模型的构建，可以在模型中直观展示城市防洪具体形势，以及在可视化状态下演示水位、流量、流速等参数之间的互动反馈过程，主要包括HEC 降雨径流模型、产流模拟模型以及汇流模拟模型。以HEC 降雨径流模型为例，在软件中导入降雨量、最大洪峰流量等数据，在其基础上构建松散耦合式水文模型，采取综合单位线法或是推理公式法，在模型中以分水线为界来计算子流域的产流及汇流过程，最终演算至流域出口断面处，所构建HEC 降雨径流模型在城市防洪工作中起到解决流量资料缺乏和提供淹没范围模拟数据的作用。

（三）淹没过程计算

淹没过程计算是水文预报技术体系中的一项重要应用场景，依托所构建淹没模型来模拟洪涝灾害过程，准确计算不同时间节点的水位、流速、流量、淹没水深以及淹没范围，主要计算项目包括洪水演进计算、淹没水深计算和淹没范围计算。其中，在洪水演进计算项目中，可使用圣维南演算方程或是马斯京根演算方程，圣维南演算方程是在一维渐变非恒定流公式中导入平均流速与过水断面流量等参数来判断水位-流量在不同时间下的变化关系，马斯京根演算方程是采取建立槽蓄曲线方程与水量平衡联立方程组的方式来演算出流过程。在淹没水深计算项目中，预先构建淹没水深模型，将模型中高程未达到淹没水位计算值的城市地块划入淹没区进行无源淹没计算，或是在模型中添加水流方向、洼地连通、地形阻挡等条件进行有源淹没计算。而在淹没范围计算项目中，工作人员使用GeoRAS 等软件来构建HEC-RAS 模型，根据已掌握的洪水高程值来计算淹没面积，基于洪水水量和总水量体积相等原理初步划定洪水淹没范围。随后，在模型中输入断面点高程与断面位置等信息，构建配套非恒定流模型，对DEM 数据进行叠合处理来模拟具体的洪水淹没范围。

三、城市防洪中水文预报技术的应用措施

（一）做好汛前准备工作

在城市防洪工作中，水位预报技术主要起到准确反映实际城市防洪形势、提供防洪救灾方案制定依据的参照指导作用，如何充分利用技术参照指导作用来组织开展城市防洪工作，是发挥出水位预报技术应有作用的关键。因此，在城市洪涝灾害来临前，必须围绕水文预报技术体系和已掌握水文气象资料来开展汛前准备工作，工作内容包括预先性部署、防洪救灾方案制定、仪器设备准备、人员就位等。例如，工作人员应用水文预报技术，在已掌握水文气象资料与观测数据基础上判断是否存在出现洪涝灾害的可能性，模拟洪量过程，掌握洪涝灾害出现时间、淹没范围、淹没水位等具体信息，针对性制定城市防洪应急预案，在洪水来临前做好淹没区域的受灾人员与财产物资转移工作。同时，根据淹没过程模拟结果进行预先性部署，明确设定各城市区域中仪器设备与人员数量，切实满足防洪救灾工作开展需求。

（二）持续提高水文预报技术水平

根据水文预报技术实际应用情况来看，仍旧存在诸多技术问题有待解决，例如，水文预报系统中的水情预警流程较为复杂，水情预警通报渠道单一，在出现特大洪水灾害时不具备全天候实时预报监测的技术条件。因此，需要加大对水文预报技术的研究力度，积极引进全新技术手段，以城市防洪工作开展需求作为技术发展导向，具体措施包括升级水文预报系统、建立专属数据库、采取多元化预报方式。

首先，升级水文预报系统，对系统功能配置结构进行变更调整，增加收转报自动专拣、水情自动预警、城市防汛决策建议、自动生成洪水警示地图等功能。例如，工作人员预先在系统中设置水量、水位等参数的警戒阀值，在系统运行期间检测到观测数据中所提取参数超过或临近警戒值时，基于程序运行准则自动发送水情报警信号，向相关部门与工作人员发送报告与所生成洪水警示地图，以此来提高水情预警效率与强化应急处置能力。

其次，在水位预报系统中建立区域性或全国性的专属数据库，系统自动或是由人工将所获取水文气象资料、洪水灾害期间现场监测结果、淹没过程计算结果等信息数据上传至数据库中，将数据库与各地区水文预报系统保持连接状态。如此，可以在任何地区的终端上直接访问数据库，调用本地区或其他地区的历史水文预报数据，在真正意义上实现水文情报共用目标，获取更高的技术效益。

最后，在水文预报技术体系中采取多元化的预报方式，包括实时预报、统计预报、流域预报等。以实时预报为例，采取ORSEC技术手段，配置直升机、无人机等飞行器，在出现特大洪水灾害时前往现场对洪水情况进行全程监视，采集实时水文气象资料与洪水水位、淹没范围、流量等参数，在新掌握信息资料基础上定期重复开展淹没过程计算工作，生成最新的洪水警示图，以此来保证水文预报结果的准确性。

结语：综上所述，为全面提高城市防洪抢险救灾工作质量及效率，提前预测可能出现的灾害性水文现象并发送水情报警信号。因此，需要加大对水文预报技术的应用力度，重点开展汛前准备工作，持续提高技术水平。唯有如此，方可快速获取第一手水文气象资料，为现代化城市防洪抢险机制的建设提供技术支撑。