百色市中小河流水文（位）站水情预测系统概述

2022-01-14梁显俊

广西水利水电 2021年6期

梁显俊

（百色水文中心，广西百色 533000）

百色市境内山岳连绵，河流密布。众多河流源出高山峡谷，河床深切，滩多水急，落差大。汛期常出现强降雨过程，致使中小流河流暴发灾害性洪水，山溪性洪水陡涨陡落，产流快，汇流时间短。为了能在百色市境内中小河流出现陡涨洪水时能迅速地准确做出全市72个中小河流水文（位）站水情预测，开发本系统。

1 设计思路

（1）整个系统是基于水情网络来开发，从百色水情分中心的实时雨水情库读取各报汛站雨水情数据，远程从自治区水情中心提取未来7 d降雨数值预报数据，利用实时和预报的降雨数据、各水文（位）站二元回归预报模型进行分析计算，预测出各个预报断面的洪峰水位（流量）。

（2）由于中小河流水文（位）站断面集水流域面积较小，计算各时段面降雨量时，为了能快速计算，直接将参加计算的有关雨量站雨量，采用算术平均法计算面降雨量。

（3）本系统将站点位置处在流域边界线上或界线内的雨量站称为流域内雨量站；一个流域边界线有经度、纬度范围即有最小、最大经（纬）度值，如果一个雨量站不是流域内雨量站，但其经纬度，处在流域经度、纬度范围内，称这个雨量站为流域邻近雨量站。在计算各时段流域面雨量时，可以根据收集到的流域内雨量站和邻近雨量站遥测雨量数据可靠情况，实时选定可靠的流域内或邻近的雨量站参加面雨量计算，不能一成不变地规定参加面雨量计算的雨量站点，避免将出现故障、遥测数据不全或错误的雨量站参加计算而造成计算得到的时段面雨量数值存在错误，偏差大。

（4）自治区水情中心雨量数值预报库中存放有20 km×20 km网格降雨量预报值，在Mapinfo地理信息系统中将各水文（位）站流域边界线叠加在降雨量预报20 km×20 km网格图上，然后分析出各水文（位）站所骑跨在的所有网格，从雨量数值预报库中读取这些网络降雨量预报值，经分析处理，即可得到各水文（位）站未来几天的流域面降雨量预报数据。

2 关键技术

（1）在Visual Basic6.0（简称VB6）中引用ADO对象的ADODB类型库，创建ADO对象实例，并通过无ODBC DSN连接到以SQL Server形式建立的实时雨水情库、本系统预报库、自治区水情中心雨量数值预报库和中国洪水预报系统预报库，从这4个数据库提取和保存有关数据。

（2）近几年来，我中心强化水情预测方案编制工作，不仅基于中国洪水预报平台，利用三水源蓄满产流、滞后演算汇流模型构建了中小河流各水文（位）站洪水预报方案，而且为了便于预报模型计算机化，开发了多元回归预报模型建模软件，利用该软件可以快速地建立了各水文（位）站二元一次回归预报模型，采用起涨水位Z起或起涨流量Q峰、流域有效面平均降雨量P，和预报对象即洪峰水位Z峰或洪峰流量Q峰建立二元一次回归预报模型，表达公式：Z峰＝a0+a1Z起+a2P，Q峰＝a0+a1Q峰+a2P，式中a0、a1、a2分别为常量项、起涨项、雨量项的回归系数。分析计算得到的各水文（位）站回归系数统一存储在本系统预报库的二元一次回归预报模型回归系数表中[1]。

（3）为了能判定哪个雨量站是各水文（位）站的流域内雨量站和流域邻近雨量站，利用Mapinfo地理信息系统准确勾绘出各水文（位）站的流域界线，读取各水文（位）站流域界线的最小、最大经（纬）度值并统一存储在本系统预报库的预报断面基本属性表中。一个水文（位）站往往会骑跨在多个降雨量预报20 km×20 km网格上，在Mapinfo地理信息系统中将各水文（位）站流域所骑跨的所有网格代码、流域在各个网格实际面积及其占整个面积的权重，记录下来并存储在单元流域预报雨量网格权重表中。在流域预报面雨量计算时，根据各水文（位）站流域所骑跨网络代码、在各个网格的面积权重，从雨量数值预报库中读取各网格雨量预报数值，乘以相应面积权重，最后累计得到该水文（位）站流域真实的雨量预报值。

3 系统开发

本系统基于Windows操作系统，以SQL server 2000或其更高版本为数据库操作平台，采用VB6开发完成，相关数据库包括实时雨水情库、本系统预报库、自治区水情中心雨量数值预报库和中国洪水预报系统预报库。

实时雨水情库是以水利部颁布的库表结构与标识符为标准建立的数据库，用于存储实时雨水情数据[2]。

本系统预报库是系统运行最关键的主要支撑数据库，主要用于存储预报模型的有关参数值、各预报流域面平均雨量、预测计算成果，建立有二元一次回归预报模型回归系数表、单元流域预报雨量网格权重表、预报断面基本属性表等[3]。

自治区水情中心雨量数值预报库中F_RN⁃FL_M表存有中央气象局、气象局人工、日本、欧洲等气象预报中心预报的未来7 d的雨量预报数值[4]。

中国洪水预报系统预报库是安装在本机的中国洪水预报系统所建立的水情预报库。

4 系统应用

系统相关主菜单栏中有3个主菜单：连接、自动监控、预测。打开软件后，必须先进行数据库连接，其次进行流域面的实时雨量和预报雨量统计，然后才能进行洪峰水位或流量的预测计算。

4.1 连接

“连接”主菜单下有4个相关的子菜单：实时水情库、自定预报库、雨量数值预报库和短信设备。其中前面3个子菜单是有关数据库连接。

（1）连接数据库。分别单击前面3个子菜单，在各个窗口进行相应的数据库连接，当连接成功后各个数据库连接窗自动关闭，否则提示连接错误。以连接实时水情库为例，在连接实时库窗口中，要设置服务器IP、数据库、用户、口令。这些参数都是在安装实时雨水情数据库和配置数据库服务器时确定的，设置完成后，点击“连接”按钮，如果设置正确，连接成功，窗口自动关闭。其它数据库的连接窗口操作与此类似。

（2）连接短信设备。在进行各水文（位）站水情超警自动监控时，如果需要启用短信提醒功能，要进行短信设备连接。在短信设备连接窗口中，要设置短信设备连接的串口号、波特率、所用手机卡的短信中心号码，选择是否自动发送以及发送间隔时间。这些参数，如果第一设置后，第二次再启动连接，本窗口自动给出上一次设置值。点击“连接”按钮，如果连接成功，“连接”按钮变为“断开”。同时注意连择所要接收短信人员，在要接收人员名字前打勾。

4.2 有关选择与设定

在流域实时面雨量计算、流域预报面雨量计算、二元一次回归法预测、雨前预测、江河预测自动监控时，在窗口的最左边方框里，其上部为报汛等级选择框，根据需要，对所需要查询的报汛等级站类前打“√”；其下部为县（区）行政区域选择框，根据需要，对所需要查询的县（区）行政区域前打“√”。并设定有关查询浏览、统计的开始时间和结束时间。

4.3 预测

“预测”主菜单下相关有4个子菜单：流域实时面雨量计算、流域预报面雨量计算、二元一次回归法预测、雨前预测。在进行二元一次回归法预测前，必须先进行流域实时面雨量计算，如果在预测作业时不仅利用实时雨量，而且还想加入预报的未来雨量进行计算，要先进行流域预报面雨量计算；在雨前预测作业前，必须先进行流域预报面雨量计算。

4.3.1 流域实时面雨量计算

在流域实时面雨量计算窗口中，首先要选择点击某个水文（位）站名，预报断面框内显示出该水文（位）站名。窗口中间待选雨量站方框内列出未选用的流域内、邻近雨量站，选用雨量站方框内列出已选用的流域内、邻近雨量站。如果要将待选雨量站方框内的某个雨量站改为选用雨量站，点击该雨量站，使站名前小方框内呈现打“√”，点击“→”按钮，所选的雨量站名从待选雨量站方框内移到选用雨量站方框内。如果要将选用雨量站方框内的某个雨量站改为待选雨量站，以此类推进行。系统有记忆功能，自动记忆上一次所选用的雨量站，一般选定好后的，较少变动。

窗口右边以表格形式，逐时列出过去10 d内选用参与面雨量计算的各雨量站雨量、总雨量和流域面平均雨量。同时可以根据实际需要，设定好开始时间和结束时间，点击“统计”按钮，统计该站从开始到结束时间段内总的面雨量。

点击“计算”按钮，可以再次刷新列表计算；点击“保存”按钮，将右边表格内该站逐时面平均雨量进行保存，以待下步预测计算调用；点击“导入Ex⁃cel”按钮，将右边表格内数据导入到Excel电子表格簿内。其计算窗口界面如图1所示。

图1 流域实时面雨量计算窗口界面

4.3.2 流域预报面雨量计算

在流域预报面雨量计算窗口中，首先要选择点击某个水文（位）站名，预报断面框内显示出该水文（位）站名，窗口右边以4个表格形式分别列出中央气象局、日本、气象局人工、欧洲等气象预报中心对该站流域预报的未来7 d逐时面雨量预报数值。

在窗口中间，可以根据实际需要，设定好开始时间和结束时间，点击“统计”按钮，分别统计列出从开始到结束时间段内中央气象局、日本、气象局人工、欧洲等气象预报中心针对该站流域预报的面雨量总值。

在窗口中间，可以选定好要保存的雨量预报数值的来源，即分别在中央气象局、日本、气象局人工、欧洲等气象预报中心名称前面小方框内点击，呈现打“√”为保存该气象预报中心的雨量预报数值，反之空白为不保存。点击“保存”按钮，根据实际选定的保存来源，将所选定的气象预报中心相应的右边表格内所列的该站流域逐时雨量预报数值进行保存，以待下步预测计算调用；点击“导入Ex⁃cel”按钮，将右边4个表格内数据导入到Excel电子表格簿内。其计算窗口界面如图2所示。

图2 流域预报面雨量计算窗口界面

4.3.3 二元一次回归法预测

在二元一次回归法预测计算窗口中，点击某个水文（位）站名，预报断面框内显示出该水文（位）站名。在采用二元一次回归法进行该站水情预测计算之前，须先在流域实时面雨量计算窗口中，完成该站流域实时面雨量计算并保存，为预测计算提供相应的面雨量数据。如果所选择的水文（位）站预报断面没有建立有实际的二元一次回归预测方案，可以选择水文特性相似的某个预报断面的二元一次回归预测方案进行计算，计算结果是按面积倍比法推求的洪峰流量。计算有关结果分别在右边上半部的5个页卡列出，从左到右分别是“面雨量数据表”“面雨量过程图”“水情数据表”“水情过程图”“预测成果表”。其计算窗口界面如图3所示。

图3 二元一次回归法预测计算窗口界面

4.3.4 江河水情雨前预测

每次强降雨出现前，百色市及各县（区、市）应急管理局会组织各防汛成员单位召开防御强降雨会议，在会议上往往要求水文部门汇报针对这场强降雨辖区内各河流的水情预测情况。基于上述需要，开发了本系统的江河水情雨前预测模块。在江河水情雨前预测计算窗口中，右边有5个页卡。设定开始时间和结束时间，点击某个水文（位）站名，第1个页卡的上部列出设定时间段内的逐时水情表、下部绘制出设定时间段内水情过程线。设定预测采用的预报雨量开始时间、结束时间，点击“计算”按钮，系统首先会根据设定的时间段，分别统计出中央气象局、气象局人工、日本、欧洲等气象预报中心对选定行政区域内各水文（位）站流域预报的总面雨量，然后利用二元一次回归法，根据当前水位、预报雨量，计算预测出各水文（位）站预见期内可能出现的洪峰水位值，最后分别在第2～5页卡内以表格形式，依次列出利用以上各气象预报中心的预报面雨量预测得到结果。其计算窗口界面如图4所示。

图4 江河水情雨前预测计算窗口界面

4.4 江河水情自动预测监控

“自动监控”主菜单下有1个相关的子菜单：江河预测。点击该子菜单，弹出江河水情自动预测监控窗口，在窗口中有2个页卡。点击某个水文（位）站名，右边第1个页卡的上部列出设定时间段内的逐时水情表、下部绘制出设定时间段内水情过程线。点击“监视”按钮，系统按设定的时间间隔，不断滚动地从实时雨水情库中读取各水文（位）站当前水位或流量，读取在流域实时面雨量计算窗口中选定参加流域面雨量计算的雨量站雨量，然后利用二元一次回归法，计算出一定预见期内各水文（位）站可能出现的最高水位预测值，结果以表格形式在右边第2个页卡显示。在自动预测监控过程中，如果发现某个水文（位）站预测期内最高水位预测值超过警戒值，立即以播放语音形式进行提示，如果连接了短信设备，还会以手机短信及时发送到相关人员手机上。江河水情自动预测监控窗口界面如图5所示。