大連市大中型水庫集總式洪水預(yù)報預(yù)警技術(shù)研究

劉恒

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院,沈陽110003)

本研究為水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目：遼寧省中小型水庫防洪減災(zāi)預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)(200801040);水利部科技推廣計劃項目：中小型水庫防洪減災(zāi)預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)(TG1142)。

摘要：本文通過對洪水預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和大連市區(qū)域概況進行調(diào)查分析，找出各水庫和水庫上級主管部門在防洪預(yù)警過程中存在的薄弱環(huán)節(jié)。開展大連市23座大中型水庫集總式洪水預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)研究，確定研究目標，對系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)、界面設(shè)計、模型建設(shè)和系統(tǒng)設(shè)計等進行歸納總結(jié)，詳細介紹了專業(yè)支持系統(tǒng)的主要功能模塊。研究表明：系統(tǒng)的建設(shè)有利于提高水庫洪水預(yù)報預(yù)警水平，進一步完善水庫總體防洪減災(zāi)體系，防止和減輕水庫洪澇災(zāi)害，確保城市的防洪安全。

關(guān)鍵詞：大中型水庫；集總式；預(yù)報預(yù)警

中圖分類號：TV697.1+3

Research on Medium and Large Reservoir Lumped Flood

Forecasting and Early Warning Technology in Dalian

LIU Heng

(ResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,LiaoningProvince,Shenyang110003,China)

Abstract：In the paper,development status of flood forecasting and early warning system and Dalian regional overview are investigated and analyzed. Weak links of all reservoirs and reservoir superior administrative departments in flood early warning process are discovered. Lumped flood forecasting and early warning system technology of 23 large and medium reservoirs in Dalian are studied, thereby determining research objectives. System functional structure, interface design, model construction and system design are summarized. Main functional modules of professional support system are introduced in detail. Research shows that system construction is beneficial to improve reservoir flood forecasting and early warning level, further improve reservoir overall flood control disaster elimination system, thereby preventing and alleviating reservoir flood disaster, and ensuring urban flood safety.

Keywords：large and medium reservoirs; lumped type; forecasting and early warning

洪水預(yù)報預(yù)警是水庫防洪過程中的重要組成部分，只有及時、準確地提前獲得可能來水信息，獲得一定的預(yù)見期，水庫管理人員才能采取有效的避險措施，從而防止災(zāi)害的發(fā)生。目前，我國中型以上水庫均具備洪水預(yù)報預(yù)警能力，但預(yù)報水平參差不齊，主要包括人工預(yù)報和系統(tǒng)預(yù)報兩種。其中人工預(yù)報多以預(yù)報人員經(jīng)驗為主，主要采用傳統(tǒng)的人工查算方法，效率較低，且誤差較大。對于管理水平較好的一些水庫，已建立洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)，可以實時獲取水庫上游控制流域范圍內(nèi)的雨水情信息，并利用預(yù)報系統(tǒng)軟件實現(xiàn)洪水的自動預(yù)報，為水庫管理人員提供防洪參考依據(jù)。當各水庫完成自身的洪水預(yù)報后，需要將預(yù)報預(yù)警信息進一步報送給上級主管部門，最終由上級主管部門對其管轄范圍內(nèi)的所有水庫進行統(tǒng)一指揮調(diào)度，從而保證上下游水庫聯(lián)合調(diào)度的需要。該過程存在諸多問題：首先，水庫在報送過程中需要浪費一定的時間；其次，該過程容易出現(xiàn)各種人為誤差；第三，各水庫預(yù)報成果的整編形式不統(tǒng)一，成果到達主管部門后，還需進一步整理，效率低下。因此，需要在主管部門建立一套能夠?qū)崿F(xiàn)管轄范圍內(nèi)所有水庫統(tǒng)一預(yù)報預(yù)警的系統(tǒng)平臺，與各水庫形成同步。為全面提高大連市水庫防洪減災(zāi)能力，及時、準確地獲取各水庫的實時水雨情和洪水預(yù)報預(yù)警信息，并且與全省預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)保持同步，形成統(tǒng)一系統(tǒng)平臺，構(gòu)建一套集總式的大連市水庫洪水預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)是保證全市防洪安全的必然途徑。

1區(qū)域概況

大連市位于遼東半島的最南端，東臨黃海，西瀕渤海，屬低山丘陵區(qū)。年平均降水量空間分布不均勻,多年平均降水量在550～800mm之間，通常，東部多于西部，北部多于南部，分布趨勢為自西南向東北方向遞增。全市中型以上水庫23座，其中大型水庫7座、中型水庫16座，總庫容23.47億m3，興利庫容14.15億m3，總控制流域面積4962km2。北三市境內(nèi)共有大中型水庫16座，普灣新區(qū)以南地區(qū)共有中型水庫7座。其中，普蘭店市境內(nèi)有大型水庫2座，為碧流河、劉大，中型水庫5座，為七道房、紅旗、大梁屯、五四、洼子店；莊河市境內(nèi)有大型水庫3座，為英那河、朱家隈子、轉(zhuǎn)角樓，中型水庫1座，為永記；瓦房店市境內(nèi)有大型水庫2座，為松樹、東風(fēng)，中型水庫4座，為大河、九龍、八一、蓮花；普灣新區(qū)有中型水庫1座，為鴿子塘；金州新區(qū)境內(nèi)有中型水庫3座，為青云河、臥龍、北大河；甘井子區(qū)境內(nèi)有中型水庫1座，為大西山；旅順口區(qū)境內(nèi)有中型水庫1座，為龍王塘。

2研究目標

按照國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程的建設(shè)目標，充分利用現(xiàn)有資源，采用統(tǒng)一、標準的系統(tǒng)建設(shè)模式，通過對大連市23座大中型水庫洪水預(yù)報、預(yù)警與調(diào)度方案的整編，以及大連市大中型水庫洪水預(yù)報與防洪調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)，構(gòu)建一套以采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)、預(yù)報方案為支撐、計算機網(wǎng)絡(luò)為依托、系統(tǒng)軟件為核心的大連市水庫洪水預(yù)報預(yù)警與調(diào)度系統(tǒng)。系統(tǒng)建成后，滿足各相關(guān)應(yīng)用部門的需要，為科學(xué)防汛提供可靠的目標，成果達到國家防汛指揮系統(tǒng)、國家相關(guān)技術(shù)標準要求。

3總體設(shè)計

充分運用水文自動測報系統(tǒng)采集到的水雨情信息，在綜合各水庫多年來防洪減災(zāi)基礎(chǔ)建設(shè)與信息化成果基礎(chǔ)上完成。保證項目取得先進性、可靠性和實用性的研究開發(fā)成果。

3.1功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮目梢暬_發(fā)，專業(yè)支持系統(tǒng)由系統(tǒng)管理、工程資料、水情查詢、綜合預(yù)警、單庫模擬、成果管理、預(yù)警報告和輔助功能等子系統(tǒng)組成；成果發(fā)布系統(tǒng)由地理信息、衛(wèi)星云圖、氣象預(yù)報、綜合預(yù)警、辦公自動化和抗洪預(yù)報等子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)的建設(shè)有利于提高水庫洪水預(yù)報預(yù)警水平，促進大連市水庫水利信息化發(fā)展，進一步完善水庫總體防洪減災(zāi)體系，防止和減輕水庫洪澇災(zāi)害，確保城市的防洪安全。對水庫的各種洪水要素進行實時預(yù)報，為各級防汛指揮部門提供決策依據(jù)。

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如下頁圖1所示。

圖1　功能結(jié)構(gòu)

3.2界面設(shè)計

界面設(shè)計中以操作簡便、交互友好、尊重水文操作人員習(xí)慣為指導(dǎo)原則，實現(xiàn)專業(yè)性與易操作性的統(tǒng)一。盡量采用直觀的圖形用戶界面技術(shù)，信息的表達形象、直觀、簡潔明了。系統(tǒng)操作以菜單欄與工具欄相結(jié)合的方式表現(xiàn)，充分利用菜單、圖形、圖標等形象化的界面元素為基礎(chǔ)。系統(tǒng)界面如圖2、圖3所示。

圖2　專業(yè)支持系統(tǒng)界面

圖3　成果發(fā)布系統(tǒng)界面

4模型建立

4.1水文預(yù)報模型

水文預(yù)報模型按照類型可以分成兩大類，包含集總式模型和分布式模型，其中分布式水文模型是今后的發(fā)展趨勢，其很好地描述了洪水演進的整個物理過程，但由于前期建模需要大量的地理資料，因此建模比較麻煩。目前，遼寧省內(nèi)部主要以集總式水文模型為主，具有簡便、高效的優(yōu)點，經(jīng)過歷年歷史洪水的檢驗，其預(yù)報精度均達到乙級以上標準，滿足水庫預(yù)報預(yù)警的需要。集總式水文模型主要包括降雨徑流相關(guān)模型、新安江模型、蓄滿產(chǎn)流模型、大伙房模型、滯后演算模型、超滲產(chǎn)流模型等。本文對上述模型進行了電子化處理，建立了模型庫，各水庫可以選擇適合本水庫的水文預(yù)報模型，并提供了模型參數(shù)自動率定和預(yù)報結(jié)果實時校正功能。

4.2綜合預(yù)警模型

汛情監(jiān)視系統(tǒng)不僅能對實時汛情進行監(jiān)視，還應(yīng)根據(jù)氣象產(chǎn)品應(yīng)用系統(tǒng)的致洪致災(zāi)暴雨預(yù)測結(jié)果，結(jié)合下墊面及工程運用信息，通過數(shù)學(xué)模型來預(yù)估洪水的量級，并結(jié)合水庫實時控制運用計劃完成水庫在線調(diào)度和抗雨能力分析，實現(xiàn)水庫防洪的分級預(yù)警。預(yù)警指標指觸發(fā)洪水災(zāi)害的雨、水情臨界值。以洪水災(zāi)害預(yù)警條件、預(yù)警時間是否接近、達到、超過臨界雨量和成災(zāi)水位(流量、蓄量)為主要依據(jù)。預(yù)警指標的確定，需要分析利用現(xiàn)有歷史災(zāi)害、雨量、水位(流量、蓄量)、水庫特征資料，通過分析計算、洪水調(diào)度得到。根據(jù)實時水雨情、水文氣象預(yù)報信息及預(yù)警指標，決定是否編制預(yù)警信息。洪水預(yù)警等級一般分為四級。根據(jù)需求分析后，綜合預(yù)警條件針對特征量進行預(yù)警，預(yù)警條件如圖4所示。

圖4　預(yù)警條件結(jié)構(gòu)

5系統(tǒng)設(shè)計

本研究建立兩套系統(tǒng)平臺，分別實現(xiàn)分析和發(fā)布，本文重點對專業(yè)支持系統(tǒng)進行介紹。

5.1系統(tǒng)服務(wù)平臺

系統(tǒng)平臺采用C/S模式開發(fā)，為各模塊提供一個綜合操作的平臺，專業(yè)分析計算在該平臺上可以實現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的靈活性。左邊為水庫選擇區(qū)，用戶可以根據(jù)水庫類型、所在市地、所在地區(qū)、所在流域和工程類型等特征選擇水庫，也可以根據(jù)檢索項目的范圍來選擇水庫。既可以選擇單個水庫進行分析，也可以選擇滿足一定條件的一類水庫進行統(tǒng)一操作。同時，用戶可以將按照指定條件統(tǒng)計出的水庫進行統(tǒng)一整編輸出。右下方為功能選擇區(qū)，用戶可用鼠標單擊選擇某個子系統(tǒng)對其進行操作。

5.2雨水情信息

a.雨情信息。用戶可以按照水庫所在地、水庫類型以及所在流域等條件選擇水庫，然后對屬于同一流域的多座水庫的平均降雨量進行柱狀圖對比分析，同時也可以針對一座水庫各雨量站的降雨量進行分析?？梢灾庇^地查看到暴雨中心位置，這對水庫預(yù)報與調(diào)度具有指導(dǎo)性意義。用戶也可以選擇單一水庫查看該水庫在選擇時間段內(nèi)的降雨過程柱狀圖，從而分析出該水庫或雨量站的降雨過程。

b.水情信息。系統(tǒng)既可以顯示出所選水庫的當前庫水位，也可以生成庫水位變化過程線與該水庫的各特征水位，從而反映出該水庫常年庫水位的變化過程和安全狀態(tài)?？梢赃M行庫水位變化過程的動態(tài)演示，從而直觀地查看到庫水位相對于各特征水位及壩高的變化過程。系統(tǒng)既可以顯示出所選水庫的當前入庫流量、當前蓄水量和當前出庫流量，也可以生成入庫流量過程線、蓄水量過程線和出庫流量過程線，以及對應(yīng)的數(shù)據(jù)表，實時了解水庫的調(diào)度狀態(tài)。

5.3日常預(yù)報

實現(xiàn)了PA值連續(xù)計算的功能，避免了用戶在不下雨或無需進行日常預(yù)報時，還需每日進行日常預(yù)報操作。該功能可以實現(xiàn)降雨的統(tǒng)一刷新，并根據(jù)雨情進行PA連續(xù)計算，從而得到前日PA值。

5.4綜合預(yù)警

本功能根據(jù)水庫水雨情信息進行實時報警，報警對象主要有當前庫水位和當前雨強等信息。報警分為四個級別，具體報警條件上面已經(jīng)提到，這里不再贅述。系統(tǒng)會根據(jù)當前數(shù)據(jù)和每個水庫的特征值以及報警條件進行判斷，以不同的顏色進行特殊顯示。

5.5抗雨能力

汛期中防汛部門經(jīng)常需要在水庫不同蓄水情況下，了解達到各級控制水位(如限制水位、正常高水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位等)所能抗御的暴雨量。為了進行水庫抗洪能力估算，繪制抗洪能力查算圖是十分必要的。本功能實現(xiàn)了針對不同控制水位的抗洪能力分析與計算，系統(tǒng)可以自動生成抗洪能力表和抗洪能力圖，用戶可以根據(jù)當前蓄水情況及泄洪情況進行插值計算，從而得到抗洪能力結(jié)果值。

5.6四象限調(diào)洪

由于中小型水庫流域面積小，河道坡降大，匯流時間短，洪水來勢猛，因此，不宜進行復(fù)雜預(yù)報調(diào)度，在實際工作中，常采用洪水預(yù)報綜合相關(guān)圖進行預(yù)報。所謂綜合相關(guān)圖，就是將水庫的入庫流量預(yù)報與水庫調(diào)洪演算的有關(guān)曲線繪在一張圖上。本文研究將綜合相關(guān)圖進行矢量化，可自動完成調(diào)洪的全部過程。

5.7洪水預(yù)報

本功能實現(xiàn)對水庫常規(guī)的洪水產(chǎn)匯流預(yù)報，通過從水文自動測報數(shù)據(jù)庫中讀取的流域測站降水信息，計算流域日平均降水量，計算出后日8∶00的流域時段降水量、徑水量及時段末PA值，并根據(jù)用戶選擇的單位線進行匯流計算。水文預(yù)報方法根據(jù)模型庫中對應(yīng)各水庫模型，匯流計算按單位線法計算。針對各水庫目前狀態(tài)自動生成一個防洪形勢報告，該報告歸納總結(jié)了各水庫的工程概況、預(yù)警狀態(tài)以及單個水庫預(yù)報模擬調(diào)度成果。

5.8數(shù)據(jù)庫建設(shè)

完成了參數(shù)特性曲線的補錄、校核，工情庫、水情庫、成果庫、模型庫等數(shù)據(jù)庫的建立。完成了專業(yè)模型的建立，包括蓄滿產(chǎn)流、遼寧指數(shù)、降雨徑流相關(guān)曲線、單位線、抗雨能力分析、綜合預(yù)警等水文模型。

6結(jié)語

本研究針對大連市23座大中型水庫防洪的實際需求，建立了統(tǒng)一平臺的集總式洪水預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)。采用抗洪能力分析及四象限調(diào)洪算法等多種分析方法對各水庫進行分析，可針對單個水庫采用不同預(yù)報模型進行單庫的洪水預(yù)報、模擬調(diào)度及報告整編。系統(tǒng)建成后，通過實際運行，達到了預(yù)期目標。提高了大連市水庫防洪減災(zāi)能力，充分發(fā)揮了系統(tǒng)應(yīng)有的效益，規(guī)范了防汛隊伍的業(yè)務(wù)流程和服務(wù)技能，建立了智能清晰、權(quán)責(zé)明確的管理體制和管理科學(xué)、運營規(guī)范的運行機制，為大連市的水庫防洪提供了有效的技術(shù)手段。

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