元曉華，王 浩

(浙江省水文局，浙江杭州 310009)

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金華站預(yù)報(bào)方案建模及洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)研制

元曉華，王 浩

(浙江省水文局，浙江杭州 310009)

摘要隨著人類(lèi)活動(dòng)的加劇，金華江流域下墊面情況發(fā)生了很大變化，原有預(yù)報(bào)方案很難反映金華站洪水規(guī)律。從這一點(diǎn)出發(fā)，重新制定金華站洪水預(yù)報(bào)方案，將重要水利工程考慮到方案中，并在資料選取、預(yù)報(bào)根據(jù)站選擇，以及參數(shù)率定的過(guò)程中充分論證，采用合理的方法消除資料不足、面雨量計(jì)算及土壤初值等誤差因素對(duì)方案的干擾，取得了較為滿意的效果。最后，采用組態(tài)化的免編程技術(shù)，建設(shè)金華站洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，提高金華站洪水預(yù)報(bào)服務(wù)能力。

關(guān)鍵詞預(yù)報(bào)方案；洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)；誤差；組態(tài)化；金華站

金華站控制金華江5 953 km2的流域面積，距離蘭江只有25 km，其水量監(jiān)測(cè)及洪水預(yù)報(bào)在金華江、蘭江乃至整個(gè)錢(qián)塘江的防洪工作中均占據(jù)著舉足輕重的位置。20世紀(jì)90年代，金華江流域曾構(gòu)建洪水預(yù)報(bào)方案和研制洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。然而，隨著近年來(lái)人類(lèi)活動(dòng)的加劇，金華江流域內(nèi)新增了許多水利工程，土地利用情況也發(fā)生了較大的變化，原有洪水預(yù)報(bào)方案已很難反映金華站洪水規(guī)律。同時(shí)，新操作系統(tǒng)和新數(shù)據(jù)平臺(tái)更新速度加快，原有孤島化預(yù)報(bào)系統(tǒng)也已經(jīng)很難滿足當(dāng)前信息化系統(tǒng)搭建環(huán)境的需求。因此，修訂金華站洪水預(yù)報(bào)方案，搭建新的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)平臺(tái)十分必要。

1洪水影響因子分析

金華流域?yàn)榕璧氐匦?，三面環(huán)山，區(qū)域內(nèi)熱量豐富，氣流抬升，遇高山地形容易形成地形雨。特殊的地理位置，全年有2個(gè)明顯的雨季：4～6月的春雨梅汛期為主要降水季節(jié)；8～9月有時(shí)受臺(tái)風(fēng)影響的臺(tái)汛期，區(qū)域產(chǎn)流明顯。流域內(nèi)已建大型水庫(kù)2座(橫錦水庫(kù)、南江水庫(kù))、中型水庫(kù)11座，其蓄放水對(duì)金華站洪水過(guò)程產(chǎn)生影響。單庫(kù)影響可能不足為患，但必須考慮其遭遇組合的影響。流域內(nèi)攔河工程較多，因庫(kù)容普遍不大，且多在河道流量達(dá)到一定級(jí)別時(shí)泄水保壩，因此對(duì)小洪水影響較大，對(duì)大洪水的洪峰影響不大。

2方案建模

2.1方案輸入綜上，金華洪水預(yù)報(bào)方案建?？紤]的模型輸入主要有3種：第1種，將金華站以上有閘門(mén)控制的7座大中型水庫(kù)的出庫(kù)流量作為模型輸入之一。除楊溪水庫(kù)外，其余6座中型水庫(kù)在浙江省防汛防治抗旱指揮部辦公室下達(dá)的報(bào)汛任務(wù)書(shū)中有明確人工拍報(bào)閘門(mén)啟閉數(shù)據(jù)及其他水文要素的任務(wù)，并且通過(guò)人工數(shù)據(jù)融合至數(shù)據(jù)中心，可在實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)中獲取水庫(kù)報(bào)汛流量數(shù)據(jù)。水庫(kù)泄流發(fā)生在河道里，為河道匯流，此次建模以MSK河道分段連續(xù)演算法[1]模擬水庫(kù)泄流匯流。

第2種，剔除7座大中型水庫(kù)面積，至金華水文站之間的區(qū)域(4 874.6 km2)稱(chēng)為“金華區(qū)間”，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“區(qū)間”。區(qū)間形成的洪水由新安江三水源產(chǎn)匯流模型[2]以區(qū)間降雨為輸入來(lái)模擬計(jì)算。選取流域面上分布均勻且能控制各主要支流的22個(gè)資料站作為預(yù)報(bào)根據(jù)站(圖1)，這樣，各資料站控制流域面積相差不會(huì)太大，能在很大程度上消減面雨量計(jì)算誤差對(duì)方案造成的干擾。

第3種，金華站大斷面相對(duì)較為穩(wěn)定，自20世紀(jì)80年代至今，約有4次較大的變化。2004年至今，水位流量關(guān)系曲線相對(duì)穩(wěn)定，在2007年有一次比較明顯的變化。

圖1　區(qū)間預(yù)報(bào)根據(jù)站分布Fig.1　Distribution of interval prediction station

2.2方案輸出金華站為河道水文站，防汛工作往往更關(guān)注水位情況。此次方案建模采用先預(yù)報(bào)流量，再通過(guò)Z—Q曲線轉(zhuǎn)換成水位的方式預(yù)報(bào)金華站水位，因此，方案輸出結(jié)果有2個(gè)：水位和流量。而流量由7個(gè)大中型水庫(kù)泄流經(jīng)河道匯流演算，與區(qū)間降雨產(chǎn)匯流流量線性疊加組成。

2.3歷史洪水篩選為減少參數(shù)率定的不確定因素，在水庫(kù)放水資料相對(duì)齊全的年份中挑選洪水，消除水庫(kù)蓄放水對(duì)方案造成的水量誤差，從而影響洪峰。從原始報(bào)文查找出庫(kù)流量更具考證價(jià)值，可判斷數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有泄流數(shù)據(jù)是因?yàn)闆](méi)有報(bào)汛還是沒(méi)有放水。目前，共收集到2007年以來(lái)共9年的原始報(bào)文。結(jié)合防汛實(shí)際需求，金華站水位接近或達(dá)到警戒水位34.67 m時(shí)，需要密切關(guān)注天氣狀況及水雨情信息，做好預(yù)報(bào)工作。因此，選取金華站2007年以來(lái)發(fā)生接近或超過(guò)警戒水位的洪水作為參數(shù)率定的依據(jù)，共16場(chǎng)，其中15場(chǎng)洪水用于參數(shù)率定，最后一場(chǎng)用于檢驗(yàn)。

3參數(shù)率定及精度評(píng)定

3.1參數(shù)率定為了消除土壤含水量初值的影響，主要采用復(fù)式洪水(有2個(gè)或2個(gè)以上的洪峰，且第1個(gè)洪峰能保證流域蓄滿)率定參數(shù)，因?yàn)榈?場(chǎng)洪水流域蓄滿后，第2場(chǎng)洪水的模擬精度便不再受土壤初值的影響。

金華水文站為河道站，河道防洪關(guān)注的是洪峰而非洪量，加之上游水利工程較多，影響金華站洪水過(guò)程形狀。因此，參數(shù)率定過(guò)程中主要考慮洪峰及峰現(xiàn)時(shí)間的精度。洪水模擬效果舉例見(jiàn)圖2，模擬精度見(jiàn)表1。

圖2　金華站洪水模擬結(jié)果Fig.2　Flood simulation results of Jinhua Station

洪號(hào)HonghaoQp,實(shí)測(cè)m3/sQp,計(jì)算m3/s相對(duì)誤差Relativeerror∥%Zp,實(shí)測(cè)mZp,計(jì)算m絕對(duì)誤差A(yù)bsoluteerror水位許可誤差Waterlevelpermissionerror峰時(shí)誤差Peaktimeerror峰時(shí)許可誤差Peaktimepermissibleerror合格否Qualifiedornot2007091914601440.2-1.434.0033.96-0.040.570-15.7合格 2007100930403067.20.935.3435.350.010.388-25.4合格 2008061021302100.9-1.434.3634.31-0.050.64825.1合格 2010030722501950.8-13.334.4634.14-0.320.038-45.4不合格2010041222602049.7-11.534.4734.25-0.220.69208.4合格 2011062036503851.33.135.9036.070.170.822-25.1合格 ??????????合格

注：共15場(chǎng)歷史洪水，1場(chǎng)不合格，合格率93.3%。

Note：There were in all 15 floods，and one flood was unqualified.Thus，the qualified rate was 93.3%.

3.2精度評(píng)定從金華站歷史洪水模擬結(jié)果來(lái)看，當(dāng)金華站實(shí)測(cè)流量在1 500 m3/s以上時(shí)，洪水過(guò)程平滑，而當(dāng)實(shí)測(cè)流量在1 000 m3/s及以下時(shí)，洪水過(guò)程常常會(huì)有突變。根據(jù)有歷史水文資料的中型水庫(kù)放水規(guī)律分析和常規(guī)中小型水利工程的控制運(yùn)行計(jì)劃分析，金華江上幾百個(gè)流量級(jí)別的洪水，主要以蓄為主，當(dāng)洪水級(jí)別到1 000 m3/s及以上時(shí)，中小型水利工程以放水為主，容易導(dǎo)致多個(gè)中小型水庫(kù)集中放水造峰，此時(shí)，洪水實(shí)測(cè)洪峰通常偏高；而當(dāng)洪峰流量在3 000、4 000 m3/s左右時(shí)，洪水模擬精度較高，這種洪水多發(fā)生在連續(xù)陰雨的梅雨主汛期，證明水利工程對(duì)大洪水影響較小。

從表1可知，金華站15場(chǎng)歷史洪水，14場(chǎng)合格，合格率為93.3%。根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》GB/T 22482—2008，金華洪水預(yù)報(bào)方案為甲級(jí)精度。洪號(hào)20100307洪水不合格主要是洪量不平衡，該場(chǎng)洪水各預(yù)報(bào)根據(jù)站雨量整編資料齊全，最可能的原因就是沒(méi)有掌握到部分水庫(kù)的泄流數(shù)據(jù)。經(jīng)分析，3月份浙江省還未進(jìn)入汛期，部分水庫(kù)還未開(kāi)始報(bào)汛，該場(chǎng)洪水基本只有源口、橫錦、南江3座水庫(kù)在拍報(bào)出庫(kù)流量。

以洪號(hào)20140820洪水來(lái)檢驗(yàn)參數(shù)，模擬精度如下：Qp，實(shí)測(cè)為4 180 m3/s，Qp，計(jì)算為4 256.2 m3/s，相對(duì)誤差1.8%，Zp，實(shí)測(cè)為36.49 m，Zp，計(jì)算為36.40 m，絕對(duì)誤差-0.09，水位許可誤差0.442，峰時(shí)誤差1，峰時(shí)許可誤差3.6。由此表明，金華站方案參數(shù)通過(guò)檢驗(yàn)，方案合理，可用于實(shí)時(shí)作業(yè)預(yù)報(bào)。

4洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)

當(dāng)前信息化技術(shù)發(fā)展日新月異，新操作系統(tǒng)和新數(shù)據(jù)平臺(tái)更新速度加快，防洪工作對(duì)信息共享提出了更高的要求，以往的孤島化預(yù)報(bào)系統(tǒng)已難以滿足防汛實(shí)際需求。因此，采用模型組態(tài)化的免編程技術(shù)、以C/S和B/S相結(jié)合的方式建

立金華站洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。預(yù)報(bào)模型子系統(tǒng)是C/S方式運(yùn)行的軟件系統(tǒng)，與WEB洪水預(yù)報(bào)子系統(tǒng)緊密相連。預(yù)報(bào)模型子系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)中心搭建，所編輯管理的預(yù)報(bào)模型、方案都在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行管理，其成果直接應(yīng)用于WEB洪水預(yù)報(bào)子系統(tǒng)，并不需額外的數(shù)據(jù)交換過(guò)程。

圖3　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3　Diagram of system structure

預(yù)報(bào)模型子系統(tǒng)集成了種類(lèi)繁多的水文模型，主要分2類(lèi)：允許用戶(hù)自主編輯的腳本計(jì)算模型，以及用程序定制好的模型，如輸入、輸出等。這些水文模型被模塊化，做成像工具零部件一樣的成品，方案由各模塊組合而成，使方案構(gòu)建更靈活，不但可快速搭建方案，且有多種方法可供選擇。

在模型組態(tài)化的基礎(chǔ)上，金華站洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)集成了斷面管理、模型管理、方案管理、歷史洪水模擬、接入未來(lái)降雨的實(shí)時(shí)洪水預(yù)測(cè)、自動(dòng)洪水預(yù)報(bào)、預(yù)報(bào)結(jié)果管理、歷史數(shù)據(jù)維護(hù)等功能，能夠滿足根據(jù)未來(lái)天氣形勢(shì)和當(dāng)前水雨情勢(shì)做洪水預(yù)測(cè)和分析的防汛實(shí)際需求。

5結(jié)語(yǔ)

金華水文站受上游眾多水利工程蓄放水影響，方案參數(shù)率定存在很大的不確定性。經(jīng)分析，攔河工程及小型水庫(kù)、山塘主要影響流量級(jí)別在1 000 m3/s左右的洪水，對(duì)流量級(jí)別在3 000、4 000 m3/s左右的大洪水不會(huì)產(chǎn)生影響。無(wú)閘門(mén)控制的中型水庫(kù)因水庫(kù)蓄滿才會(huì)溢流，具有一定的規(guī)律性；有閘門(mén)控制的大中型水庫(kù)根據(jù)調(diào)度規(guī)則或者調(diào)令開(kāi)閘泄洪，泄流能力大且泄流時(shí)間不確定。該研究抓住主要影響因子，將流域內(nèi)具有閘門(mén)控制的大中型水庫(kù)作為方案輸入項(xiàng)之一，并嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貜脑紙?bào)文考證出庫(kù)流量的可靠性，對(duì)金華站洪水預(yù)報(bào)方案參數(shù)率定的合理性起到了至關(guān)重要的作用。

金華區(qū)間集雨面積4 874.6 km2，若預(yù)報(bào)根據(jù)站網(wǎng)布設(shè)不合理，將會(huì)影響區(qū)間面雨量的計(jì)算，給洪水預(yù)報(bào)帶來(lái)大的誤差。該研究采用分散性三水源新安江模型模擬金華區(qū)間產(chǎn)匯流，即考慮降水和下墊面條件的不均勻分布，將流域分成22個(gè)單元(每個(gè)預(yù)報(bào)根據(jù)站代表1個(gè)單元)，對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，在流域出口處做線性疊加。22個(gè)預(yù)報(bào)根據(jù)站為區(qū)間內(nèi)分布均勻的、控制各主要支流具有長(zhǎng)系列資料的國(guó)家基本雨量站，這樣即使各雨量站等權(quán)重，也不會(huì)帶來(lái)很大的誤差。采用免編程技術(shù)、以C/S和B/S相結(jié)合的方式建立金華站洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，方案構(gòu)建便捷、靈活，大大提升了金華站洪水預(yù)報(bào)服務(wù)能力。系統(tǒng)功能強(qiáng)大，能夠滿足防汛工作對(duì)洪水預(yù)測(cè)分析的實(shí)際需求。

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基金項(xiàng)目浙江省中小河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目(中央投資，浙發(fā)改函[2012]358號(hào))。

作者簡(jiǎn)介元曉華(1981- )，女，吉林集安人，工程師，碩士，從事水文學(xué)及水資源研究。

收稿日期2016-05-12

中圖分類(lèi)號(hào)S 27

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)16-254-02

Modeling and Development of Flood Forecasting System of Jinhua Station

YUAN Xiao-hua, WANG Hao

(Hydrological Bureau of Zhejiang Province, Hangzhou, Zhejiang 310009)

AbstractAs Jinhua river basin has been greatly changed by human activities, the original forecast scheme is difficult to reflect the flood law of Jinhua Station. From this point, the flood forecasting scheme of Jinhua station is re-established by taking into account the major water project. With a full analysis and demonstration, a reasonable approach was used in data selection, rainfall station selection, and calibration to avoid error influence of insufficient data, areal rainfall calculation and initial moisture content of soil on scheme; the results were satisfactory. At last, the flood forecasting system of Jinhua Station was built by using configurable technology, which could improve the flood forecasting service ability of Jinhua Station.

Key wordsForecast scheme; Flood forecast system; Error; Configuration; Jinhua Station