賈新穎

（河北省水利規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河北 石家莊 050021）

一、水文預(yù)報技術(shù)在城市防洪中的應(yīng)用價值

（一）實時、準(zhǔn)確掌握城市防洪具體形勢

在城市防洪項目中，水文預(yù)報技術(shù)是在已掌握資料信息基礎(chǔ)上準(zhǔn)確預(yù)測未來一段時間水文變化趨勢及具體情況，以及將實況觀測結(jié)果傳送至預(yù)報中心和發(fā)布預(yù)警信息。因此，對水文預(yù)報技術(shù)的應(yīng)用，可以幫助相關(guān)政府職能部門全面、準(zhǔn)確掌握當(dāng)下和未來一段時間的城市防洪形勢，獲取暴雨和地面徑流量、洪水演進情況、斷面水面線高程等具體信息，為防洪救災(zāi)方案的制定提供明確依據(jù)，最大程度減小城市洪澇災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失與人員傷亡。例如，根據(jù)水文預(yù)報結(jié)果，幫助救災(zāi)人員與指揮部門準(zhǔn)確掌握洪水淹沒范圍，集中力量對淹沒范圍內(nèi)的受災(zāi)人群開展救援工作。

（二）提供健全的預(yù)報服務(wù)

依托水文預(yù)報技術(shù)，逐漸在城市防洪項目中構(gòu)建起完善的水文預(yù)報防洪體系，體系由信息接收處理、信息檢索查詢、水情預(yù)警、水情信息資源庫等配套子系統(tǒng)加以組成，具備多元化使用功能，切實滿足了城市防洪與救災(zāi)工作的開展需要。例如，信息接收系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)處理功能，工作人員僅需預(yù)先導(dǎo)入控制方案或下達控制指令，系統(tǒng)即可基于程序運行準(zhǔn)則從所收集海量數(shù)據(jù)中篩選出具備較高價值的原始信息，根據(jù)信息間的關(guān)聯(lián)屬性進行分類解析處理，再將處理后的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入水情信息資源庫中對應(yīng)類別文件中歸檔保存。信息檢索查詢系統(tǒng)具備快速檢索功能，用戶僅需輸入關(guān)鍵詞，即可查閱所需信息，如特定時間段的歷史水文觀測數(shù)據(jù)與氣象資料，以及使用系統(tǒng)自帶工具來自動生成圖表，或是導(dǎo)入電子地圖與三維信息模型中。

（三）洪水過程模擬與風(fēng)險評估

在早期開展的城市防洪工作中，受到技術(shù)水平限制，雖然可以在洪水出現(xiàn)前的一段時間進行預(yù)測通報，粗略判斷洪水規(guī)模。但是，卻無法精準(zhǔn)預(yù)測洪水淹沒過程，由此引發(fā)防洪準(zhǔn)備工作不到位、無效救援等問題出現(xiàn)，嚴(yán)重時導(dǎo)致防洪救災(zāi)方案不具備實施條件。

水文預(yù)測技術(shù)的應(yīng)用，可以替代人工完成大量的數(shù)據(jù)計算、分析處理等任務(wù)，準(zhǔn)確描述洪澇災(zāi)害中各項要素間的關(guān)系，預(yù)測洪水流量、最高水位、河網(wǎng)極限需水量等數(shù)值，準(zhǔn)確模擬不同情境下的洪水淹沒過程，這對城市防洪工作質(zhì)量及效率的提升有著重要意義。

二、水文預(yù)報技術(shù)在城市防洪中的具體應(yīng)用場景

（一）水文預(yù)報數(shù)據(jù)采集處理

在數(shù)據(jù)采集處理場景中，將數(shù)據(jù)分為地形、氣象、水文三類，具體如下：第一，地形數(shù)據(jù)采集處理。使用全站儀、3D 激光掃描儀等設(shè)備或GPS 系統(tǒng)，采集山脊、坡面及地物目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)值和地形數(shù)據(jù)，從中提取DEM數(shù)據(jù)，分析坡度、溝床比降、等地形參數(shù)，計算提取水流方向、匯流累積量、集水區(qū)出水點等水系參數(shù)，經(jīng)過內(nèi)業(yè)處理后繪制大比例尺數(shù)字地形圖。第二，氣象數(shù)據(jù)采集處理。在測區(qū)內(nèi)設(shè)置若干處雨量監(jiān)測站點以及氣象站點，在其基礎(chǔ)上形成城市水文監(jiān)測網(wǎng)，持續(xù)采集實時氣象數(shù)據(jù)，還可選擇組合應(yīng)用雷達衛(wèi)星觀測法對所獲取氣象數(shù)據(jù)加以反演處理來提高觀測精度。同時，氣象數(shù)據(jù)由氣溫、降雨兩部分?jǐn)?shù)據(jù)組成，從氣象數(shù)據(jù)中提取月平均最低/最高氣溫等參數(shù)，采取反距離加權(quán)方式進行插值處理來生成氣溫分布圖，并使用GIS 軟件對降雨數(shù)據(jù)采取空間插值處理方法來獲取雨量分布圖。第三，水文數(shù)據(jù)采集處理。水文數(shù)據(jù)由水位、流速與流量組成，使用水尺工具與設(shè)置水位監(jiān)測點來獲取水位資料，根據(jù)斷面水位及流量二者狀態(tài)變化來判斷水位-流量關(guān)系和預(yù)測未來變化。隨后，采取電離子法、固體法或分子法等方法來測量洪水流速，以電離子法為例，在洪水中添加含導(dǎo)電離子溶液，溶液溶于水后隨洪水流動，通過測算電子通過時間來獲取流速參數(shù)。最后，將所獲取斷面平均流速值導(dǎo)入對應(yīng)計算公式中，根據(jù)斷面平均流速和過流斷面面積二者關(guān)系來計算洪水和徑流流量值。

（二）構(gòu)建分布式水文模型

在水文預(yù)報技術(shù)體系中，對分布式水文模型的構(gòu)建，可以在模型中直觀展示城市防洪具體形勢，以及在可視化狀態(tài)下演示水位、流量、流速等參數(shù)之間的互動反饋過程，主要包括HEC 降雨徑流模型、產(chǎn)流模擬模型以及匯流模擬模型。以HEC 降雨徑流模型為例，在軟件中導(dǎo)入降雨量、最大洪峰流量等數(shù)據(jù)，在其基礎(chǔ)上構(gòu)建松散耦合式水文模型，采取綜合單位線法或是推理公式法，在模型中以分水線為界來計算子流域的產(chǎn)流及匯流過程，最終演算至流域出口斷面處，所構(gòu)建HEC 降雨徑流模型在城市防洪工作中起到解決流量資料缺乏和提供淹沒范圍模擬數(shù)據(jù)的作用。

（三）淹沒過程計算

淹沒過程計算是水文預(yù)報技術(shù)體系中的一項重要應(yīng)用場景，依托所構(gòu)建淹沒模型來模擬洪澇災(zāi)害過程，準(zhǔn)確計算不同時間節(jié)點的水位、流速、流量、淹沒水深以及淹沒范圍，主要計算項目包括洪水演進計算、淹沒水深計算和淹沒范圍計算。其中，在洪水演進計算項目中，可使用圣維南演算方程或是馬斯京根演算方程，圣維南演算方程是在一維漸變非恒定流公式中導(dǎo)入平均流速與過水?dāng)嗝媪髁康葏?shù)來判斷水位-流量在不同時間下的變化關(guān)系，馬斯京根演算方程是采取建立槽蓄曲線方程與水量平衡聯(lián)立方程組的方式來演算出流過程。在淹沒水深計算項目中，預(yù)先構(gòu)建淹沒水深模型，將模型中高程未達到淹沒水位計算值的城市地塊劃入淹沒區(qū)進行無源淹沒計算，或是在模型中添加水流方向、洼地連通、地形阻擋等條件進行有源淹沒計算。而在淹沒范圍計算項目中，工作人員使用GeoRAS 等軟件來構(gòu)建HEC-RAS 模型，根據(jù)已掌握的洪水高程值來計算淹沒面積，基于洪水水量和總水量體積相等原理初步劃定洪水淹沒范圍。隨后，在模型中輸入斷面點高程與斷面位置等信息，構(gòu)建配套非恒定流模型，對DEM 數(shù)據(jù)進行疊合處理來模擬具體的洪水淹沒范圍。

三、城市防洪中水文預(yù)報技術(shù)的應(yīng)用措施

（一）做好汛前準(zhǔn)備工作

在城市防洪工作中，水位預(yù)報技術(shù)主要起到準(zhǔn)確反映實際城市防洪形勢、提供防洪救災(zāi)方案制定依據(jù)的參照指導(dǎo)作用，如何充分利用技術(shù)參照指導(dǎo)作用來組織開展城市防洪工作，是發(fā)揮出水位預(yù)報技術(shù)應(yīng)有作用的關(guān)鍵。因此，在城市洪澇災(zāi)害來臨前，必須圍繞水文預(yù)報技術(shù)體系和已掌握水文氣象資料來開展汛前準(zhǔn)備工作，工作內(nèi)容包括預(yù)先性部署、防洪救災(zāi)方案制定、儀器設(shè)備準(zhǔn)備、人員就位等。例如，工作人員應(yīng)用水文預(yù)報技術(shù)，在已掌握水文氣象資料與觀測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上判斷是否存在出現(xiàn)洪澇災(zāi)害的可能性，模擬洪量過程，掌握洪澇災(zāi)害出現(xiàn)時間、淹沒范圍、淹沒水位等具體信息，針對性制定城市防洪應(yīng)急預(yù)案，在洪水來臨前做好淹沒區(qū)域的受災(zāi)人員與財產(chǎn)物資轉(zhuǎn)移工作。同時，根據(jù)淹沒過程模擬結(jié)果進行預(yù)先性部署，明確設(shè)定各城市區(qū)域中儀器設(shè)備與人員數(shù)量，切實滿足防洪救災(zāi)工作開展需求。

（二）持續(xù)提高水文預(yù)報技術(shù)水平

根據(jù)水文預(yù)報技術(shù)實際應(yīng)用情況來看，仍舊存在諸多技術(shù)問題有待解決，例如，水文預(yù)報系統(tǒng)中的水情預(yù)警流程較為復(fù)雜，水情預(yù)警通報渠道單一，在出現(xiàn)特大洪水災(zāi)害時不具備全天候?qū)崟r預(yù)報監(jiān)測的技術(shù)條件。因此，需要加大對水文預(yù)報技術(shù)的研究力度，積極引進全新技術(shù)手段，以城市防洪工作開展需求作為技術(shù)發(fā)展導(dǎo)向，具體措施包括升級水文預(yù)報系統(tǒng)、建立專屬數(shù)據(jù)庫、采取多元化預(yù)報方式。

首先，升級水文預(yù)報系統(tǒng)，對系統(tǒng)功能配置結(jié)構(gòu)進行變更調(diào)整，增加收轉(zhuǎn)報自動專揀、水情自動預(yù)警、城市防汛決策建議、自動生成洪水警示地圖等功能。例如，工作人員預(yù)先在系統(tǒng)中設(shè)置水量、水位等參數(shù)的警戒閥值，在系統(tǒng)運行期間檢測到觀測數(shù)據(jù)中所提取參數(shù)超過或臨近警戒值時，基于程序運行準(zhǔn)則自動發(fā)送水情報警信號，向相關(guān)部門與工作人員發(fā)送報告與所生成洪水警示地圖，以此來提高水情預(yù)警效率與強化應(yīng)急處置能力。

其次，在水位預(yù)報系統(tǒng)中建立區(qū)域性或全國性的專屬數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)自動或是由人工將所獲取水文氣象資料、洪水災(zāi)害期間現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果、淹沒過程計算結(jié)果等信息數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫中，將數(shù)據(jù)庫與各地區(qū)水文預(yù)報系統(tǒng)保持連接狀態(tài)。如此，可以在任何地區(qū)的終端上直接訪問數(shù)據(jù)庫，調(diào)用本地區(qū)或其他地區(qū)的歷史水文預(yù)報數(shù)據(jù)，在真正意義上實現(xiàn)水文情報共用目標(biāo)，獲取更高的技術(shù)效益。

最后，在水文預(yù)報技術(shù)體系中采取多元化的預(yù)報方式，包括實時預(yù)報、統(tǒng)計預(yù)報、流域預(yù)報等。以實時預(yù)報為例，采取ORSEC技術(shù)手段，配置直升機、無人機等飛行器，在出現(xiàn)特大洪水災(zāi)害時前往現(xiàn)場對洪水情況進行全程監(jiān)視，采集實時水文氣象資料與洪水水位、淹沒范圍、流量等參數(shù)，在新掌握信息資料基礎(chǔ)上定期重復(fù)開展淹沒過程計算工作，生成最新的洪水警示圖，以此來保證水文預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確性。

結(jié)語：綜上所述，為全面提高城市防洪搶險救災(zāi)工作質(zhì)量及效率，提前預(yù)測可能出現(xiàn)的災(zāi)害性水文現(xiàn)象并發(fā)送水情報警信號。因此，需要加大對水文預(yù)報技術(shù)的應(yīng)用力度，重點開展汛前準(zhǔn)備工作，持續(xù)提高技術(shù)水平。唯有如此，方可快速獲取第一手水文氣象資料，為現(xiàn)代化城市防洪搶險機制的建設(shè)提供技術(shù)支撐。