朱雪梅，呂 哲，姜 文

（柳州水文中心，廣西 柳州 545000）

0 前言

柳州市河流點(diǎn)多面廣、集水面積在50 km2以上的河流有134條，其中中小河流多達(dá)128條。柳州水文部門(mén)在其中的35條河流上建有水文（位）站52個(gè)，雨量站214個(gè)，泥沙站7個(gè)，蒸發(fā)站8個(gè)，地下水監(jiān)測(cè)站17個(gè)，水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面35個(gè)。水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的傳感器每5 min自動(dòng)采集水位、雨量、蒸發(fā)信息，自動(dòng)傳回中心機(jī)房自動(dòng)存儲(chǔ)在中心機(jī)房服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，按2020年實(shí)現(xiàn)遙測(cè)的300多個(gè)水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，每年自動(dòng)采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息記錄達(dá)3000萬(wàn)條以上。這些數(shù)據(jù)為柳州市水旱災(zāi)害防御、水資源配置管理、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)的決策依據(jù)。

長(zhǎng)期以來(lái)，點(diǎn)多面廣，突發(fā)性強(qiáng)，流速快、歷時(shí)短的中小河流洪水一直是柳州市防汛減災(zāi)工作的難點(diǎn)，特別是大部分的中小河流防洪標(biāo)準(zhǔn)低或基本沒(méi)有設(shè)防，遇局地強(qiáng)降雨很容易造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。當(dāng)前，柳州市轄區(qū)內(nèi)共有39個(gè)中小河流站點(diǎn)，這些站點(diǎn)大多是2012年以后建立的，積累的雨洪資料年限短，洪水場(chǎng)次少，未能滿(mǎn)足《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T 22482-2008）要求使用10年以上的水文資料，其中應(yīng)包括大、中、小洪水各種代表性年份，并有足夠代表性的場(chǎng)次洪水資料，濕潤(rùn)地區(qū)不應(yīng)少于50次的洪水資料要求。為不斷提高預(yù)警預(yù)報(bào)方案的精度，需要編制或每年修編預(yù)警預(yù)報(bào)方案。目前，柳州主要是采用多元回歸方程式Z峰＝a×P面+b×T歷+c×Z起+d×Z同+M來(lái)開(kāi)展中小河流預(yù)警工作。中小河流預(yù)警方案的編制工作，需要對(duì)每個(gè)預(yù)警斷面每場(chǎng)洪水的面降雨量、降雨歷時(shí)、起漲水位、同時(shí)水位等因子進(jìn)行人工統(tǒng)計(jì)，并且每個(gè)預(yù)警斷面至少需要從歷年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中摘錄、挑選50場(chǎng)以上的雨洪場(chǎng)次洪水相關(guān)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，這需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。

為提高工作效率，解決水文資料整編和洪水預(yù)警預(yù)報(bào)工作自動(dòng)化問(wèn)題，柳州水文中心自主研發(fā)了水文遙測(cè)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)研究水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)智能處理技術(shù)，制定相關(guān)的算法對(duì)水文遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)提取、摘錄、訂正、篩選、壓縮冗余數(shù)據(jù)、合理性分析，形成符合南方片水文資料整編系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的整編資料；自動(dòng)從水文遙測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中統(tǒng)計(jì)、摘錄、挑選出洪峰預(yù)報(bào)多元回歸方程式Z峰＝a×P面+b×T歷+c×Z起+d×Z同+M中所需的場(chǎng)次洪水流域面平均降雨量、降雨歷時(shí)、起漲水位、同時(shí)水位等與洪峰水位（流量）敏感的因子，快速編制洪水預(yù)警預(yù)報(bào)方案，實(shí)時(shí)開(kāi)展洪水預(yù)警預(yù)報(bào)分析。本文介紹水文遙測(cè)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)在預(yù)警預(yù)報(bào)方案編制、洪水預(yù)警預(yù)報(bào)分析中的具體應(yīng)用。

1 流域概況

1.1 自然地理特征

程陽(yáng)水位站位于三江侗族自治縣林溪鄉(xiāng)合華村合善屯，為林溪河控制站。林溪河是三江縣古宜河的右岸一級(jí)支流，其發(fā)源地位于三江縣林溪鄉(xiāng)水團(tuán)村北3.2 km處，流域面積427 km2，干流長(zhǎng)51 km，平均坡降2.47‰，由北向南流經(jīng)林溪鄉(xiāng)和古宜鎮(zhèn)，在三江縣古宜鎮(zhèn)黃排村石眼屯匯入古宜河。林溪河流域地形地貌分為土質(zhì)低山和丘陵兩部分，成片、成帶出現(xiàn)，山嶺連綿，高程在500～700 m之間。山地土層較厚，土質(zhì)肥沃。

1.2 水文氣象特征

林溪河所處區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，具有明顯的山地氣候特征。氣候溫和，四季宜人，年平均氣溫16.4℃。影響流域的暴雨天氣系統(tǒng)主要有鋒面、低壓、低渦、切變線(xiàn)等。流域內(nèi)降雨量充沛，降雨量、徑流量年內(nèi)分配不均，多集中在5～8月，根據(jù)林溪雨量站1963年至今的資料分析，流域內(nèi)多年平均降雨量為1430 mm。

1.3 站網(wǎng)分布

程陽(yáng)水位站設(shè)立于2012年3月，原名林溪水位站，于2020年更名為程陽(yáng)水位站。該站預(yù)警斷面的集水面積104 km2，河長(zhǎng)17.9 km。歷史調(diào)查最高水位193.9 m（1973年）。建站以來(lái)最高洪水位193.37 m，發(fā)生在2017年7月10日，超警戒水位0.37 m。

林溪河流域內(nèi)有都亮、水團(tuán)、林溪、光輝、程陽(yáng)5個(gè)雨量站和程陽(yáng)水位站，位于程陽(yáng)水位站斷面以上的雨量站點(diǎn)有都亮、水團(tuán)、林溪、程陽(yáng)4個(gè)雨量站和程陽(yáng)水位站，位于程陽(yáng)水位站下游的有光輝雨量站。除林溪雨量站設(shè)立于1963年外，其余站點(diǎn)均為2012年后設(shè)立。

2 水文遙測(cè)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)在預(yù)警預(yù)報(bào)方案編制中的應(yīng)用

2.1 方案編制技術(shù)路線(xiàn)

通過(guò)對(duì)次洪面降雨量、降雨歷時(shí)、起漲水位、同時(shí)水位與洪峰水位5因子分析，建立洪水預(yù)警多元回歸方程Z峰＝a×P面+b×T歷+c×Z起+d×Z同+M，同時(shí)收集峰現(xiàn)時(shí)間，作為預(yù)報(bào)洪峰出現(xiàn)的依據(jù)。

（1）次洪面降雨量P面。以預(yù)警斷面上游所有報(bào)汛的雨量站進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用算術(shù)平均法計(jì)算，起始降雨量以洪水水位起漲前幾個(gè)時(shí)段降雨量開(kāi)始計(jì)，至最大3 h降雨量止，計(jì)算次洪面降雨量。

（2）降雨歷時(shí)T歷。從起始降雨量至最大3 h降雨量止，統(tǒng)計(jì)小時(shí)雨量大于等于2 mm的時(shí)段，作為降雨歷時(shí)。

（3）統(tǒng)計(jì)本場(chǎng)洪水的起漲水位Z起、洪峰水位Z峰。

（4）同時(shí)水位Z同取最大3 h降雨量止時(shí)對(duì)應(yīng)的水位。

（5）峰現(xiàn)時(shí)間為最大3 h降雨量止的時(shí)間至洪峰水位出現(xiàn)時(shí)間的差值。

2.2 方案編制的具體步驟

2.2.1 配套雨量站選取

選取程陽(yáng)水位站斷面以上的都亮、水團(tuán)、林溪、程陽(yáng)4個(gè)雨量站和程陽(yáng)水位站作為計(jì)算面平均降雨量的代表站，錄入雨洪配套表（見(jiàn)表1）。

表1 程陽(yáng)水位站雨洪配套表

2.2.2 洪水摘錄

摘錄程陽(yáng)水位站2014—2020年18場(chǎng)洪峰水位大于190 mm、且漲幅大于0.7 m的洪水資料。比如，摘錄2019年7月13日這場(chǎng)洪水，只需在水文遙測(cè)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的站點(diǎn)設(shè)置欄選取站名程陽(yáng)，先是在結(jié)束時(shí)間選2019年7月13日20時(shí)，然后在開(kāi)始時(shí)間選2019年7月12日08時(shí)，在主雨時(shí)長(zhǎng)選取3，點(diǎn)擊洪水摘錄，即可視化展示該場(chǎng)洪水的水位過(guò)程線(xiàn)，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)這場(chǎng)洪水的5個(gè)相關(guān)因子，并以電子表格的形式將成果保存在程陽(yáng)文件夾里面。開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間選取的原則是能包住一場(chǎng)洪水的起漲和洪峰時(shí)間。主雨時(shí)長(zhǎng)的選取可根據(jù)預(yù)警斷面的集水面積來(lái)定，一般集水面積小于100 km2的建議選取1～3 h；集水面積在100～1000 km2的建議選取3～6 h。集水面積越大，選取的主雨時(shí)長(zhǎng)應(yīng)越大。水文遙測(cè)分析系統(tǒng)操作界面見(jiàn)圖1。

圖1 水文遙測(cè)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)操作界面

2.2.3 方案編制

摘錄程陽(yáng)水位站2014—2020年共18場(chǎng)洪峰水位大于190 mm、且漲幅大于0.7 m的洪水資料匯總在一起，利用多元回歸方程編制方案，具體方法為：在表格中空白區(qū)域選定一塊5行，n+1（n為自變量個(gè)數(shù)），取洪峰水位Z峰為因變量，取P面、T歷、Z起、Z同為自變量，共涉4個(gè)自變量，即5個(gè)組數(shù)據(jù)，則需定義5×5區(qū)域，然后錄入公式linest（C2：C19，D2：G19，TRUE，TRUE），同時(shí)按ctrl+shift+enter，即可求出線(xiàn)性回歸方程的各參數(shù)，得到程陽(yáng)水位站洪峰預(yù)報(bào)回歸方程（見(jiàn)表2）。程陽(yáng)水位站洪峰預(yù)報(bào)回歸方程：Z峰＝56.1 295+0.0 177×P3+0.0 560×T2+0.7 944×Z起-0.08 761×Z同。

如果選P面、T歷、Z起為自變量，則定義5×4域，然后錄入公式linest（C2：C19，D2：F9，TRUE，TRUE），同時(shí)按ctrl+shift+enter，即可求出線(xiàn)性回歸方程的各參數(shù)，得到程陽(yáng)水位站預(yù)報(bào)回歸方程：Z峰＝59.1 873×P3+0.0 599×T2+0.6 908×Z起。

2.2.4 方案評(píng)定

按《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T 22482-2008）要求對(duì)以上預(yù)報(bào)模型進(jìn)行評(píng)定，在評(píng)定的18場(chǎng)洪水中，11場(chǎng)合格，合格率為61.1%，方案精度為丙級(jí)，可用于水情預(yù)警的發(fā)布參考性估報(bào)。程陽(yáng)水位站預(yù)警方案評(píng)定成果見(jiàn)表2。

12 13 14 15 16 17 18 2017-09-11 2019-04-20 2019-06-06 2019-07-07 2019-07-13 2020-07-10 2020-09-11 190.55 191.02 191.18 191.7 191.44 191.96 192.17 45.4 36.5 27.1 45.1 35.1 75.9 95.1 3 3 4 3 2 5 9 189.43 189.41 189.42 190.22 190.01 189.45 189.46 190.47 189.79 189.43 191.19 190.6 190.37 191.03 1.12 1.61 1.76 1.48 1.43 2.51 2.71 190.90 190.79 190.72 191.46 191.11 191.58 192.10 0.35-0.23-0.46-0.24-0.33-0.38-0.07 0.22 0.32 0.35 0.30 0.29 0.50 0.54不合格合格不合格合格不合格合格合格2 3 3 4 2 3.5 2.5多元回歸方程公式Z峰＝56.1 295+0.0 177×P3+0.0 560×T2+0.7 944×Z起-0.08 761×Z同，18場(chǎng)洪水，11場(chǎng)合格，合格率61.1%

3 水文遙測(cè)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)在洪水預(yù)警預(yù)報(bào)分析中的應(yīng)用

3.1 預(yù)警預(yù)報(bào)公式的錄入

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，程陽(yáng)水位站2014—2020年18場(chǎng)洪水的平均峰現(xiàn)時(shí)間約為3 h，將程陽(yáng)水位站多元回歸公式各系數(shù)錄入系統(tǒng)調(diào)用的電子表格中（見(jiàn)表3）。

表3 程陽(yáng)水位站預(yù)警多元回歸公式表

3.2 洪水預(yù)警預(yù)報(bào)應(yīng)用實(shí)例

選取程陽(yáng)水位站2020年7月10日洪水為例。這場(chǎng)洪水的降雨從7月10日01時(shí)開(kāi)始，至7月10日12時(shí)基本結(jié)束。最大3 h降雨量止對(duì)應(yīng)的時(shí)間是7月10日07時(shí)。開(kāi)展洪水預(yù)警分析時(shí)，先在站名設(shè)置里選擇程陽(yáng)，開(kāi)始時(shí)間選7月10日01時(shí)，結(jié)束時(shí)間選7月10日07時(shí)，主雨峰時(shí)長(zhǎng)選3，方案選1，最后點(diǎn)擊預(yù)警分析。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)出程陽(yáng)水位站的多元回歸預(yù)警公式，并自動(dòng)計(jì)算這場(chǎng)洪水的面平均降雨量、降雨歷時(shí)、起漲水位、同時(shí)水位。再點(diǎn)擊預(yù)測(cè)洪峰水位，即可自動(dòng)算出洪峰水位為191.18 m，洪峰水位出現(xiàn)時(shí)間為7月10日10時(shí)，超警水位值為-1.82 m。選擇方案2計(jì)算，方法同上。方案2的預(yù)報(bào)洪峰水位為191.75 m，洪峰水位出現(xiàn)時(shí)間為7月10日10時(shí)，超警水位值為-1.25 m。

發(fā)布洪水預(yù)警時(shí)，取2個(gè)方案預(yù)報(bào)結(jié)果的均值，即191.47 m作為預(yù)警發(fā)布的水位。發(fā)布洪水預(yù)報(bào)時(shí)，依據(jù)峰現(xiàn)時(shí)間為3 h，即最大3 h降雨量止的時(shí)間7月10日07時(shí)到洪峰出現(xiàn)時(shí)間需要3 h，則洪峰出現(xiàn)時(shí)間為7月10日10時(shí)。這場(chǎng)洪水的實(shí)際洪峰水位為191.96 m，出現(xiàn)時(shí)間為7月10日10時(shí)30分。洪峰預(yù)報(bào)誤差為0.46 m，時(shí)間預(yù)報(bào)誤差為0.5 h，預(yù)報(bào)成果良好。程陽(yáng)水位站2020年7月10日洪水預(yù)報(bào)成果圖見(jiàn)圖2。

圖2 程陽(yáng)水位站2020年7月10日洪水預(yù)報(bào)成果圖

4 結(jié)語(yǔ)

采用水文遙測(cè)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，不僅提高了柳州市水文資料整編和洪水預(yù)警預(yù)報(bào)自動(dòng)化水平，而且有效延長(zhǎng)了水情服務(wù)的預(yù)見(jiàn)期，可將該成果推廣應(yīng)用到廣西其他同類(lèi)地區(qū)，為同類(lèi)地區(qū)相關(guān)工作提供參考。