鄧宇陽 邱光敏 林夢(mèng)凡

摘 要：隨著水庫對(duì)氣象服務(wù)內(nèi)容、方式、效果等方面需求的不斷提升，預(yù)報(bào)員需要更了解水庫流域范圍內(nèi)的相關(guān)情況，且要具備一定的水文氣象的知識(shí)。以龍巖白沙水庫為例，利用GIS提取水庫的流域面，并結(jié)合氣象預(yù)報(bào)產(chǎn)品，預(yù)報(bào)了該流域的面雨量及其他水文數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：水庫；GIS；C#；面雨量

中圖分類號(hào)：TV697.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：2095–3305（2024）01–0-03

水庫是水利系統(tǒng)最基層的工程。龍巖地區(qū)海拔高差大、降水資源豐富，境內(nèi)水庫遍布各級(jí)河道，中大型水庫有15座。由于降水及河流的時(shí)空分布不均勻，為了實(shí)現(xiàn)水庫的精確調(diào)度，工作人員需要獲取一定時(shí)間段內(nèi)的高時(shí)空分辨率和高精度降水預(yù)報(bào)信息。

通過提高降水預(yù)報(bào)的精度，工作人員可以獲取具有一定預(yù)見期的降水信息，從而驅(qū)動(dòng)入庫流量的預(yù)報(bào)模型，推進(jìn)其智能化建設(shè)，促使水利信息化[1]。同時(shí)，運(yùn)用智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)等新技術(shù)有利于提高防治洪澇干旱災(zāi)害能力、水資源管理決策水平，改善入庫流量的精度和預(yù)見期。此外，實(shí)行騰庫發(fā)電、消峰錯(cuò)峰、攔蓄洪尾等措施，可以獲得滿意的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，趨利避害，保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[2]。

龍巖市地處福建省西南部，水系發(fā)達(dá)，境內(nèi)主要水系河流有汀江水系、九龍江北溪水系、閩江沙溪水系、梅江水系和九龍江西溪水系、贛江貢水水系等。其中，白沙水庫屬于九龍江北溪，九龍江北溪是閩西地區(qū)第二大水系，流域內(nèi)包含萬安水庫（集水面積667 km2）、白沙水庫（集水面積1 307 km2）、合溪電站（集水面積2 932 km2）等。

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，水庫對(duì)氣象服務(wù)內(nèi)容、方式、效果等方面的需求也不斷提升。一方面，要進(jìn)一步提升預(yù)報(bào)精度，另一方面，要獲取更直觀的產(chǎn)品及預(yù)警信息為水庫生產(chǎn)決策提供科學(xué)參考。

1 技術(shù)內(nèi)容

1.1 數(shù)據(jù)整編

白沙水庫流域面積1 307 km2，總庫容19 926萬m3，設(shè)計(jì)洪水位266.21 m，裝機(jī)容量7.0萬 kW，具有不完全年調(diào)節(jié)能力，水能利用達(dá)7 m3/kW。白沙水庫流域年降水量1 750 mm，水庫年徑流量達(dá)13.63億m3，平均流量43.5 m3/s，設(shè)雨量觀測(cè)站8個(gè)。對(duì)白沙水庫流域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，進(jìn)行歷史資料整編、查閱文獻(xiàn)等，并將收集到的原始資料進(jìn)行分類整編，建立了集水庫基本情況表、水文數(shù)據(jù)表、雨量站數(shù)據(jù)表等數(shù)據(jù)類型的水文氣象數(shù)據(jù)庫，為后期的資料統(tǒng)計(jì)、查詢以及雨洪關(guān)系確定等工作提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)資料。

1.2 水庫流域劃分

以白沙水庫壩頭為對(duì)應(yīng)單元流域的出水口，利用數(shù)字高程模型（DEM），運(yùn)用地理信息系統(tǒng)空間分析（GIS）技術(shù)，通過空間分析、水文分析、地統(tǒng)計(jì)分析、分析建模等技術(shù)進(jìn)行以水庫壩址為出水口的各水庫單元流域的劃分，提取了各單元流域?qū)?yīng)的流域面積、河網(wǎng)長(zhǎng)度等相關(guān)地理信息資料。

目前DEM數(shù)據(jù)是進(jìn)行流域地形分析的主要數(shù)據(jù)，DEM是流域地形、地物識(shí)別的重要原始資料，它包含了豐富的地形、地貌和水文信息。通過DEM可以提取地表形態(tài)信息，如流域網(wǎng)格單位的坡度、坡向及單元格之間的關(guān)系等。利用DEM生成的集水流域和水流網(wǎng)絡(luò)是多數(shù)地表水文分析模型的主要輸入數(shù)據(jù)。利用DEM數(shù)據(jù)提取水流方向等因子的前提是地表起伏足夠大，這樣才能確定水流路徑。即對(duì)于任何一個(gè)像元，水都可以從多個(gè)相鄰像元流入，且僅從一像元流出。

流域提取具體方法：

（1）填洼。在ArGIS的工具箱中“Spatial Analyst 工具”→“水文分析”→“填洼”，對(duì)獲取到的dem數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼處理，得到填洼后的dem數(shù)據(jù)。

（2）流向分析.在ArGIS的工具箱中“Spatial Analyst 工具”→“水文分析”→“流向”，對(duì)流向進(jìn)行分析，得到流向分析結(jié)果（圖1）。

（3）流量分析。在ArGIS的工具箱中“Spatial Analyst 工具”→“水文分析”→“流量”，對(duì)流向運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行流量分析，獲得流量分析刪格數(shù)據(jù)（圖2）。

（4）盆域分析。在ArGIS的工具箱中“Spatial Analyst 工具”→“水文分析”→“盆域分析”，對(duì)流向運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行盆域分析，獲得盆域分析刪格數(shù)據(jù)（圖3）。

（5）柵格轉(zhuǎn)面。利用ArGIS的工具箱中“轉(zhuǎn)換工具”→“由柵格轉(zhuǎn)出”→“柵格轉(zhuǎn)面”，對(duì)盆域分析運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行“柵格轉(zhuǎn)面”操作，獲得流域面矢量數(shù)據(jù)（圖4）。

（6）流域范圍提取。通過已知的水庫大壩經(jīng)緯度，借助ArcGIS自帶的編輯功能，將白沙流域篩選出來（圖5）。

2 面雨量估測(cè)-泰森多邊形制作及區(qū)域自動(dòng)站面雨量計(jì)算

利用數(shù)字高程模型（DEM）劃分好各水庫壩址對(duì)應(yīng)的單元流域，對(duì)流域內(nèi)離散分布的區(qū)域自動(dòng)站進(jìn)行面雨量估測(cè)時(shí)，可以采用泰森多邊形方法獲得各自動(dòng)站所代表的區(qū)域內(nèi)平均面雨量，流域面雨量則為各自動(dòng)站對(duì)應(yīng)區(qū)域的面雨量加權(quán)平均獲得，權(quán)重系數(shù)采用各站點(diǎn)多邊形面積占流域面積的比值確定。

泰森多邊形法是由荷蘭氣候?qū)W家Thiessen提出的一種根據(jù)離散分布的氣象站的降雨量來計(jì)算區(qū)域內(nèi)平均降雨量的方法，即將所有相鄰氣象站連成三角形，作這些三角形各邊的垂直平分線，于是每個(gè)氣象站周圍的若干垂直平分線便圍成一個(gè)多邊形。用這個(gè)多邊形內(nèi)所包含的一個(gè)唯一氣象站的降雨強(qiáng)度來表示這個(gè)多邊形區(qū)域內(nèi)的降雨強(qiáng)度，并稱這個(gè)多邊形為泰森多邊形。

如圖6所示，A、B、C、D表示4個(gè)自動(dòng)氣象站，其中虛線構(gòu)成的多邊形就是泰森多邊形，各氣象站的降水量則表示泰森多邊形區(qū)域內(nèi)的平均降雨量。泰森多邊形每個(gè)頂點(diǎn)是每個(gè)三角形的外接圓圓心，泰森多邊形在GIS里也稱為Voronoi圖。泰森多邊形的特性是：每個(gè)泰森多邊形內(nèi)僅含有一個(gè)離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，泰森多邊形內(nèi)的點(diǎn)到相應(yīng)離散點(diǎn)的距離最近，位于泰森多邊形邊上的點(diǎn)到其兩邊的離散點(diǎn)的距離相等。

泰森多邊形法計(jì)算流域面雨量（權(quán)重法）：站點(diǎn)1雨量×站點(diǎn)1面積÷流域內(nèi)總面積+站點(diǎn)2雨量×站點(diǎn)2面積÷流域內(nèi)總面積+站點(diǎn)3雨量×站點(diǎn)3面積÷流域內(nèi)總面積站+…+站點(diǎn)n雨量×站點(diǎn)n面積÷流域內(nèi)總面積=流域面雨量。

通過ArcGIS獲取的流域數(shù)據(jù)可以找出白沙水庫流域內(nèi)包含的氣象站點(diǎn)，繪制出泰森多邊形法處理后的流域面（圖7），并得到相應(yīng)系數(shù)。

3 水文分析

（1）經(jīng)驗(yàn)徑流系數(shù)法。徑流系數(shù)介于0～1之間，濕潤(rùn)地區(qū)徑流系數(shù)大，干旱地區(qū)徑流系數(shù)小。對(duì)于不同水庫流域的年平均徑流系數(shù)差異很大，徑流豐富區(qū)域徑流系數(shù)可超過0.7，徑流貧乏的流域僅有0.1。根據(jù)徑流量預(yù)測(cè)的需要，可根據(jù)徑流系數(shù)法綜合分析確定白沙水庫流域濕潤(rùn)條件和干燥條件下的日徑流系數(shù)。

利用徑流系數(shù)法計(jì)算水庫流域年、月、旬徑流量。計(jì)算公式如下：

Q=R×S×k×1 000（1）

式（1）中：Q表示徑流量（m3），R為面雨量（mm），S指流域面積（km2），k為徑流系數(shù)。

（2）洪峰流量對(duì)應(yīng)的臨界面雨量預(yù)警指標(biāo)。由實(shí)測(cè)洪峰流量與過程面雨量的相關(guān)關(guān)系繪制出現(xiàn)過程洪峰流量與24 h降水總量的關(guān)系，建立雨洪關(guān)系函數(shù)。研究分析獲得的雨洪預(yù)警指標(biāo)獲得各水庫的生產(chǎn)調(diào)度專家的論證后，可用于水文預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)應(yīng)用中。

4 軟件總體設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)目標(biāo)。軟件設(shè)計(jì)以水文氣象服務(wù)發(fā)展需求為引領(lǐng)，從智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)技術(shù)、水文預(yù)報(bào)模型、雨洪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)等方面出發(fā)，創(chuàng)新發(fā)展水庫氣象服務(wù)，精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，滿足更專業(yè)的水庫氣象服務(wù)。以白沙水庫為例，通過程序?qū)㈩A(yù)報(bào)站點(diǎn)自動(dòng)提取并用泰森多邊形法預(yù)報(bào)白沙水庫面雨量，形成面雨量預(yù)報(bào)產(chǎn)品和徑流量預(yù)報(bào)產(chǎn)品，并對(duì)短期流域降水的雨洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行預(yù)警。

（2）總體框架。通過C#實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)將智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)化為流域面雨量預(yù)報(bào)、水庫徑流量預(yù)報(bào)、雨洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)警產(chǎn)品等進(jìn)行可視化效果顯示，為水庫提供更為精細(xì)化的氣象服務(wù)。結(jié)合數(shù)字高程模型、水文模型，提供更直觀的展示。

（3）功能設(shè)計(jì)。軟件主要功能包括氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、水文數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、水文氣象預(yù)報(bào)服務(wù)、雨洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)警等功能，其中氣象數(shù)據(jù)顯示模塊可根據(jù)自動(dòng)氣象站資料自動(dòng)生成面雨量估測(cè)等產(chǎn)品，并接入水庫雨洪風(fēng)險(xiǎn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的可視化和查看功能。

5 主要成果

（1）DEM高程數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用技術(shù)。獲得了基于數(shù)據(jù)高程DEM資料劃分單元流域的新方法，并根據(jù)此方法可獲取任意一個(gè)水庫或水文站址對(duì)應(yīng)的單元流域面積、地形指數(shù)、距離面積分布函數(shù)等地理屬性，為面雨量計(jì)算和水文模擬提供了技術(shù)支撐。

（2）雨洪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)。確定了白沙水庫不同降雨強(qiáng)度的洪峰流量預(yù)警指標(biāo)及不同水位高度對(duì)應(yīng)的臨界面雨量預(yù)警指標(biāo)。50 mm以上的暴雨過程，白沙水庫197 m3/s，100 mm以上的大暴雨過程將達(dá)到359 m3/s。將氣象與水文相結(jié)合，形成了業(yè)務(wù)化軟件，并且具有靈活、方便的特點(diǎn)，可以根據(jù)需求對(duì)各種中小型水庫流域進(jìn)行氣象和水文預(yù)報(bào)，便于業(yè)務(wù)人員使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李京兵，王玉麗，張錦堂，等.基于氣象水文數(shù)據(jù)融合的小型水庫監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)[J].中國(guó)防汛抗旱，2022，32（06）： 60-66.

[2] 李廣海.水庫防汛氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2012.