大連市大中型水庫(kù)集總式洪水預(yù)報(bào)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(yáng)110003)

本研究為水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目：遼寧省中小型水庫(kù)防洪減災(zāi)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)(200801040);水利部科技推廣計(jì)劃項(xiàng)目：中小型水庫(kù)防洪減災(zāi)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)(TG1142)。

摘要：本文通過(guò)對(duì)洪水預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和大連市區(qū)域概況進(jìn)行調(diào)查分析，找出各水庫(kù)和水庫(kù)上級(jí)主管部門(mén)在防洪預(yù)警過(guò)程中存在的薄弱環(huán)節(jié)。開(kāi)展大連市23座大中型水庫(kù)集總式洪水預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)研究，確定研究目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)、界面設(shè)計(jì)、模型建設(shè)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等進(jìn)行歸納總結(jié)，詳細(xì)介紹了專(zhuān)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(kù)洪水預(yù)報(bào)預(yù)警水平，進(jìn)一步完善水庫(kù)總體防洪減災(zāi)體系，防止和減輕水庫(kù)洪澇災(zāi)害，確保城市的防洪安全。

關(guān)鍵詞：大中型水庫(kù)；集總式；預(yù)報(bào)預(yù)警

中圖分類(lèi)號(hào)：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(bào)預(yù)警是水庫(kù)防洪過(guò)程中的重要組成部分，只有及時(shí)、準(zhǔn)確地提前獲得可能來(lái)水信息，獲得一定的預(yù)見(jiàn)期，水庫(kù)管理人員才能采取有效的避險(xiǎn)措施，從而防止災(zāi)害的發(fā)生。目前，我國(guó)中型以上水庫(kù)均具備洪水預(yù)報(bào)預(yù)警能力，但預(yù)報(bào)水平參差不齊，主要包括人工預(yù)報(bào)和系統(tǒng)預(yù)報(bào)兩種。其中人工預(yù)報(bào)多以預(yù)報(bào)人員經(jīng)驗(yàn)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(duì)于管理水平較好的一些水庫(kù)，已建立洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)獲取水庫(kù)上游控制流域范圍內(nèi)的雨水情信息，并利用預(yù)報(bào)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)洪水的自動(dòng)預(yù)報(bào)，為水庫(kù)管理人員提供防洪參考依據(jù)。當(dāng)各水庫(kù)完成自身的洪水預(yù)報(bào)后，需要將預(yù)報(bào)預(yù)警信息進(jìn)一步報(bào)送給上級(jí)主管部門(mén)，最終由上級(jí)主管部門(mén)對(duì)其管轄范圍內(nèi)的所有水庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一指揮調(diào)度，從而保證上下游水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度的需要。該過(guò)程存在諸多問(wèn)題：首先，水庫(kù)在報(bào)送過(guò)程中需要浪費(fèi)一定的時(shí)間；其次，該過(guò)程容易出現(xiàn)各種人為誤差；第三，各水庫(kù)預(yù)報(bào)成果的整編形式不統(tǒng)一，成果到達(dá)主管部門(mén)后，還需進(jìn)一步整理，效率低下。因此，需要在主管部門(mén)建立一套能夠?qū)崿F(xiàn)管轄范圍內(nèi)所有水庫(kù)統(tǒng)一預(yù)報(bào)預(yù)警的系統(tǒng)平臺(tái)，與各水庫(kù)形成同步。為全面提高大連市水庫(kù)防洪減災(zāi)能力，及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取各水庫(kù)的實(shí)時(shí)水雨情和洪水預(yù)報(bào)預(yù)警信息，并且與全省預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)保持同步，形成統(tǒng)一系統(tǒng)平臺(tái)，構(gòu)建一套集總式的大連市水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)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(shì)為自西南向東北方向遞增。全市中型以上水庫(kù)23座，其中大型水庫(kù)7座、中型水庫(kù)16座，總庫(kù)容23.47億m3，興利庫(kù)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(kù)16座，普灣新區(qū)以南地區(qū)共有中型水庫(kù)7座。其中，普蘭店市境內(nèi)有大型水庫(kù)2座，為碧流河、劉大，中型水庫(kù)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(kù)3座，為英那河、朱家隈子、轉(zhuǎn)角樓，中型水庫(kù)1座，為永記；瓦房店市境內(nèi)有大型水庫(kù)2座，為松樹(shù)、東風(fēng)，中型水庫(kù)4座，為大河、九龍、八一、蓮花；普灣新區(qū)有中型水庫(kù)1座，為鴿子塘；金州新區(qū)境內(nèi)有中型水庫(kù)3座，為青云河、臥龍、北大河；甘井子區(qū)境內(nèi)有中型水庫(kù)1座，為大西山；旅順口區(qū)境內(nèi)有中型水庫(kù)1座，為龍王塘。

2研究目標(biāo)

按照國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程的建設(shè)目標(biāo)，充分利用現(xiàn)有資源，采用統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)建設(shè)模式，通過(guò)對(duì)大連市23座大中型水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)、預(yù)警與調(diào)度方案的整編，以及大連市大中型水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)與防洪調(diào)度系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，構(gòu)建一套以采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)、預(yù)報(bào)方案為支撐、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為依托、系統(tǒng)軟件為核心的大連市水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)預(yù)警與調(diào)度系統(tǒng)。系統(tǒng)建成后，滿(mǎn)足各相關(guān)應(yīng)用部門(mén)的需要，為科學(xué)防汛提供可靠的目標(biāo)，成果達(dá)到國(guó)家防汛指揮系統(tǒng)、國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3總體設(shè)計(jì)

充分運(yùn)用水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)采集到的水雨情信息，在綜合各水庫(kù)多年來(lái)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(xiàng)目取得先進(jìn)性、可靠性和實(shí)用性的研究開(kāi)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_(kāi)發(fā)，專(zhuān)業(yè)支持系統(tǒng)由系統(tǒng)管理、工程資料、水情查詢(xún)、綜合預(yù)警、單庫(kù)模擬、成果管理、預(yù)警報(bào)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(bào)、綜合預(yù)警、辦公自動(dòng)化和抗洪預(yù)報(bào)等子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)的建設(shè)有利于提高水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)預(yù)警水平，促進(jìn)大連市水庫(kù)水利信息化發(fā)展，進(jìn)一步完善水庫(kù)總體防洪減災(zāi)體系，防止和減輕水庫(kù)洪澇災(zāi)害，確保城市的防洪安全。對(duì)水庫(kù)的各種洪水要素進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，為各級(jí)防汛指揮部門(mén)提供決策依據(jù)。

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如下頁(yè)圖1所示。

圖1　功能結(jié)構(gòu)

3.2界面設(shè)計(jì)

界面設(shè)計(jì)中以操作簡(jiǎn)便、交互友好、尊重水文操作人員習(xí)慣為指導(dǎo)原則，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)性與易操作性的統(tǒng)一。盡量采用直觀的圖形用戶(hù)界面技術(shù)，信息的表達(dá)形象、直觀、簡(jiǎn)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(biāo)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(zhuān)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(bào)模型

水文預(yù)報(bào)模型按照類(lèi)型可以分成兩大類(lèi)，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(shì)，其很好地描述了洪水演進(jìn)的整個(gè)物理過(guò)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(jiǎn)便、高效的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)歷年歷史洪水的檢驗(yàn)，其預(yù)報(bào)精度均達(dá)到乙級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足水庫(kù)預(yù)報(bào)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(mǎn)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(duì)上述模型進(jìn)行了電子化處理，建立了模型庫(kù)，各水庫(kù)可以選擇適合本水庫(kù)的水文預(yù)報(bào)模型，并提供了模型參數(shù)自動(dòng)率定和預(yù)報(bào)結(jié)果實(shí)時(shí)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(duì)實(shí)時(shí)汛情進(jìn)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(cè)結(jié)果，結(jié)合下墊面及工程運(yùn)用信息，通過(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)估洪水的量級(jí)，并結(jié)合水庫(kù)實(shí)時(shí)控制運(yùn)用計(jì)劃完成水庫(kù)在線調(diào)度和抗雨能力分析，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)防洪的分級(jí)預(yù)警。預(yù)警指標(biāo)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(shí)間是否接近、達(dá)到、超過(guò)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(biāo)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(kù)特征資料，通過(guò)分析計(jì)算、洪水調(diào)度得到。根據(jù)實(shí)時(shí)水雨情、水文氣象預(yù)報(bào)信息及預(yù)警指標(biāo)，決定是否編制預(yù)警信息。洪水預(yù)警等級(jí)一般分為四級(jí)。根據(jù)需求分析后，綜合預(yù)警條件針對(duì)特征量進(jìn)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(jì)

本研究建立兩套系統(tǒng)平臺(tái)，分別實(shí)現(xiàn)分析和發(fā)布，本文重點(diǎn)對(duì)專(zhuān)業(yè)支持系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

5.1系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)

系統(tǒng)平臺(tái)采用C/S模式開(kāi)發(fā)，為各模塊提供一個(gè)綜合操作的平臺(tái)，專(zhuān)業(yè)分析計(jì)算在該平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的靈活性。左邊為水庫(kù)選擇區(qū)，用戶(hù)可以根據(jù)水庫(kù)類(lèi)型、所在市地、所在地區(qū)、所在流域和工程類(lèi)型等特征選擇水庫(kù)，也可以根據(jù)檢索項(xiàng)目的范圍來(lái)選擇水庫(kù)。既可以選擇單個(gè)水庫(kù)進(jìn)行分析，也可以選擇滿(mǎn)足一定條件的一類(lèi)水庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一操作。同時(shí)，用戶(hù)可以將按照指定條件統(tǒng)計(jì)出的水庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一整編輸出。右下方為功能選擇區(qū)，用戶(hù)可用鼠標(biāo)單擊選擇某個(gè)子系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行操作。

5.2雨水情信息

a.雨情信息。用戶(hù)可以按照水庫(kù)所在地、水庫(kù)類(lèi)型以及所在流域等條件選擇水庫(kù)，然后對(duì)屬于同一流域的多座水庫(kù)的平均降雨量進(jìn)行柱狀圖對(duì)比分析，同時(shí)也可以針對(duì)一座水庫(kù)各雨量站的降雨量進(jìn)行分析?？梢灾庇^地查看到暴雨中心位置，這對(duì)水庫(kù)預(yù)報(bào)與調(diào)度具有指導(dǎo)性意義。用戶(hù)也可以選擇單一水庫(kù)查看該水庫(kù)在選擇時(shí)間段內(nèi)的降雨過(guò)程柱狀圖，從而分析出該水庫(kù)或雨量站的降雨過(guò)程。

b.水情信息。系統(tǒng)既可以顯示出所選水庫(kù)的當(dāng)前庫(kù)水位，也可以生成庫(kù)水位變化過(guò)程線與該水庫(kù)的各特征水位，從而反映出該水庫(kù)常年庫(kù)水位的變化過(guò)程和安全狀態(tài)。可以進(jìn)行庫(kù)水位變化過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示，從而直觀地查看到庫(kù)水位相對(duì)于各特征水位及壩高的變化過(guò)程。系統(tǒng)既可以顯示出所選水庫(kù)的當(dāng)前入庫(kù)流量、當(dāng)前蓄水量和當(dāng)前出庫(kù)流量，也可以生成入庫(kù)流量過(guò)程線、蓄水量過(guò)程線和出庫(kù)流量過(guò)程線，以及對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表，實(shí)時(shí)了解水庫(kù)的調(diào)度狀態(tài)。

5.3日常預(yù)報(bào)

實(shí)現(xiàn)了PA值連續(xù)計(jì)算的功能，避免了用戶(hù)在不下雨或無(wú)需進(jìn)行日常預(yù)報(bào)時(shí)，還需每日進(jìn)行日常預(yù)報(bào)操作。該功能可以實(shí)現(xiàn)降雨的統(tǒng)一刷新，并根據(jù)雨情進(jìn)行PA連續(xù)計(jì)算，從而得到前日PA值。

5.4綜合預(yù)警

本功能根據(jù)水庫(kù)水雨情信息進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，報(bào)警對(duì)象主要有當(dāng)前庫(kù)水位和當(dāng)前雨強(qiáng)等信息。報(bào)警分為四個(gè)級(jí)別，具體報(bào)警條件上面已經(jīng)提到，這里不再贅述。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)和每個(gè)水庫(kù)的特征值以及報(bào)警條件進(jìn)行判斷，以不同的顏色進(jìn)行特殊顯示。

5.5抗雨能力

汛期中防汛部門(mén)經(jīng)常需要在水庫(kù)不同蓄水情況下，了解達(dá)到各級(jí)控制水位(如限制水位、正常高水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位等)所能抗御的暴雨量。為了進(jìn)行水庫(kù)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(shí)現(xiàn)了針對(duì)不同控制水位的抗洪能力分析與計(jì)算，系統(tǒng)可以自動(dòng)生成抗洪能力表和抗洪能力圖，用戶(hù)可以根據(jù)當(dāng)前蓄水情況及泄洪情況進(jìn)行插值計(jì)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(kù)流域面積小，河道坡降大，匯流時(shí)間短，洪水來(lái)勢(shì)猛，因此，不宜進(jìn)行復(fù)雜預(yù)報(bào)調(diào)度，在實(shí)際工作中，常采用洪水預(yù)報(bào)綜合相關(guān)圖進(jìn)行預(yù)報(bào)。所謂綜合相關(guān)圖，就是將水庫(kù)的入庫(kù)流量預(yù)報(bào)與水庫(kù)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(jìn)行矢量化，可自動(dòng)完成調(diào)洪的全部過(guò)程。

5.7洪水預(yù)報(bào)

本功能實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)常規(guī)的洪水產(chǎn)匯流預(yù)報(bào)，通過(guò)從水文自動(dòng)測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取的流域測(cè)站降水信息，計(jì)算流域日平均降水量，計(jì)算出后日8∶00的流域時(shí)段降水量、徑水量及時(shí)段末PA值，并根據(jù)用戶(hù)選擇的單位線進(jìn)行匯流計(jì)算。水文預(yù)報(bào)方法根據(jù)模型庫(kù)中對(duì)應(yīng)各水庫(kù)模型，匯流計(jì)算按單位線法計(jì)算。針對(duì)各水庫(kù)目前狀態(tài)自動(dòng)生成一個(gè)防洪形勢(shì)報(bào)告，該報(bào)告歸納總結(jié)了各水庫(kù)的工程概況、預(yù)警狀態(tài)以及單個(gè)水庫(kù)預(yù)報(bào)模擬調(diào)度成果。

5.8數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

完成了參數(shù)特性曲線的補(bǔ)錄、校核，工情庫(kù)、水情庫(kù)、成果庫(kù)、模型庫(kù)等數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。完成了專(zhuān)業(yè)模型的建立，包括蓄滿(mǎn)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(yǔ)

本研究針對(duì)大連市23座大中型水庫(kù)防洪的實(shí)際需求，建立了統(tǒng)一平臺(tái)的集總式洪水預(yù)報(bào)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(duì)各水庫(kù)進(jìn)行分析，可針對(duì)單個(gè)水庫(kù)采用不同預(yù)報(bào)模型進(jìn)行單庫(kù)的洪水預(yù)報(bào)、模擬調(diào)度及報(bào)告整編。系統(tǒng)建成后，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。提高了大連市水庫(kù)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(duì)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(yùn)營(yíng)規(guī)范的運(yùn)行機(jī)制，為大連市的水庫(kù)防洪提供了有效的技術(shù)手段。

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