大連市大中型水庫集總式洪水預報預警技術研究

大連市大中型水庫集總式洪水預報預警技術研究

劉恒

(遼寧省水利水電科學研究院,沈陽110003)

本研究為水利部公益性行業(yè)科研專項經費項目：遼寧省中小型水庫防洪減災預報預警系統(tǒng)(200801040);水利部科技推廣計劃項目：中小型水庫防洪減災預報預警系統(tǒng)(TG1142)。

摘要：本文通過對洪水預報預警系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和大連市區(qū)域概況進行調查分析，找出各水庫和水庫上級主管部門在防洪預警過程中存在的薄弱環(huán)節(jié)。開展大連市23座大中型水庫集總式洪水預報預警系統(tǒng)技術研究，確定研究目標，對系統(tǒng)的功能結構、界面設計、模型建設和系統(tǒng)設計等進行歸納總結，詳細介紹了專業(yè)支持系統(tǒng)的主要功能模塊。研究表明：系統(tǒng)的建設有利于提高水庫洪水預報預警水平，進一步完善水庫總體防洪減災體系，防止和減輕水庫洪澇災害，確保城市的防洪安全。

關鍵詞：大中型水庫；集總式；預報預警

中圖分類號：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

洪水預報預警是水庫防洪過程中的重要組成部分，只有及時、準確地提前獲得可能來水信息，獲得一定的預見期，水庫管理人員才能采取有效的避險措施，從而防止災害的發(fā)生。目前，我國中型以上水庫均具備洪水預報預警能力，但預報水平參差不齊，主要包括人工預報和系統(tǒng)預報兩種。其中人工預報多以預報人員經驗為主，主要采用傳統(tǒng)的人工查算方法，效率較低，且誤差較大。對于管理水平較好的一些水庫，已建立洪水預報調度系統(tǒng)，可以實時獲取水庫上游控制流域范圍內的雨水情信息，并利用預報系統(tǒng)軟件實現(xiàn)洪水的自動預報，為水庫管理人員提供防洪參考依據。當各水庫完成自身的洪水預報后，需要將預報預警信息進一步報送給上級主管部門，最終由上級主管部門對其管轄范圍內的所有水庫進行統(tǒng)一指揮調度，從而保證上下游水庫聯(lián)合調度的需要。該過程存在諸多問題：首先，水庫在報送過程中需要浪費一定的時間；其次，該過程容易出現(xiàn)各種人為誤差；第三，各水庫預報成果的整編形式不統(tǒng)一，成果到達主管部門后，還需進一步整理，效率低下。因此，需要在主管部門建立一套能夠實現(xiàn)管轄范圍內所有水庫統(tǒng)一預報預警的系統(tǒng)平臺，與各水庫形成同步。為全面提高大連市水庫防洪減災能力，及時、準確地獲取各水庫的實時水雨情和洪水預報預警信息，并且與全省預報預警系統(tǒng)建設保持同步，形成統(tǒng)一系統(tǒng)平臺，構建一套集總式的大連市水庫洪水預報預警系統(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，分布趨勢為自西南向東北方向遞增。全市中型以上水庫23座，其中大型水庫7座、中型水庫16座，總庫容23.47億m3，興利庫容14.15億m3，總控制流域面積4962km2。北三市境內共有大中型水庫16座，普灣新區(qū)以南地區(qū)共有中型水庫7座。其中，普蘭店市境內有大型水庫2座，為碧流河、劉大，中型水庫5座，為七道房、紅旗、大梁屯、五四、洼子店；莊河市境內有大型水庫3座，為英那河、朱家隈子、轉角樓，中型水庫1座，為永記；瓦房店市境內有大型水庫2座，為松樹、東風，中型水庫4座，為大河、九龍、八一、蓮花；普灣新區(qū)有中型水庫1座，為鴿子塘；金州新區(qū)境內有中型水庫3座，為青云河、臥龍、北大河；甘井子區(qū)境內有中型水庫1座，為大西山；旅順口區(qū)境內有中型水庫1座，為龍王塘。

2研究目標

按照國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程的建設目標，充分利用現(xiàn)有資源，采用統(tǒng)一、標準的系統(tǒng)建設模式，通過對大連市23座大中型水庫洪水預報、預警與調度方案的整編，以及大連市大中型水庫洪水預報與防洪調度系統(tǒng)的開發(fā)，構建一套以采集系統(tǒng)為基礎、預報方案為支撐、計算機網絡為依托、系統(tǒng)軟件為核心的大連市水庫洪水預報預警與調度系統(tǒng)。系統(tǒng)建成后，滿足各相關應用部門的需要，為科學防汛提供可靠的目標，成果達到國家防汛指揮系統(tǒng)、國家相關技術標準要求。

3總體設計

充分運用水文自動測報系統(tǒng)采集到的水雨情信息，在綜合各水庫多年來防洪減災基礎建設與信息化成果基礎上完成。保證項目取得先進性、可靠性和實用性的研究開發(fā)成果。

3.1功能結構

系統(tǒng)采用面向對象的可視化開發(fā)，專業(yè)支持系統(tǒng)由系統(tǒng)管理、工程資料、水情查詢、綜合預警、單庫模擬、成果管理、預警報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、氣象預報、綜合預警、辦公自動化和抗洪預報等子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)的建設有利于提高水庫洪水預報預警水平，促進大連市水庫水利信息化發(fā)展，進一步完善水庫總體防洪減災體系，防止和減輕水庫洪澇災害，確保城市的防洪安全。對水庫的各種洪水要素進行實時預報，為各級防汛指揮部門提供決策依據。

系統(tǒng)功能結構圖如下頁圖1所示。

圖1　功能結構

3.2界面設計

界面設計中以操作簡便、交互友好、尊重水文操作人員習慣為指導原則，實現(xiàn)專業(yè)性與易操作性的統(tǒng)一。盡量采用直觀的圖形用戶界面技術，信息的表達形象、直觀、簡潔明了。系統(tǒng)操作以菜單欄與工具欄相結合的方式表現(xiàn)，充分利用菜單、圖形、圖標等形象化的界面元素為基礎。系統(tǒng)界面如圖2、圖3所示。

圖2　專業(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水文預報模型

水文預報模型按照類型可以分成兩大類，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，其很好地描述了洪水演進的整個物理過程，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，遼寧省內部主要以集總式水文模型為主，具有簡便、高效的優(yōu)點，經過歷年歷史洪水的檢驗，其預報精度均達到乙級以上標準，滿足水庫預報預警的需要。集總式水文模型主要包括降雨徑流相關模型、新安江模型、蓄滿產流模型、大伙房模型、滯后演算模型、超滲產流模型等。本文對上述模型進行了電子化處理，建立了模型庫，各水庫可以選擇適合本水庫的水文預報模型，并提供了模型參數自動率定和預報結果實時校正功能。

4.2綜合預警模型

汛情監(jiān)視系統(tǒng)不僅能對實時汛情進行監(jiān)視，還應根據氣象產品應用系統(tǒng)的致洪致災暴雨預測結果，結合下墊面及工程運用信息，通過數學模型來預估洪水的量級，并結合水庫實時控制運用計劃完成水庫在線調度和抗雨能力分析，實現(xiàn)水庫防洪的分級預警。預警指標指觸發(fā)洪水災害的雨、水情臨界值。以洪水災害預警條件、預警時間是否接近、達到、超過臨界雨量和成災水位(流量、蓄量)為主要依據。預警指標的確定，需要分析利用現(xiàn)有歷史災害、雨量、水位(流量、蓄量)、水庫特征資料，通過分析計算、洪水調度得到。根據實時水雨情、水文氣象預報信息及預警指標，決定是否編制預警信息。洪水預警等級一般分為四級。根據需求分析后，綜合預警條件針對特征量進行預警，預警條件如圖4所示。

圖4　預警條件結構

5系統(tǒng)設計

本研究建立兩套系統(tǒng)平臺，分別實現(xiàn)分析和發(fā)布，本文重點對專業(yè)支持系統(tǒng)進行介紹。

5.1系統(tǒng)服務平臺

系統(tǒng)平臺采用C/S模式開發(fā)，為各模塊提供一個綜合操作的平臺，專業(yè)分析計算在該平臺上可以實現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的靈活性。左邊為水庫選擇區(qū)，用戶可以根據水庫類型、所在市地、所在地區(qū)、所在流域和工程類型等特征選擇水庫，也可以根據檢索項目的范圍來選擇水庫。既可以選擇單個水庫進行分析，也可以選擇滿足一定條件的一類水庫進行統(tǒng)一操作。同時，用戶可以將按照指定條件統(tǒng)計出的水庫進行統(tǒng)一整編輸出。右下方為功能選擇區(qū)，用戶可用鼠標單擊選擇某個子系統(tǒng)對其進行操作。

5.2雨水情信息

a.雨情信息。用戶可以按照水庫所在地、水庫類型以及所在流域等條件選擇水庫，然后對屬于同一流域的多座水庫的平均降雨量進行柱狀圖對比分析，同時也可以針對一座水庫各雨量站的降雨量進行分析?？梢灾庇^地查看到暴雨中心位置，這對水庫預報與調度具有指導性意義。用戶也可以選擇單一水庫查看該水庫在選擇時間段內的降雨過程柱狀圖，從而分析出該水庫或雨量站的降雨過程。

b.水情信息。系統(tǒng)既可以顯示出所選水庫的當前庫水位，也可以生成庫水位變化過程線與該水庫的各特征水位，從而反映出該水庫常年庫水位的變化過程和安全狀態(tài)?？梢赃M行庫水位變化過程的動態(tài)演示，從而直觀地查看到庫水位相對于各特征水位及壩高的變化過程。系統(tǒng)既可以顯示出所選水庫的當前入庫流量、當前蓄水量和當前出庫流量，也可以生成入庫流量過程線、蓄水量過程線和出庫流量過程線，以及對應的數據表，實時了解水庫的調度狀態(tài)。

5.3日常預報

實現(xiàn)了PA值連續(xù)計算的功能，避免了用戶在不下雨或無需進行日常預報時，還需每日進行日常預報操作。該功能可以實現(xiàn)降雨的統(tǒng)一刷新，并根據雨情進行PA連續(xù)計算，從而得到前日PA值。

5.4綜合預警

本功能根據水庫水雨情信息進行實時報警，報警對象主要有當前庫水位和當前雨強等信息。報警分為四個級別，具體報警條件上面已經提到，這里不再贅述。系統(tǒng)會根據當前數據和每個水庫的特征值以及報警條件進行判斷，以不同的顏色進行特殊顯示。

5.5抗雨能力

汛期中防汛部門經常需要在水庫不同蓄水情況下，了解達到各級控制水位(如限制水位、正常高水位、設計洪水位和校核洪水位等)所能抗御的暴雨量。為了進行水庫抗洪能力估算，繪制抗洪能力查算圖是十分必要的。本功能實現(xiàn)了針對不同控制水位的抗洪能力分析與計算，系統(tǒng)可以自動生成抗洪能力表和抗洪能力圖，用戶可以根據當前蓄水情況及泄洪情況進行插值計算，從而得到抗洪能力結果值。

5.6四象限調洪

由于中小型水庫流域面積小，河道坡降大，匯流時間短，洪水來勢猛，因此，不宜進行復雜預報調度，在實際工作中，常采用洪水預報綜合相關圖進行預報。所謂綜合相關圖，就是將水庫的入庫流量預報與水庫調洪演算的有關曲線繪在一張圖上。本文研究將綜合相關圖進行矢量化，可自動完成調洪的全部過程。

5.7洪水預報

本功能實現(xiàn)對水庫常規(guī)的洪水產匯流預報，通過從水文自動測報數據庫中讀取的流域測站降水信息，計算流域日平均降水量，計算出后日8∶00的流域時段降水量、徑水量及時段末PA值，并根據用戶選擇的單位線進行匯流計算。水文預報方法根據模型庫中對應各水庫模型，匯流計算按單位線法計算。針對各水庫目前狀態(tài)自動生成一個防洪形勢報告，該報告歸納總結了各水庫的工程概況、預警狀態(tài)以及單個水庫預報模擬調度成果。

5.8數據庫建設

完成了參數特性曲線的補錄、校核，工情庫、水情庫、成果庫、模型庫等數據庫的建立。完成了專業(yè)模型的建立，包括蓄滿產流、遼寧指數、降雨徑流相關曲線、單位線、抗雨能力分析、綜合預警等水文模型。

6結語

本研究針對大連市23座大中型水庫防洪的實際需求，建立了統(tǒng)一平臺的集總式洪水預報預警系統(tǒng)。采用抗洪能力分析及四象限調洪算法等多種分析方法對各水庫進行分析，可針對單個水庫采用不同預報模型進行單庫的洪水預報、模擬調度及報告整編。系統(tǒng)建成后，通過實際運行，達到了預期目標。提高了大連市水庫防洪減災能力，充分發(fā)揮了系統(tǒng)應有的效益，規(guī)范了防汛隊伍的業(yè)務流程和服務技能，建立了智能清晰、權責明確的管理體制和管理科學、運營規(guī)范的運行機制，為大連市的水庫防洪提供了有效的技術手段。

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