城市防洪中水文預報技術的運用研究

李 杰

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118000)

城市防洪中水文預報技術的運用研究

李 杰

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118000)

隨著現代科學技術日益進步，中國城市防洪基本形成了以工程措施為主、以非工程措施為輔的防洪新格局。遼寧省丹東市也不例外，近年來在城市防洪中積極采用新技術、新手段、科學防洪，應對自然災害。水文預報技術作為一項非工程防洪措施，其在一定程度上大大提高了人們生活與生產的安全性。基于此，文章將重點以遼寧省丹東市為例，對現代水文預報技術在丹東市防洪中的實際應用情況進行論述，以此提高當地的防洪效率。

遼寧丹東；防洪；水文預報；技術應用

丹東市作為中國最大的邊境城市，其位于遼寧省東南地區以及遼東半島經濟開放區東南部鴨綠江與黃海的匯合處，東與朝鮮民主主義人民共和國的新義洲市隔江相望，因此丹東市水系發達。據統計，僅丹東地區100km2和2km以上的河流分別有42條以及944條，其為該地區特大洪水災害的發生留下了巨大的安全隱患。在分析過程中，文章以先進的計算機以及網絡技術為支撐，通過對該地區的防洪信息和水文預報等相關信息進行及時接收和處理、檢索、查詢，從而構建集洪水作業預報以及洪水預報服務為一體的集成化工作平臺，充分發揮水文預報技術在該地區防洪減災中的重要作用。

1 丹東市防洪減災的必要性

總體而言，丹東市年降水量時間分布不均，由于區域內地形變化差異較大，因此丹東年降水地區分布也不均衡；另外，從天氣系統來看，丹東市暴雨天氣系統主要由副熱帶高空槽以及高壓、臺風和氣旋等組成，因此極其惡劣的天氣系統導致該地區每次暴雨時常大約1-3d，而且70%以上的特大暴雨都集中于同一天，由此使當地洪水變化趨勢呈單峰型。除此之外，受當地天氣和氣象雙重因素影響，該地70%以上的降水大多集中于6—9月份。因此，一旦發生洪水災害，影響極為惡劣，當地經濟社會發展將會受到巨大影響。但是，在防洪過程中，遼寧省丹東市通過工程措施以及非工程措施積極預報洪災和應對洪災，近年來取得了明顯的成效。

實踐證明，防洪減災是人類順應自然以及改造自然的一項重要活動，其不僅需要遵循自然發展客觀規律，更要有組織、有計劃，將防洪減災制度付諸于實踐。因此，防洪減災在某種程度上而言，是人類對區域水文特點以及洪水特性和時空分布規律的再認識，同樣也是人與自然正確處理利害關系的重要環節，這對于水災成災機理的探討以及防洪減災體系的構建和防洪工程措施與非工程措施的不斷完善具有至關重要的作用[1]。

2 水文預報技術

現代水文預報技術是在人類不斷認識自然和改造自然以及順應自然、和自然和諧相處過程中，逐漸形成的一種防洪手段，從防洪效益和防洪功能上來講，現代水文預報技術在城市防洪過程中具有“參謀”作用和“耳目”作用。其中，充分利用現代計算機網絡技術以及現代通信技術和互聯網技術進行水文預報，是當今人類科學防洪以及高效防洪的必然要求，同樣也是構建人與自然和諧相處新生態的重要理念[2]。

其作為一項重要的非工程措施，為城市流域以及河道和水庫等提供了一種有效的防洪減災手段，也為城市相關管理部門防汛、抗洪提供了科學、準確的預見期。在實際防洪水文預報過程中，重點包括2個方面的技術內容：①準確編制城市防洪水文預報方案；②結合防洪方案，積極開發水文預報信息系統。

文章在對遼寧省丹東市水文以及氣候和流域、降水等相關資料進行準確收集基礎上，結合遼寧省現有洪水預報與資源調度系統，開發了新型的城市水文預報信息集成系統[3]。因此，為該研究區重點流域防洪減災提供了一種極為高效的技術手段。

3 水文預報技術在丹東市防洪中的應用

3.1 準確編制丹東市洪水預報監測技術方案

水文預報技術方案的編制，需要通過研究流域內洪水演進以及氣候特點和地形、地勢等相關水文氣象要素的實況[4]，以此結合下墊面的具體情況，選擇適當的洪水預報技術模型，當前較為常見的幾種水文預報數學模型有：

1)流域水文模型：這一數學模型又可分為陜北模型、API模型(前期影響降雨量模型)、SAC模型(薩克拉門托)以及新安江模型、人工神經網絡模型、TANK模型(水箱模型)及分布式流域水文模型。

2)河道洪水演進模型：這一水文預報技術模型主要分為特征河長法以及馬斯京根法。

3)實時校正模型：這一水文預報技術模型主要分為卡爾曼濾波以及自回歸和誤差實時校正、滑動平均等。

綜上幾種常用的水文預報技術模型，文章考慮到遼寧省丹東市位于北方地區，因此其適宜在城市防洪中，采用遼寧指數模型及相關線性模型和蓄滿產流模型。故文章將重點采用上述3種水文預報模型，通過率定遼寧省丹東市的相關水文參數，以此針對3種模型的預報結果進行對比，從而為相關部門以及大眾提供精準的預報信息。

3.2 科學構建丹東市洪水預報監測信息系統

洪水預報系統是預報作業人員的技術平臺。傳統預報模式中，僅僅依靠技術人員采用相應的模型，然后將水文信息數據資料錄入系統，再由人工展開繁瑣計算，故其可靠性與實效性大大降低[4]。而文章在研究中，構建了科學的洪水預報信息系統，實現對丹東市水文信息的智能監測、收集與分析、計算及預報，因此這一信息系統的主要功能為：

1)科學率定丹東市水文預報信息參數。

2)對丹東市年、月、日等降雨量信息進行實時監測。

3)通過流域匯流計算和流域產流計算，以此對丹東市的降雨徑流情況進行及時、準確預報。

4)對丹東市河道的洪水進行準確預報。

5)采用實時校正模型，對丹東市實時洪水變化情況進行預報。

6)對城市防洪水文預報信息系統進行運維管理。

在上述功能實現過程中，計算機網絡技術是一項核心技術。首先，其在信息接收處理中，能夠將系統接收到的相關信息進行及時處理及保存，然后將其存于丹東市水文預報信息數據庫中，如圖1所示：

圖1 丹東市水情信息處理與分析

其次，在對丹東市洪水以及水文信息情況進行預報過程中，為了能夠及時掌握相關信息數據的變化動態，需對系統中的備用信息進行查詢和檢索，從而提取有用信息，與用戶進行直接交互處理[5]。因此，這一系統的穩定性和交互性要求較高。為了提高系統的運行安全性，文章在研究時，通過對系統服務端程序進行透明處理，以此提高系統的容錯能力[6]。文章中的信息系統信息檢索以及查詢，采用三層數據結構設計方式，系統利用電子地圖，將丹東市水情信息與矢量化的地圖數據有效結合在一起。如丹東市某流域上游的水文預報中心，可將各個分中心以及各個數據監測站點的的大、小河流數據集中到一個集成系統中，以此通過電子地圖，直觀展示相關數據。

除此之外，該信息系統還可充分利用現代網絡技術及GIS技術，通過Visual Studio.NET、Delphi等開發平臺、組件及編程技術進行系統開發。在此設計運維過程中，系統采用B/S、C/S編程技術及多層次結構，對丹東市水文預報數學模型分析交互模塊和系統運行界面進行實時、規范化處理。與此同時，水文預報成果和實時水情信息在丹東市防洪信息傳遞過程中發揮著重要的作用。因此，利用計算機網絡技術，能夠實現系統聯網及撥號和語音自動查詢等。總之，先進的現代水文預報信息系統，能夠用于信息保存以及檢索和查詢、打印等，實現了資源信息共享，提高了丹東市的防洪效率。

圖2 丹東市洪水預報監測信息系統模型運行操作流程圖

3.3 丹東市洪水演進數值三維仿真模擬

丹東市屬于洪水災害頻發的城市之一，因此在洪水到來之前，及時對丹東市洪水的淹沒路徑和時間以及范圍等相關要素進行準確模擬非常關鍵。流量和歷時以及洪峰作為洪水三要素，其只能表征洪水的大小，而無法表示洪水對區域影響的實際程度[7]。對于丹東市區泛濫的洪水而言，只有通過洪水沖擊力以及歷時和水深等相關指標，才能對洪水的實際災害嚴重程度進行評估。因此，文章主要采用力學模型綜合了黑箱模型和物理模型的優勢：

1)采用二維非恒定流雙曲線型偏微分方程組作為基本的模型控制方程。

2)采用無結構不規則的網格，對計算信息進行科學剖分。

3)綜合有限差法和有限體積法，準確構建離散控制方程，對阻水建筑物以及灘地型和河道型等相關參數進行科學計算。

4)對丹東市河域周邊邊界條件和開邊界條件、內部邊界及動邊界等進行邊界處理以及初始條件優化。

5)在對丹東市沖淤情況進行計算分析基礎上，結合泥沙數學模型，對丹東市河床進行變形定量預測研究。

因此，與以往單一的物理模型與數學模型相比，采用洪水演進模型并結合數字流域技術，能夠對丹東市洪水演進實時情況進行仿真模擬。比如，對丹東市水位變化過程線以及流速流量變化和瞬時等深相、流場圖等進行仿真分析[8]。一直以來，我國各地區在洪水預報過程中，都采用GIS技術進行信息收集與監測。但是，基于二維平面的GIS技術，主要采用關系數據庫對實體幾何關系進行管理，故傳統水文預報過程中，三維技術功能非常有限，無法對丹東市的地形坡度和坡向以及洪水流向等相關參數進行演進模擬等。而隨著計算機技術不斷發展，文章大范圍采用三維場景仿真技術，并將其應用于丹東市防洪水文預報過程中，通過對當地流域內的洪水進行真實預演，同時采用仿真技術將最終的信息預報結果真實重現，以此通過洪水演進仿真系統為，丹東市防洪輔助決策提供智力和信息支持[9]。

該信息仿真系統是基于三維流域的地形虛擬現實仿真系統。通過對傳統二維洪水演進數學模型的相關信息進行匯總，然后在此基礎上，按照先后順序，科學創建丹東市洪水表面層，以此科學全面反映河流流速及水深和水流方向等相關動態化信息等。與此同時，通過對丹東市地形景觀及三維流域地形信息等進行疊加和顯示演進，以此展示河域水流的逼真變動效果，最終對當地防洪提供決策支持[10]。

4 結 語

綜上可知，遼寧省丹東市受天氣以及地形影響，年降水量分布基本由西南向東北遞減增，因此經常引發洪水災害。而水文預報由于能準確預報該地區未來一段時間內流域洪水變化情況。因此，使洪水在到來之前，通過準確監測、預報，及時將可能遭受洪災影響的設備及物質和人口等轉移到安全區域。故從防洪減災效果來看，水文預報技術作為一種現代防洪非工程措施，能夠結合丹東市不同地段以及河域的洪水特點，制定科學的防洪預報技術方案。文章通過詳細介紹水文預報技術在丹東防洪中的實際應用情況，最終提出了具有發展性、繼承性的自動化解決方案。因此，該集成化信息系統妥善解決了丹東市在以往防洪減災過程中存在的信息發布不及時及信息預報有誤等問題。

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1007-7596(2016)12-0028-04

2016-11-20

李杰(1968-)，女，遼寧丹東人，高級工程師，研究方向為水文水資源。

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