基于HEC-HMS的汾河流域智慧管控平臺探究

劉曉東，霍云超，王潔瑜

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西西安710065)

1 引言

汾河是黃河第二大支流，流經(jīng)山西省的忻州市、太原市、晉中市等6市的29個縣(區(qū))，全長713 km，流域面積39621 km2，被譽為山西省的“母親河”[1]。近年來，國內(nèi)學(xué)者對汾河流域的景觀、水文條件等進(jìn)行了很多研究，比如付楊軍等[2]對汾河流域景觀格局脆弱性進(jìn)行了研究；李京京等[3]基于地形梯度分析了汾河流域土地利用的時空變化；還有學(xué)者對汾河流域的降水時空特征進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)流域的年、夏、汛期降水量均呈不顯著遞減趨勢[4]，但對其智慧管控的研究相對匱乏。

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，智慧水務(wù)的建設(shè)被提出[5]，夏軍等[6]也指出要建設(shè)信息數(shù)字化、控制自動化、決策智能化的城市水系統(tǒng)管理平臺。目前我國部分地區(qū)已開展了智慧水務(wù)的建設(shè)，打造符合當(dāng)?shù)貐^(qū)域特色的智慧管控平臺，比如西安市[7]、萍鄉(xiāng)市[8]、鎮(zhèn)江市[9]等地區(qū)建設(shè)了海綿城市智慧管控平臺，北京通州[10]、槐房水廠[11]等也進(jìn)行了智慧水廠管控平臺的建設(shè)，上述平臺均取得了良好的建設(shè)效果。

本文借助國內(nèi)已建智慧管控平臺的建設(shè)經(jīng)驗，結(jié)合汾河流域特色，基于降雨徑流模型HEC-HMS[12]，展開對汾河流域智慧管控平臺的探究，提高決策者對汾河流域的管控能力，為智慧水務(wù)管控平臺的建設(shè)提供了一定的借鑒經(jīng)驗和理論指導(dǎo)。

2 區(qū)域概況及數(shù)據(jù)整合

2.1 區(qū)域概況

研究區(qū)選取位于山西省忻州市寧武縣內(nèi)的汾河流域，寧武縣又稱鳳凰城，位于山西省北中部。研究區(qū)內(nèi)汾河干流由北向南流經(jīng)東寨鎮(zhèn)、化北屯鄉(xiāng)、石家莊鎮(zhèn)，流入靜樂縣境，在縣境內(nèi)總長64 km，流域面積1395 km2，平均縱坡1/160，寧化以上至汾源縱坡1/40，沿途有大石洞、大廟、圪廖、西馬坊四條較大支流匯入。

2.2 數(shù)據(jù)整合

數(shù)據(jù)主要分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)兩大類。經(jīng)過與有關(guān)部門溝通協(xié)商，獲取研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、典型歷史洪澇數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行處理，支撐流域模型的構(gòu)建。

依據(jù)研究區(qū)特點，選取典型監(jiān)測斷面，布設(shè)相應(yīng)的專業(yè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，同時在監(jiān)測斷面布設(shè)監(jiān)控攝像頭，獲取實時視頻信息。實測數(shù)據(jù)作為汾河流域智慧管控平臺預(yù)警的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，重點監(jiān)測要素主要包括：通過水文站、雷達(dá)水位計等監(jiān)測設(shè)施設(shè)備實時監(jiān)測汾河流域典型斷面的水文數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測水位、流量、流速等水文數(shù)據(jù)。

3 模型服務(wù)

3.1 模型簡介

HEC-HMS水文模型是美國水文工程中心研發(fā)的降雨徑流模型，該模型系統(tǒng)由3大模塊構(gòu)成：氣象模塊、流域模塊與控制模塊[13]。

(1)氣象模塊

氣象模式主要對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，包括降水與蒸散發(fā)過程。在該模式中有6種不同的計算降水的方法和一種計算蒸散發(fā)的方法可供選用。

(2)流域模塊

流域模塊將降雨徑流過程概化為降雨損失、坡面匯流、河道演算、基流四個部分，每個部分都包含多種計算方法，通過不同方法的組合運用，實現(xiàn)多種產(chǎn)匯流模型的耦合計算，可顯著提高場次洪水的模擬精度[14]。

本研究重點模擬汾河的水位、流量，以河道演算部分為主，河道演算是基于水量平衡原理與蓄泄關(guān)系將河道上游斷面的入流量過程演算至下游斷面出流量過程。本文選用馬斯京根法進(jìn)行河道演算[15]，通過線差分聯(lián)合求解，得到河道流量方程：

Q2=C0I1+C1I1+C2O1

(1)

(2)

(3)

(4)

C0+C1+C2=1

(5)

式中：I1、I2分別為時段開始、末尾上斷面的入流量，m3/s；O1、O2分別為時段開始、末尾下斷面的出流量，m3/s；t為計算時段，h；K為河段傳播時間，h；x為流量比重因子，取值范圍為0～0.5。

(3)控制模塊

模型通過氣象模塊和流域模塊可以基本實現(xiàn)對氣象、徑流的模擬，控制模塊可對模型基礎(chǔ)操作進(jìn)行設(shè)置，比如模擬的開始與結(jié)束時間、計算時間步長、結(jié)果輸出路徑等。

3.2 模型構(gòu)建

通過對研究區(qū)的DEM進(jìn)行填洼、流向、匯流累積量計算，提取河網(wǎng)，劃分子流域，定義流域出口，獲取流域的地形參數(shù)及河道特征參數(shù)后，進(jìn)行研究區(qū)子集水區(qū)域的劃分。之后再分別計算子流域的坡度、流域中心位置等，用每個子流域的質(zhì)心作為降水的概化點，同時將子流域連接到臨近的河道節(jié)點，河道節(jié)點按流向依次連接，完成模型的基礎(chǔ)構(gòu)建。最后基于實測資料進(jìn)行模型參數(shù)率定，分析模型結(jié)果與實測數(shù)據(jù)之間的誤差，若誤差過大，不滿足精度要求，則調(diào)整模型內(nèi)的相關(guān)參數(shù)，直到誤差在精度允許范圍內(nèi)。經(jīng)過參數(shù)率定、模型驗證后的模型可應(yīng)用于后續(xù)的模擬分析工作，建模流程圖見圖1。

圖1 建模流程圖

4 汾河流域智慧管控平臺

基于HEC-HMS模型，采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)信息化技術(shù)，構(gòu)建汾河流域智慧管控平臺。該平臺對接基礎(chǔ)信息、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)以及視頻信息，將這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲加工，監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部處理成模型所需格式并錄入HEC-HMS模型，HEC-HMS模型運算得出的結(jié)果支撐平臺的預(yù)警預(yù)報功能，并通過相應(yīng)的子系統(tǒng)展示出來。該平臺采用B/S+M/S架構(gòu)，實現(xiàn)web端和移動端的系統(tǒng)瀏覽，其總體架構(gòu)分為感知層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、用戶層和展現(xiàn)層，總體架構(gòu)見圖2。

圖2 總體框架

(1)智慧監(jiān)管子系統(tǒng)

該系統(tǒng)以寧武縣汾河流域地形圖作為基礎(chǔ)，可以同步展示流域的空氣質(zhì)量、氣溫、降雨量等氣象數(shù)據(jù)，水位、流量等水文數(shù)據(jù)，溶解氧、總磷、總氮等水質(zhì)數(shù)據(jù)，針對不同對象根據(jù)需要進(jìn)行信息的綜合展示，見圖3。

圖3 綜合監(jiān)管子系統(tǒng)

(2)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)對汾河流域的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一錄入與管理，支持多種類型、格式數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出，同時可以提供數(shù)據(jù)表、趨勢線、分布圖等多種數(shù)據(jù)展示的方式。該子系統(tǒng)采用B/S和M/S混合架構(gòu)，即可通過網(wǎng)頁瀏覽器訪問系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)填報與查詢，同時也支持手機端進(jìn)行數(shù)據(jù)的填報與查詢，使得管理者錄入與查看數(shù)據(jù)更加方便快捷。

(3)預(yù)警預(yù)報子系統(tǒng)

預(yù)警預(yù)報子系統(tǒng)主要基于HEC-HMS模型模擬的結(jié)果，配合視頻監(jiān)控的輔助，實現(xiàn)對各類異常情況進(jìn)行預(yù)警預(yù)報。相關(guān)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入率定好的HEC-HMS模型中，模擬出汾河流域的水位、流量等數(shù)據(jù)，并將模擬結(jié)果反饋回平臺，平臺內(nèi)部設(shè)定好相應(yīng)的等級評估標(biāo)準(zhǔn)，如發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果超過預(yù)警預(yù)報指標(biāo)時，系統(tǒng)將根據(jù)超標(biāo)情況，在地圖上以不同顏色標(biāo)記來凸顯預(yù)警位置與風(fēng)險等級，同時自動啟動聲光報警功能進(jìn)行告警，平臺完成的智能化預(yù)警功能。

(4)決策支持子系統(tǒng)

決策支持子系統(tǒng)基于HEC-HMS模型運算，可實現(xiàn)5 a一遇、10 a一遇、50 a一遇等不同重現(xiàn)期情景下的河道情況的仿真效果，預(yù)測出內(nèi)澇影響范圍、空間分布特征和時間動態(tài)變化，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)、專家?guī)臁⒎桨笌斓荣Y料，提供智能化圖表展示和相應(yīng)的方案措施，為決策者提供決策依據(jù)。

(5)其他子系統(tǒng)

汾河流域智慧管控系統(tǒng)可根據(jù)需要設(shè)置視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、考核評估子系統(tǒng)、運維管理子系統(tǒng)、系統(tǒng)設(shè)置子系統(tǒng)等，協(xié)助管理者合理高效的使用平臺，加強對汾河流域的管理。

5 結(jié)語

汾河流域面臨嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，僅僅依靠傳統(tǒng)的治理方法，實施起來具有較高的難度，本研究通過對HEC-HMS應(yīng)用原理、建模流程進(jìn)行梳理歸納，提出建設(shè)基于HEC-HMS模型的汾河流域智慧管控平臺，實現(xiàn)對汾河流域的綜合管控、數(shù)據(jù)管理、預(yù)警預(yù)報、決策支持等，提高管理者對汾河流域的管理效率，有助于汾河流域的綜合管控，對整個汾河流域乃至黃河流域智慧管控平臺建設(shè)具有重要意義。