無資料區域小流域山洪預報預警的虛擬水庫建構和應用

曹曉磊

(河北省石家莊水文勘測研究中心，河北 石家莊 050051)

我國山區的面積比較大，山丘當中的小流域因為受到了流域面積比較小的限制，河道的過水能力也相對較低。洪水呈現出時間短、洪峰高等特點，帶來的山洪災害破壞性更強，已經引起了越來越多防洪工作人員的關注[1-2]。但是山丘當中的小流域因為實際情況十分復雜，各種影響因素比較多。也由于山地的小流域地區很難建設多個水文站點，導致水文資料十分短缺，缺少足夠的數據資料來提高洪水預報精度，阻礙了無資料區域小流域山洪災害的預防和預警工作開展[3]。鑒于此種山洪帶來的巨大破壞性，必須要構建起一種可以更加有效山洪災害發生的預警機制。

1 問題提出

當前全球化的溫室效應依然持續，人們的破壞行為也并未得到收斂。全球各地發生極端天氣的頻率顯著增加，泥石流、地震、山洪等自然災害，嚴重危害到了人們的生命與財產安全。而中小流域缺少高效的檢測預警機制，加之洪澇災害發生的時間比較短，災害損失程度也很嚴重，導致小流域山洪預警的工作形勢很嚴峻。

我國也積極頒布了關于中小河流治理的相關意見，在全國范圍之內開展了重點地區的山洪調查和分析工作，得到了較為顯著的成效。在經過多年的建設后，我國水文網的密度在不斷增大，但我國山丘地區面積大，工程建筑難度也很大[4]。已經建設的水文站點時間比較久遠，缺少可靠資料。使得預警這些地區的洪水災害只能夠采用理論公式完成，得到的結果必然精度不夠。與此同時，當前GIS技術、遙感技術等都已經在地理勘測當中被廣泛應用[5]。也已經得到了一些其他種類的資料，比如土壤資料、地貌和地形利用類型等相關資料，通過對這些資料背后的有用信息開展大量挖掘，便可以得到更顯著的水文模型。增加無資料地區的小流域山洪預報預警的準確性和可能性[6]。

2 無資料區域小流域山洪預警模型構建

2.1 無資料地區水文預報理論方法

2.1.1 水文比擬方法

此種方法指的是缺少資料和無資料的流域采用和該流域相似的水文資料。如果流域斷面缺少實測徑流量的具體數據和資料，就可以參考上下游地區或者是水文比較相似地區的實測所得到的水文資料。水文比擬方法一般是用來對流域的年徑流量進行計算。采用公式為：

此種方法所得結果準確與否，主要取決于所計算的流域水文條件和參考流域的水文條件相似程度，越相似自然結果越準確。

2.1.2 地區經驗方法

此種方法也是用來對年凈流量進行計算，構建起各種影響到年徑流的相關因素，所采用的公式為：

2.1.3 瞬時單位線

將瞬時凈雨輸入公式當中，在流域完成調蓄之后，得到出口斷面地面徑流過程。綜合瞬時單位線的計算，需要降雨量是在流域當中平均分布，而且將于的強度很大，歷時較短，最終得到的總量屬于單元地面凈雨流域出口斷面徑流過程線。

2.2 小流域分類

小流域可以劃分為三種不同類型，分別是：(1)區間型：匯水區域包含了河流的兩側，或者是橫跨了某條河流當中一段；(2)坡面型：河流單面或者是河流某側為匯水區域；(3)完整型：流域包含了整個河流，存在著完美對應關系流域。

2.3 無資料區域小流域基于虛擬水庫山洪預報預警系統構建

2.3.1 洪水預報系統設計原則

所構建起的無資料區域小流域虛擬水庫預警系統，采取的過程為“制定構建規范、搭建系統所需框架、具體開發系統過程、集成整合”。在這個過程當中規范的制定以及框架的搭建為最關鍵環節。以當前已經成熟的開發和數據、接口規范標準為基礎，開發業務系統，做好整合工作，圖1為洪水預報系統整體框架，如圖1所示。

圖1 小流域洪水預報系統整體框架

2.3.2 構建類庫結構方法

構建無資料地區小流域山洪災預警系統，所使用的軟件十分復雜。在水文預報技術不斷提升與發展的過程中，要求系統可以更好地滿足水文領域發展的具體需求，對于預報系統的構建要求也更高。系統設計時必須要考慮到擴展、維護以及穩定性特點，使用更先進的設計和語言模式。軟件開發當中采用面向對象技術方法，本質上就是針對抽象對象開展建模操作，核心思想便是需要向人類自然思維方式進行借鑒。

2.3.3 系統選型過程及結果

表1為本次所選擇的數據庫、GIS系統具體類型。本次構建的預防系統，所采用的主要數據編輯工具為Desktop，這一工具可以實現土層剪切和投影功能。還使用到了地圖服務系統，將其當做GIS數據顯示的重要數據源，減少數據加載以及存儲過程中所面臨的重要壓力。

表1 系統選型結果

2.3.4 設計功能模塊

系統設計包含三部分內容，最上冊為菜單，有參數提取、管理以及預報和系統幫助等不同的菜單；在菜單右側則是系統界面調整以及用戶管理功能，中間為主要的操作界面功能(見圖2)。

圖2 系統菜單欄、用戶登錄和主操作界面

(1)基礎模塊：包含導入流域基本信息，完成信息展示。在操作欄當中按照特定順序來導入基本的地理信息。

(2)提取所測流域具體參數：先完成提取和展示新導入的相關流域參數，然后再開展進一步工作。包含提取流域信息、匯流和產流相關參數數據。在導入了相關信息之后，再利用蓄水容量曲線功能，完成曲線的有效擬合，在對比與分析之后就可以得到蓄水容量曲線。系統則會按照上述提取的流域蓄水量數據，采用SCE-UA方法，找到用來擬合的n和k初值，而且還能對這些數值進行修整，最終得到更優曲線。

研究中采用不同方法來計算不同土壤含水量以及洪峰流量的相關數據，研究結果發現，計算結果最準確的是采用超滲-蓄滿混合模型。此種計算方法得到的結果也是與實際情況更加符合，更合理和成熟。表2為土壤含水量為50 Wm/%情況下，分別在1 h、12 h、24 h內四種方法的洪峰流量計算結果。

表2 洪峰流量時間差異結果

圖3為四種模型計算計算結果的變化趨勢圖，我們能夠很明顯地看出來混合模型與設計的洪峰流量之間十分接近，由此說明了混合模型的準確程度更高。還能及時查看得到的相關參數，如圖4所示。

圖3 模型趨勢對比結果

圖4 相關參數查看界面

(3)山洪預報模塊構建：這一預報功能模塊的構建基于之前收集與分析得到的參數，再將降雨的場次輸入其中，就能夠得到山洪發生可能性的預報效果。還需要與實際測量得到的徑流資料完成有效對比。再結合收集到的和河流地區相關的各種地理信息資料之后，就需要對不同危險區域內的人口完成統計，按照具體的小流域基礎信息，再結合得到的洪水要素結果，對不同危險區域的人口進行統計。如表3所示。

表3 洪澇重現不同區域的危險人數對比結果

2.3.5 后臺關鍵功能設計及實現

(1)需要以小時為單位，導入流量和雨量。在主要站點其實仍然存在著時間段中斷的相關問題。完成外部數據的讀取，經過插值函數處理，將其變成以小時為單位，得到節點數據。再將得到的標準數據傳入到水文模型當中，完成進一步計算。

(2)提取地理相關信息。使用水文分析工具針對流域當中的EDM完成填洼、計算具體的流向，得到匯流結果。再對流域當中的幾何特點，如形狀、周長、面積和地形地貌等信息進行提取。還需要將使用Python所編寫的腳本調用出來，采用D8算法完成坡度和流向的計算，得到地形指數，得到地形指數數據的分布圖。

3 結語

(1)本次研究中的無資料地區小流域山洪預警系統，其中涉及到的指標包含流量、雨量、臨界水位等。引入具體的地區構建山洪預警系統，再引入計算方法，得到成災地區的流量與水位信息，為無資料區域的小流域地區更好預防山洪災害發生提供有效的解決方法。

(2)因為無資料地區小流域山洪災害預防預警技術本身還有很多需要不斷提升的空間，因此構建起的預警系統也需要進一步提升改善。結合山區自然災害的實際情況完善群測群防系統和監控系統，爭取得到信息數據的共享目標。也要向群眾加大普及如何防范和自救互救的藝術能力，以最大努力減少山洪災害帶來的損失。