水文遙測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)在洪水預(yù)警預(yù)報中的應(yīng)用
——以古宜河支流林溪河程陽水位站為例

2022-01-14 01:37:02朱雪梅

廣西水利水電 2021年6期

朱雪梅，呂哲，姜文

（柳州水文中心，廣西柳州 545000）

0 前言

柳州市河流點多面廣、集水面積在50 km2以上的河流有134條，其中中小河流多達(dá)128條。柳州水文部門在其中的35條河流上建有水文（位）站52個，雨量站214個，泥沙站7個，蒸發(fā)站8個，地下水監(jiān)測站17個，水質(zhì)監(jiān)測斷面35個。水文監(jiān)測站點的傳感器每5 min自動采集水位、雨量、蒸發(fā)信息，自動傳回中心機(jī)房自動存儲在中心機(jī)房服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，按2020年實現(xiàn)遙測的300多個水文監(jiān)測站點統(tǒng)計，每年自動采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息記錄達(dá)3000萬條以上。這些數(shù)據(jù)為柳州市水旱災(zāi)害防御、水資源配置管理、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)的決策依據(jù)。

長期以來，點多面廣，突發(fā)性強(qiáng)，流速快、歷時短的中小河流洪水一直是柳州市防汛減災(zāi)工作的難點，特別是大部分的中小河流防洪標(biāo)準(zhǔn)低或基本沒有設(shè)防，遇局地強(qiáng)降雨很容易造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。當(dāng)前，柳州市轄區(qū)內(nèi)共有39個中小河流站點，這些站點大多是2012年以后建立的，積累的雨洪資料年限短，洪水場次少，未能滿足《水文情報預(yù)報規(guī)范》（GB/T 22482-2008）要求使用10年以上的水文資料，其中應(yīng)包括大、中、小洪水各種代表性年份，并有足夠代表性的場次洪水資料，濕潤地區(qū)不應(yīng)少于50次的洪水資料要求。為不斷提高預(yù)警預(yù)報方案的精度，需要編制或每年修編預(yù)警預(yù)報方案。目前，柳州主要是采用多元回歸方程式Z峰＝a×P面+b×T歷+c×Z起+d×Z同+M來開展中小河流預(yù)警工作。中小河流預(yù)警方案的編制工作，需要對每個預(yù)警斷面每場洪水的面降雨量、降雨歷時、起漲水位、同時水位等因子進(jìn)行人工統(tǒng)計，并且每個預(yù)警斷面至少需要從歷年監(jiān)測數(shù)據(jù)中摘錄、挑選50場以上的雨洪場次洪水相關(guān)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，這需要耗費大量的時間和精力。

為提高工作效率，解決水文資料整編和洪水預(yù)警預(yù)報工作自動化問題，柳州水文中心自主研發(fā)了水文遙測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)研究水文監(jiān)測數(shù)據(jù)智能處理技術(shù)，制定相關(guān)的算法對水文遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動提取、摘錄、訂正、篩選、壓縮冗余數(shù)據(jù)、合理性分析，形成符合南方片水文資料整編系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的整編資料；自動從水文遙測數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)計、摘錄、挑選出洪峰預(yù)報多元回歸方程式Z峰＝a×P面+b×T歷+c×Z起+d×Z同+M中所需的場次洪水流域面平均降雨量、降雨歷時、起漲水位、同時水位等與洪峰水位（流量）敏感的因子，快速編制洪水預(yù)警預(yù)報方案，實時開展洪水預(yù)警預(yù)報分析。本文介紹水文遙測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)在預(yù)警預(yù)報方案編制、洪水預(yù)警預(yù)報分析中的具體應(yīng)用。

1 流域概況

1.1 自然地理特征

程陽水位站位于三江侗族自治縣林溪鄉(xiāng)合華村合善屯，為林溪河控制站。林溪河是三江縣古宜河的右岸一級支流，其發(fā)源地位于三江縣林溪鄉(xiāng)水團(tuán)村北3.2 km處，流域面積427 km2，干流長51 km，平均坡降2.47‰，由北向南流經(jīng)林溪鄉(xiāng)和古宜鎮(zhèn)，在三江縣古宜鎮(zhèn)黃排村石眼屯匯入古宜河。林溪河流域地形地貌分為土質(zhì)低山和丘陵兩部分，成片、成帶出現(xiàn)，山嶺連綿，高程在500～700 m之間。山地土層較厚，土質(zhì)肥沃。

1.2 水文氣象特征

林溪河所處區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候區(qū)，具有明顯的山地氣候特征。氣候溫和，四季宜人，年平均氣溫16.4℃。影響流域的暴雨天氣系統(tǒng)主要有鋒面、低壓、低渦、切變線等。流域內(nèi)降雨量充沛，降雨量、徑流量年內(nèi)分配不均，多集中在5～8月，根據(jù)林溪雨量站1963年至今的資料分析，流域內(nèi)多年平均降雨量為1430 mm。

1.3 站網(wǎng)分布

程陽水位站設(shè)立于2012年3月，原名林溪水位站，于2020年更名為程陽水位站。該站預(yù)警斷面的集水面積104 km2，河長17.9 km。歷史調(diào)查最高水位193.9 m（1973年）。建站以來最高洪水位193.37 m，發(fā)生在2017年7月10日，超警戒水位0.37 m。

林溪河流域內(nèi)有都亮、水團(tuán)、林溪、光輝、程陽5個雨量站和程陽水位站，位于程陽水位站斷面以上的雨量站點有都亮、水團(tuán)、林溪、程陽4個雨量站和程陽水位站，位于程陽水位站下游的有光輝雨量站。除林溪雨量站設(shè)立于1963年外，其余站點均為2012年后設(shè)立。

2 水文遙測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)在預(yù)警預(yù)報方案編制中的應(yīng)用

2.1 方案編制技術(shù)路線

通過對次洪面降雨量、降雨歷時、起漲水位、同時水位與洪峰水位5因子分析，建立洪水預(yù)警多元回歸方程Z峰＝a×P面+b×T歷+c×Z起+d×Z同+M，同時收集峰現(xiàn)時間，作為預(yù)報洪峰出現(xiàn)的依據(jù)。

（1）次洪面降雨量P面。以預(yù)警斷面上游所有報汛的雨量站進(jìn)行統(tǒng)計，采用算術(shù)平均法計算，起始降雨量以洪水水位起漲前幾個時段降雨量開始計，至最大3 h降雨量止，計算次洪面降雨量。

（2）降雨歷時T歷。從起始降雨量至最大3 h降雨量止，統(tǒng)計小時雨量大于等于2 mm的時段，作為降雨歷時。

（3）統(tǒng)計本場洪水的起漲水位Z起、洪峰水位Z峰。

（4）同時水位Z同取最大3 h降雨量止時對應(yīng)的水位。

（5）峰現(xiàn)時間為最大3 h降雨量止的時間至洪峰水位出現(xiàn)時間的差值。

2.2 方案編制的具體步驟

2.2.1 配套雨量站選取

選取程陽水位站斷面以上的都亮、水團(tuán)、林溪、程陽4個雨量站和程陽水位站作為計算面平均降雨量的代表站，錄入雨洪配套表（見表1）。

表1 程陽水位站雨洪配套表

2.2.2 洪水摘錄

摘錄程陽水位站2014—2020年18場洪峰水位大于190 mm、且漲幅大于0.7 m的洪水資料。比如，摘錄2019年7月13日這場洪水，只需在水文遙測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的站點設(shè)置欄選取站名程陽，先是在結(jié)束時間選2019年7月13日20時，然后在開始時間選2019年7月12日08時，在主雨時長選取3，點擊洪水摘錄，即可視化展示該場洪水的水位過程線，自動統(tǒng)計這場洪水的5個相關(guān)因子，并以電子表格的形式將成果保存在程陽文件夾里面。開始、結(jié)束時間選取的原則是能包住一場洪水的起漲和洪峰時間。主雨時長的選取可根據(jù)預(yù)警斷面的集水面積來定，一般集水面積小于100 km2的建議選取1～3 h；集水面積在100～1000 km2的建議選取3～6 h。集水面積越大，選取的主雨時長應(yīng)越大。水文遙測分析系統(tǒng)操作界面見圖1。

圖1 水文遙測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)操作界面

2.2.3 方案編制

摘錄程陽水位站2014—2020年共18場洪峰水位大于190 mm、且漲幅大于0.7 m的洪水資料匯總在一起，利用多元回歸方程編制方案，具體方法為：在表格中空白區(qū)域選定一塊5行，n+1（n為自變量個數(shù)），取洪峰水位Z峰為因變量，取P面、T歷、Z起、Z同為自變量，共涉4個自變量，即5個組數(shù)據(jù)，則需定義5×5區(qū)域，然后錄入公式linest（C2：C19，D2：G19，TRUE，TRUE），同時按ctrl+shift+enter，即可求出線性回歸方程的各參數(shù)，得到程陽水位站洪峰預(yù)報回歸方程（見表2）。程陽水位站洪峰預(yù)報回歸方程：Z峰＝56.1 295+0.0 177×P3+0.0 560×T2+0.7 944×Z起-0.08 761×Z同。

如果選P面、T歷、Z起為自變量，則定義5×4域，然后錄入公式linest（C2：C19，D2：F9，TRUE，TRUE），同時按ctrl+shift+enter，即可求出線性回歸方程的各參數(shù)，得到程陽水位站預(yù)報回歸方程：Z峰＝59.1 873×P3+0.0 599×T2+0.6 908×Z起。

2.2.4 方案評定

按《水文情報預(yù)報規(guī)范》（GB/T 22482-2008）要求對以上預(yù)報模型進(jìn)行評定，在評定的18場洪水中，11場合格，合格率為61.1%，方案精度為丙級，可用于水情預(yù)警的發(fā)布參考性估報。程陽水位站預(yù)警方案評定成果見表2。

12 13 14 15 16 17 18 2017-09-11 2019-04-20 2019-06-06 2019-07-07 2019-07-13 2020-07-10 2020-09-11 190.55 191.02 191.18 191.7 191.44 191.96 192.17 45.4 36.5 27.1 45.1 35.1 75.9 95.1 3 3 4 3 2 5 9 189.43 189.41 189.42 190.22 190.01 189.45 189.46 190.47 189.79 189.43 191.19 190.6 190.37 191.03 1.12 1.61 1.76 1.48 1.43 2.51 2.71 190.90 190.79 190.72 191.46 191.11 191.58 192.10 0.35-0.23-0.46-0.24-0.33-0.38-0.07 0.22 0.32 0.35 0.30 0.29 0.50 0.54不合格合格不合格合格不合格合格合格2 3 3 4 2 3.5 2.5多元回歸方程公式Z峰＝56.1 295+0.0 177×P3+0.0 560×T2+0.7 944×Z起-0.08 761×Z同，18場洪水，11場合格，合格率61.1%

3 水文遙測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)在洪水預(yù)警預(yù)報分析中的應(yīng)用

3.1 預(yù)警預(yù)報公式的錄入

經(jīng)統(tǒng)計，程陽水位站2014—2020年18場洪水的平均峰現(xiàn)時間約為3 h，將程陽水位站多元回歸公式各系數(shù)錄入系統(tǒng)調(diào)用的電子表格中（見表3）。

表3 程陽水位站預(yù)警多元回歸公式表

3.2 洪水預(yù)警預(yù)報應(yīng)用實例

選取程陽水位站2020年7月10日洪水為例。這場洪水的降雨從7月10日01時開始，至7月10日12時基本結(jié)束。最大3 h降雨量止對應(yīng)的時間是7月10日07時。開展洪水預(yù)警分析時，先在站名設(shè)置里選擇程陽，開始時間選7月10日01時，結(jié)束時間選7月10日07時，主雨峰時長選3，方案選1，最后點擊預(yù)警分析。系統(tǒng)會自動調(diào)出程陽水位站的多元回歸預(yù)警公式，并自動計算這場洪水的面平均降雨量、降雨歷時、起漲水位、同時水位。再點擊預(yù)測洪峰水位，即可自動算出洪峰水位為191.18 m，洪峰水位出現(xiàn)時間為7月10日10時，超警水位值為-1.82 m。選擇方案2計算，方法同上。方案2的預(yù)報洪峰水位為191.75 m，洪峰水位出現(xiàn)時間為7月10日10時，超警水位值為-1.25 m。

發(fā)布洪水預(yù)警時，取2個方案預(yù)報結(jié)果的均值，即191.47 m作為預(yù)警發(fā)布的水位。發(fā)布洪水預(yù)報時，依據(jù)峰現(xiàn)時間為3 h，即最大3 h降雨量止的時間7月10日07時到洪峰出現(xiàn)時間需要3 h，則洪峰出現(xiàn)時間為7月10日10時。這場洪水的實際洪峰水位為191.96 m，出現(xiàn)時間為7月10日10時30分。洪峰預(yù)報誤差為0.46 m，時間預(yù)報誤差為0.5 h，預(yù)報成果良好。程陽水位站2020年7月10日洪水預(yù)報成果圖見圖2。