基于遙感大數據的安陽河流域洪水預報技術設計

趙靜怡

（安陽市彰武南海水庫工程管理局，河南 安陽 455000）

1 工程概況

安陽河流域是海河流域衛河的第二大支流，流域全長164 km，面積1 920 km2，且流域地形總體呈西高東低趨勢。安陽河流域在2016年7月發生“7·19”特大洪水后便開始著力建設全流域山洪災害易發區檢測預警系統以及群測群防系統，目前已經基本建成覆蓋全流域的山洪災害實時監測預報預警系統，現有的安陽河流域山洪災害預警體系無法滿足防汛部門對于江河范圍洪水聯合調度及聯合預警方面的實際需求。以流域現有山洪災害監測預警系統平臺為依托，加強對監測成果的數據集成、挖掘分析，積極拓展現有監測系統的應用范圍，構建起支撐江河范圍的洪水聯合調度及聯合預報技術，對于流域平穩度汛及洪水資源合理開發利用意義重大。

2 洪水預報技術設計

技術體系設計在充分分析安陽河流域洪水預報預警現狀及實際需求的前提下，提出以衛星遙感大數據為支撐的“天-空-地”三個層位的流域洪水預報技術。在該技術的基礎上結合應用GIS中的成因推理工具、產匯流模型以及BTOPMC分布式水文模型，集合衛星遙感遙測技術、數字流域技術、航測技術及數字氣象、地理信心技術，構建起以遙感大數據為依據和依托的安陽河流域降雨預報分析、水庫聯合調度、河道洪水演進等模塊為核心的流域洪水測報模型，旨在實現安陽河流域從降水、防洪分析，到調度決策及決策評估等全過程的高效管理，使流域防洪聯動及綜合調度、會商等能力顯著提升。

2.1 技術方案

2.1.1 收集數據

應用互聯網技術收集全球范圍內氣象云圖、輻射、雷達等資料，并進行影響數據、歷史水文、地理數據等的高精度遙感；結合流域洪水測報需求收集流域范圍內社會經濟發展數據、河道地形地貌、水庫利庫容及水電站發電規模、灌區作物類型及灌水規模等參數；并通過具體技術手段打通流域洪水預報端與國家氣象局、天氣預報中心、氣象廳等氣象數據采集通道。

2.1.2 分析數據

數據清洗可采用自動或手動兩種方式，在數據分析前應進行數據庫格式的統一設置，應用數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）生成全球水系圖，結合土地利用、地形地貌、全球影像等數據進行對應流域歷史水文數據及參數的自動分析并校正，基于此，將從多渠道獲取的氣象水文數據融合處理，自動生成5 km2×5 km2網格化數據后輸入模型，并同時修正模型參數，從而形成數據閉環，使測報精度不斷提升。

2.1.3 技術方案

安陽河流域梯級水庫數量多、規模大，關聯范圍廣，且流域水系復雜，出于防洪調度系統便捷集成、靈活部署、穩定高效運行、維護簡便等方面的考慮，以水利行業現行標準及信息安全機制為根基，以安陽市水利業務信息交互共享及發布為依托，構建起兼具防洪形勢分析、防洪調度演算、調度方案管理及復查評估、防洪預案研判等功能在內的由數據層、應用層、功能層及用戶層所構成的流域洪水測報系統。具體見圖1和圖2。安陽河流域洪水測報技術模型主要采用混合云結構，其私有云部分的作用在于采集、分析互聯網公共數據并進行模型運算、數據提煉和推送；而公共云部分則主要用于數據存儲、地理信息服務和門戶網站托管等。

圖1 安陽河流域洪水預報預警平臺技術框架圖

圖2 安陽河流域洪水測報服務系統圖

2.2 技術特點及優勢

構建的安陽河流域洪水預報模型依托于統一感知和海量計算，能有效實現流域雨洪一體化測報，具備區域服務通用化、測報結果實用化等特征，能顯著提升流域雨洪預報的時效性與準確性，對于無測報設施的流域洪水預報優勢明顯。該模型所依托的地形地貌、降水等專業數據均來自全球公共資源數據庫，信息量大，權威且可靠。模型參數可直接提取自地表物理特征，測報精度高、運算速度快，并注重大數據、云計算等技術與流域洪水測報過程的有機結合，突出迭代演進，可保證模型數據的實時更新。

以衛星遙感大數據為依托的流域降水及洪水測報技術可使流域降水測報的時空分辨率顯著提升。從空間和時間兩個角度對衛星降水數據進行降尺度分解，并根氣象雷達和地面氣象數據加工、清洗、修正衛星降水數據，生成5 km2×5 km2、1/2h～72h 的連續性、高精度、網格化洪水測報信息。構建的以GIS 技術為支撐的BTOPMC 分布式水文物理模型為水文資料缺乏流域和地區洪水測報提供了可行思路。該水文模型在所計算出的土壤含水量的基礎上進行土壤實時下滲率推求，并比照降水過程模擬凈雨過程，深入分析影響流域河網調蓄因素的基礎上構建起契合流域實際的匯流模型，具有很強的普適性和通用性。

3 洪水預報模型的應用情況

構建的安陽河流域洪水測報系統根基流域水雨情及水庫工程工情服務要求，由流域管理局統一部署、集成適用。其中計算服務、web 服務及業務數據庫、后臺服務等均為需部署的內容。

自2021年初起，該設計成果便開始應用于安陽河流域洪水測報預警及水庫防汛調度活動中，根據相關統計，在2021年汛期內安陽河流域灌區耕地淹沒面積減少1萬hm2，直接增收糧食產量約36.45萬t，直接受災人口數減少25.40萬人，并有效避免了流域流經范圍內公路、鐵路及沿岸鄉鎮等交通設施設備、建筑物受淹。按照安陽河流域2021年汛期防洪減災效益相關統計數據及報表并結合《已成防洪工程經濟效益分析計算及評價規范》（SL 206-2014）等進行計算，2021年汛期安陽河流域直接防洪經濟效益逾8 865萬元，經濟效益和社會效益十分顯著。

4 結論

在結合衛星遙感大數據降水預報技術以及GIS 產匯流模型、BTOPMC分布式水文物理模型等現有流域洪水預報技術的基礎上，提出的基于遙感大數據的安陽河流域洪水預報技術模型具有較強的普適性和通用性，可大大延長流域洪水預測期與預見期，保證測報精度。項目成果在安陽市其他流域水旱災防御領域得到應用，經濟效益和社會效益較為凸顯。