基于大數(shù)據(jù)的瑯琚水洪水預(yù)警預(yù)報研究

寇 燁

(貴州東方世紀科技股份有限公司，貴州 貴陽 550009)

1 區(qū)域概況

1.1 河流水系

本次試點河流(流域)為瑯琚水。瑯琚水又名瑯琚河，系撫河一級支流，涉及瑯琚鎮(zhèn)、左坊鎮(zhèn)、秀谷鎮(zhèn)和滸灣鎮(zhèn)。瑯琚水發(fā)源于金溪縣秀谷鎮(zhèn)清華庵，自東往西，與唐家水、項山水等支流匯合，經(jīng)瑯琚鄉(xiāng)，至金溪縣的滸灣鎮(zhèn)的占家村，再與撫河合二為一。主要河流全長40 km，主要河流的底面寬度在30～70 m之間，以粗砂礫石為主，彎彎曲曲。流域的地貌是一片山丘，地勢是北高南低[1-5]。

1.2 氣象水文

瑯琊水流域是一個四季如春，降水豐富的亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)域，多年平均降水1832.0 mm，1998年最大降水2804.3 mm，1971年最小降水1133.6 mm。在一年中，各個季節(jié)的降水分布是不均勻的，而且有很大的差別，在4—6月，降水的比例是46%，在1—3月，降水的比例是20%，在7—9月，降水的比例是10%。在4—6月，冷暖兩種氣團在瑯琚水流域交匯，如果冷暖兩種氣團都很強大，而且實力相當?shù)臅r候，就會形成中間切變和地面靜止鋒，經(jīng)常會引起一場持續(xù)很久的大雨傾盆。夏季和秋季(7月中旬—9月)，在副高的支配下，以晴朗和炎熱為主，只有區(qū)域性的雷暴和偶爾的臺風(fēng)。7—9月降水量占年降水量的20%[6]。冬春季節(jié)(10月—次年3月)降水較少。由于下游河道地勢較緩，且受撫河頂托，一般洪水過程歷時1～2 d，個別洪水過程歷時2～4 d。

1.3 洪水特征

(1)具有很強的季節(jié)特征。江西省中小河流多在3—9月出現(xiàn)高水位，該段時間內(nèi)各站點出現(xiàn)高水位值的比例為98%，4—6月份出現(xiàn)高水位值的比例為70%，7—9月份出現(xiàn)低水位值的比例為23%；6月出現(xiàn)的次數(shù)最多，為39%；五月份出現(xiàn)的次數(shù)次之，為21%。

(2)洪澇災(zāi)害頻發(fā)。江西省的中小河道洪澇災(zāi)害頻發(fā)，2～3 a內(nèi)出現(xiàn)一次超過警戒水位的洪澇災(zāi)害；從年度來看，中小型河道的洪澇災(zāi)害以局部洪澇災(zāi)害為主，大規(guī)模洪澇災(zāi)害不多見。

1.4 預(yù)報斷面情況

瑯琚水預(yù)報站點為水文站，所在位置為金溪縣瑯琚鎮(zhèn)邱家村，集水面積191 km2。

2 資料準備

2.1 氣象數(shù)據(jù)

(1)雨量計觀測降水。采用試點流域內(nèi)水文和相關(guān)部門的雨量計觀測降水，所有實況數(shù)據(jù)直接通過數(shù)據(jù)庫交換實時接入洪水預(yù)報系統(tǒng)。

(2)雷達估測降水。來源于國家氣象局，數(shù)據(jù)5 min/幀，分辨率為1 km×1 km，每6 min傳入系統(tǒng)。

(3)數(shù)值天氣預(yù)報。來源于中國氣象局，數(shù)據(jù)每天早晚發(fā)布兩次，分辨率為5 km×5 km。

2.2 遙感數(shù)據(jù)

通過大數(shù)據(jù)技術(shù)自動采集全區(qū)各類遙感、衛(wèi)星影像、地形地貌等數(shù)據(jù)，采用GIS技術(shù)對數(shù)據(jù)進行分析處理，建立該區(qū)域?qū)?yīng)的地理信息專題數(shù)據(jù)，得到以網(wǎng)格化表示的任意位置的地理要素，主要包括DEM、植被、土壤質(zhì)地。由各地理要素及流域范圍進行空間分析，擬定流域相關(guān)的特性數(shù)據(jù)[7-10]。

2.3 其他數(shù)據(jù)

本次收集了撫州市下轄2個區(qū)、9個縣的山洪災(zāi)害調(diào)查評價已有成果。其中包括整個撫州市受山洪災(zāi)害威脅沿河村落危險區(qū)的位置、成災(zāi)水位、預(yù)警指標和現(xiàn)狀防洪能力等各項數(shù)據(jù)，并進行了數(shù)字化處理。

實測流量序列數(shù)據(jù)是率定模型的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。本次收集整理了瑯琚水文站2017—2020年現(xiàn)有的實測流量序列數(shù)據(jù)，并將所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，接入了實時測量數(shù)據(jù)。由于建站時間短，2017年數(shù)據(jù)可靠性不高，在模型參數(shù)率定中僅做參考，2020年1—7月的數(shù)據(jù)異常。

3 預(yù)報模型

3.1 水文模型

在此基礎(chǔ)上，以30 m的數(shù)字高程模型(DEM)為基礎(chǔ)，以流域內(nèi)的自然水系為研究對象，以2～30 km2的集水區(qū)域為基本計算單位，構(gòu)建高精度的數(shù)字化水系。該模式主要包括三個子項：蒸散發(fā)計算，產(chǎn)流量計算，匯流計算。利用蒸發(fā)曲線法對小流域的蒸發(fā)量進行了估算，利用全流量法對小流域的蒸發(fā)量進行了估算；在流域匯流計算上，本項目擬以動力瞬時單位線為單位，以線性庫區(qū)為單位，將流域內(nèi)徑流與地下徑流相結(jié)合，以馬斯京根法為單位，對流域內(nèi)的河流進行分段連續(xù)模擬。降水的輸入是5 km×5 km的逐時格點(5 km×5 km)，包括實時降水、2 h短臨降水和72 h降水預(yù)報。在現(xiàn)有大數(shù)據(jù)分析與處理平臺的支持下，本項目擬開展多源遙感數(shù)據(jù)融合、多源遙感信息融合、多模式遙感信息融合等研究。

3.1.1 數(shù)字流域生成及計算單元劃分

形數(shù)據(jù)采用30 mDEM，通過相關(guān)官方網(wǎng)站共享的遙感分析數(shù)據(jù)成果，獲得土壤類型、植被覆蓋、土地利用等下墊面數(shù)據(jù)。

為提高模擬數(shù)字河網(wǎng)準確性，提高模型預(yù)報準確性，需進行DEM的河道燒錄處理。通過高清影像比對，提取真實的河網(wǎng)水系；再基于該河網(wǎng)水系對DEM進行刻畫處理及修正提取模擬數(shù)字河網(wǎng)。采用原始DEM直接提取的模擬數(shù)字河網(wǎng)，嚴重偏離真實水系，河道燒錄提取的模擬數(shù)字河網(wǎng)，與真實水系保持高度一致。

采用ARCGIS的水文工具提取流向、河網(wǎng)、流域邊界等數(shù)字流域河網(wǎng)信息。流向提取采用單向D8算法，河網(wǎng)累積流量閾值取2000，瑯琚試點流域提取的模擬河網(wǎng)、流域邊界分別如圖1所示。

圖1 瑯琚水文站控制流域邊界及河網(wǎng)(F=191.0 km2)

根據(jù)水系河網(wǎng)的拓撲關(guān)系和河網(wǎng)節(jié)點，按照單元控制面積為2～30 km2的范圍，劃分模型水文計算單元HUR及節(jié)點。瑯琚流域的水文計算單元及節(jié)點劃分成果，如圖2所示。計算節(jié)點分別為131個。

圖2 控制流域水文計算單元及節(jié)點

3.1.2 蒸散發(fā)計算

為了較為準確的描述這種狀態(tài)的過渡，模型擬定了蒸發(fā)曲線算法表示。蒸發(fā)曲線有三個變參，分別是Em、Wm和Wb，可以反映不同流域的蒸發(fā)特性。根據(jù)土壤類型、植被、地貌特點等自動分析每個計算單元土壤含水量Wm，推算每一個計算單元的蒸發(fā)曲線，有效提高了凈雨計算的準確性。如圖3所示。

圖3 蒸發(fā)曲線

3.1.3 產(chǎn)流計算

產(chǎn)流計算是根據(jù)蓄滿產(chǎn)流理論得出，其發(fā)展的快慢(當降雨情況一定時)取決于該流域土壤缺水量、流域面積的物理過程及徑流量的計算，用流域蓄水容量曲線來表示。如圖4所示。

圖4 流域蓄水容量曲線

其公式見式(1)～式(3)：

(1)

(2)

式中：R為產(chǎn)流徑流深，mm；P為流域降水量，mm；Wm為流域平均蓄水容量，mm；a為流域初始蓄水量W0對應(yīng)于蓄水容量曲線的值，mm；b為降水量；mm。

(3)

3.1.4水源劃分

模型采用一個自由水蓄水庫進行水源劃分，自由水蓄水庫設(shè)置兩個出口，其出流系數(shù)分別為KI和KG。產(chǎn)流量R進入自由水水庫內(nèi)，通過兩個出流系數(shù)和溢流的方式把它分成地面徑流、壤中流和地下徑流。自由水蓄水庫的結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 自由水蓄水庫的結(jié)構(gòu)

自由水的蓄水能力在產(chǎn)流面積FR上的分布也是不均勻的。模仿張力水分布不均勻的處理方式，把自由水蓄水能力在產(chǎn)流面積上的分布用一條拋物線來表示，詳見圖6。

圖6 流域自由水蓄水容量曲線

用SMMF表示產(chǎn)流面積上最大一點的自由水蓄水容量，SMF表示產(chǎn)流面積上的自由水平均蓄水容量深，SMF′表示產(chǎn)流面積上某一點的自由水容量，F(xiàn)S表示自由水蓄水能力≤SMF′時流域面積占產(chǎn)流面積(FR)的百分數(shù)，S表示自由水在產(chǎn)流面積上的平均蓄水深，EX表示流域自由水蓄水容量曲線的指數(shù)，產(chǎn)流面積上各點的自由水蓄水容量關(guān)系計算如式(4)：

(4)

3.1.5 匯流計算

匯流模型計算包括坡面匯流和河網(wǎng)匯流，其中坡面匯流根據(jù)坡度、植被和下墊面的特征情況，得到每個計算單元的基本屬性(包括面積、流域形狀、糙率、坡降、匯流方向、流速、蓄滯影響等)，來確定瞬時單位的參數(shù)，在計算過程中為反映真實情況，模型根據(jù)實時降水強度和暴雨中心位置的不同，結(jié)合下墊面的情況，每15 min動態(tài)生成不同的單位線，這樣就解決了地表非線性匯流的問題，從而得到坡面匯流，最后通過馬斯京根模型進行河道匯流的計算，地下水匯流采用線性水庫模型計算。

模型中地面徑流匯流采用了動態(tài)單位線，即每個計算時段根據(jù)雨強大小動態(tài)創(chuàng)建等流時線，解決地表匯流時間的非線性變化問題。由于每個單位線計算面積限制在2～30 km2，可以很好地解決暴雨中心的影響問題。

3.2 參數(shù)自動率定

以公網(wǎng)采集的地形地貌、土壤植被、土地利用、氣候特征等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用決策樹、聚類、深度學(xué)習(xí)等人工智能的技術(shù)，建立了參數(shù)智能轉(zhuǎn)移模型，通過這個模型可以在任何流域中使用，從而可以提取出該地區(qū)的一組基本的水文參數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，以大數(shù)據(jù)洪水預(yù)測模型為依據(jù)，以自然率定的水文參數(shù)結(jié)果為依據(jù)，以河網(wǎng)拓撲關(guān)系、數(shù)字流域計算單元(2 km/h以上流域)和過去30 a網(wǎng)格化降雨數(shù)據(jù)為輸入，開展洪水反演計算，獲得30 a的歷史洪水結(jié)果和土壤水分數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生相應(yīng)的河流剖面頻率曲線，從而獲得相應(yīng)的洪水再現(xiàn)期。

利用網(wǎng)絡(luò)和用戶所收集的歷史洪水災(zāi)害數(shù)據(jù)(發(fā)生時間、洪峰流量、重現(xiàn)期)、實測水文數(shù)據(jù)、實測墑情(土壤含水量)數(shù)據(jù)，就可以對“參數(shù)智能轉(zhuǎn)移模型”展開評估，反復(fù)地對模型參數(shù)進行不斷地改進和優(yōu)化，從而實現(xiàn)不斷提升模型精度的目的。

3.3 臨界雨量預(yù)警模型

基于撫州市已有山洪災(zāi)害調(diào)查評價成果，以整個撫州市各沿河村落危險區(qū)0.2Wm、0.5Wm、0.8Wm土壤含水量的臨界雨量為閾值；根據(jù)實時降雨數(shù)據(jù)結(jié)合分布式水文模型計算出當前時刻的土壤含水量，然后得到當前時刻土壤含水量對應(yīng)的臨界雨量；再根據(jù)各雨量站點的實測降雨數(shù)據(jù)和預(yù)警指標進行對比確定是否預(yù)警及相應(yīng)預(yù)警等級。

3.4 大數(shù)據(jù)分析計算系統(tǒng)

用大數(shù)據(jù)分析處理相關(guān)技術(shù)進一步提高洪水預(yù)報模型系統(tǒng)的分析計算速度。

洪水預(yù)報大數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)平臺研發(fā)。根據(jù)降雨-徑流模型產(chǎn)流環(huán)節(jié)的并行、分布式和河道匯流串行演算邏輯，采用Hadoop、Spark等先進大數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)技術(shù)，構(gòu)建試點流域基于分布式水文模型的實時洪水預(yù)報大數(shù)據(jù)分析計算平臺，實現(xiàn)大規(guī)模細分水文單元和大量計算節(jié)點的實時洪水預(yù)報在線快速分析計算。從降雨數(shù)據(jù)輸入至洪水預(yù)報大數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)起算，同時計算4 a逐時序列實時洪水分析計算，總耗時不超過1 min/次。如圖7所示。

圖7 大數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)平臺架構(gòu)

3.5 預(yù)報精度評定方法

參考《水文情報預(yù)報規(guī)范》(GB/T 22482—2008)的相關(guān)要求，以及中小河流洪水更加關(guān)注洪峰和峰現(xiàn)時間2個要素，預(yù)報成果精度評定，采用洪峰和峰現(xiàn)時間2個要素預(yù)報合格率分別進行精度評定。

4 結(jié) 論

根據(jù)瑯琚水文站實測流量序列資料情況，選擇2017—2019年的資料進行參數(shù)率定，2020年作為驗證期。

對2017—2019年共3 a資料11次洪水樣本進行評定，結(jié)果為：洪峰流量的合格率為64%，洪峰出現(xiàn)時間的合格率為82%。對2020年共1 a5次洪水樣本進行檢驗，結(jié)果為：洪峰流量的合格率為60%，洪峰出現(xiàn)時間的合格率為100%。本方案各項評定要素的合格率在丙級以上，屬丙級方案，可用于參考性預(yù)報。