龍巖白沙水庫流域提取及面雨量預報程序設計和實現

鄧宇陽 邱光敏 林夢凡

摘 要：隨著水庫對氣象服務內容、方式、效果等方面需求的不斷提升，預報員需要更了解水庫流域范圍內的相關情況，且要具備一定的水文氣象的知識。以龍巖白沙水庫為例，利用GIS提取水庫的流域面，并結合氣象預報產品，預報了該流域的面雨量及其他水文數據。

關鍵詞：水庫；GIS；C#；面雨量

中圖分類號：TV697.11 文獻標志碼：B文章編號：2095–3305（2024）01–0-03

水庫是水利系統最基層的工程。龍巖地區海拔高差大、降水資源豐富，境內水庫遍布各級河道，中大型水庫有15座。由于降水及河流的時空分布不均勻，為了實現水庫的精確調度，工作人員需要獲取一定時間段內的高時空分辨率和高精度降水預報信息。

通過提高降水預報的精度，工作人員可以獲取具有一定預見期的降水信息，從而驅動入庫流量的預報模型，推進其智能化建設，促使水利信息化[1]。同時，運用智能網格預報等新技術有利于提高防治洪澇干旱災害能力、水資源管理決策水平，改善入庫流量的精度和預見期。此外，實行騰庫發電、消峰錯峰、攔蓄洪尾等措施，可以獲得滿意的社會和經濟效益，趨利避害，保障人民的生命財產安全[2]。

龍巖市地處福建省西南部，水系發達，境內主要水系河流有汀江水系、九龍江北溪水系、閩江沙溪水系、梅江水系和九龍江西溪水系、贛江貢水水系等。其中，白沙水庫屬于九龍江北溪，九龍江北溪是閩西地區第二大水系，流域內包含萬安水庫（集水面積667 km2）、白沙水庫（集水面積1 307 km2）、合溪電站（集水面積2 932 km2）等。

隨著現代科技的快速發展，水庫對氣象服務內容、方式、效果等方面的需求也不斷提升。一方面，要進一步提升預報精度，另一方面，要獲取更直觀的產品及預警信息為水庫生產決策提供科學參考。

1 技術內容

1.1 數據整編

白沙水庫流域面積1 307 km2，總庫容19 926萬m3，設計洪水位266.21 m，裝機容量7.0萬 kW，具有不完全年調節能力，水能利用達7 m3/kW。白沙水庫流域年降水量1 750 mm，水庫年徑流量達13.63億m3，平均流量43.5 m3/s，設雨量觀測站8個。對白沙水庫流域進行現場調研，進行歷史資料整編、查閱文獻等，并將收集到的原始資料進行分類整編，建立了集水庫基本情況表、水文數據表、雨量站數據表等數據類型的水文氣象數據庫，為后期的資料統計、查詢以及雨洪關系確定等工作提供基礎的數據資料。

1.2 水庫流域劃分

以白沙水庫壩頭為對應單元流域的出水口，利用數字高程模型（DEM），運用地理信息系統空間分析（GIS）技術，通過空間分析、水文分析、地統計分析、分析建模等技術進行以水庫壩址為出水口的各水庫單元流域的劃分，提取了各單元流域對應的流域面積、河網長度等相關地理信息資料。

目前DEM數據是進行流域地形分析的主要數據，DEM是流域地形、地物識別的重要原始資料，它包含了豐富的地形、地貌和水文信息。通過DEM可以提取地表形態信息，如流域網格單位的坡度、坡向及單元格之間的關系等。利用DEM生成的集水流域和水流網絡是多數地表水文分析模型的主要輸入數據。利用DEM數據提取水流方向等因子的前提是地表起伏足夠大，這樣才能確定水流路徑。即對于任何一個像元，水都可以從多個相鄰像元流入，且僅從一像元流出。

流域提取具體方法：

（1）填洼。在ArGIS的工具箱中“Spatial Analyst 工具”→“水文分析”→“填洼”，對獲取到的dem數據進行填洼處理，得到填洼后的dem數據。

（2）流向分析.在ArGIS的工具箱中“Spatial Analyst 工具”→“水文分析”→“流向”，對流向進行分析，得到流向分析結果（圖1）。

（3）流量分析。在ArGIS的工具箱中“Spatial Analyst 工具”→“水文分析”→“流量”，對流向運行結果數據進行流量分析，獲得流量分析刪格數據（圖2）。

（4）盆域分析。在ArGIS的工具箱中“Spatial Analyst 工具”→“水文分析”→“盆域分析”，對流向運行結果數據進行盆域分析，獲得盆域分析刪格數據（圖3）。

（5）柵格轉面。利用ArGIS的工具箱中“轉換工具”→“由柵格轉出”→“柵格轉面”，對盆域分析運行結果數據進行“柵格轉面”操作，獲得流域面矢量數據（圖4）。

（6）流域范圍提取。通過已知的水庫大壩經緯度，借助ArcGIS自帶的編輯功能，將白沙流域篩選出來（圖5）。

2 面雨量估測-泰森多邊形制作及區域自動站面雨量計算

利用數字高程模型（DEM）劃分好各水庫壩址對應的單元流域，對流域內離散分布的區域自動站進行面雨量估測時，可以采用泰森多邊形方法獲得各自動站所代表的區域內平均面雨量，流域面雨量則為各自動站對應區域的面雨量加權平均獲得，權重系數采用各站點多邊形面積占流域面積的比值確定。

泰森多邊形法是由荷蘭氣候學家Thiessen提出的一種根據離散分布的氣象站的降雨量來計算區域內平均降雨量的方法，即將所有相鄰氣象站連成三角形，作這些三角形各邊的垂直平分線，于是每個氣象站周圍的若干垂直平分線便圍成一個多邊形。用這個多邊形內所包含的一個唯一氣象站的降雨強度來表示這個多邊形區域內的降雨強度，并稱這個多邊形為泰森多邊形。

如圖6所示，A、B、C、D表示4個自動氣象站，其中虛線構成的多邊形就是泰森多邊形，各氣象站的降水量則表示泰森多邊形區域內的平均降雨量。泰森多邊形每個頂點是每個三角形的外接圓圓心，泰森多邊形在GIS里也稱為Voronoi圖。泰森多邊形的特性是：每個泰森多邊形內僅含有一個離散點數據，泰森多邊形內的點到相應離散點的距離最近，位于泰森多邊形邊上的點到其兩邊的離散點的距離相等。

泰森多邊形法計算流域面雨量（權重法）：站點1雨量×站點1面積÷流域內總面積+站點2雨量×站點2面積÷流域內總面積+站點3雨量×站點3面積÷流域內總面積站+…+站點n雨量×站點n面積÷流域內總面積=流域面雨量。

通過ArcGIS獲取的流域數據可以找出白沙水庫流域內包含的氣象站點，繪制出泰森多邊形法處理后的流域面（圖7），并得到相應系數。

3 水文分析

（1）經驗徑流系數法。徑流系數介于0～1之間，濕潤地區徑流系數大，干旱地區徑流系數小。對于不同水庫流域的年平均徑流系數差異很大，徑流豐富區域徑流系數可超過0.7，徑流貧乏的流域僅有0.1。根據徑流量預測的需要，可根據徑流系數法綜合分析確定白沙水庫流域濕潤條件和干燥條件下的日徑流系數。

利用徑流系數法計算水庫流域年、月、旬徑流量。計算公式如下：

Q=R×S×k×1 000（1）

式（1）中：Q表示徑流量（m3），R為面雨量（mm），S指流域面積（km2），k為徑流系數。

（2）洪峰流量對應的臨界面雨量預警指標。由實測洪峰流量與過程面雨量的相關關系繪制出現過程洪峰流量與24 h降水總量的關系，建立雨洪關系函數。研究分析獲得的雨洪預警指標獲得各水庫的生產調度專家的論證后，可用于水文預報預警業務應用中。

4 軟件總體設計

（1）設計目標。軟件設計以水文氣象服務發展需求為引領，從智能網格預報技術、水文預報模型、雨洪風險預警技術等方面出發，創新發展水庫氣象服務，精準預報，滿足更專業的水庫氣象服務。以白沙水庫為例，通過程序將預報站點自動提取并用泰森多邊形法預報白沙水庫面雨量，形成面雨量預報產品和徑流量預報產品，并對短期流域降水的雨洪風險等級進行預警。

（2）總體框架。通過C#實現了自動將智能網格預報轉化為流域面雨量預報、水庫徑流量預報、雨洪風險等級預警產品等進行可視化效果顯示，為水庫提供更為精細化的氣象服務。結合數字高程模型、水文模型，提供更直觀的展示。

（3）功能設計。軟件主要功能包括氣象數據實時顯示、水文數據實時顯示、水文氣象預報服務、雨洪風險等級預警等功能，其中氣象數據顯示模塊可根據自動氣象站資料自動生成面雨量估測等產品，并接入水庫雨洪風險平臺，實現氣象數據的可視化和查看功能。

5 主要成果

（1）DEM高程數據的分析應用技術。獲得了基于數據高程DEM資料劃分單元流域的新方法，并根據此方法可獲取任意一個水庫或水文站址對應的單元流域面積、地形指數、距離面積分布函數等地理屬性，為面雨量計算和水文模擬提供了技術支撐。

（2）雨洪風險預警指標。確定了白沙水庫不同降雨強度的洪峰流量預警指標及不同水位高度對應的臨界面雨量預警指標。50 mm以上的暴雨過程，白沙水庫197 m3/s，100 mm以上的大暴雨過程將達到359 m3/s。將氣象與水文相結合，形成了業務化軟件，并且具有靈活、方便的特點，可以根據需求對各種中小型水庫流域進行氣象和水文預報，便于業務人員使用。

參考文獻

[1] 李京兵，王玉麗，張錦堂，等.基于氣象水文數據融合的小型水庫監測預警系統建設[J].中國防汛抗旱，2022，32（06）： 60-66.

[2] 李廣海.水庫防汛氣象監測預警系統的研究與開發[D].北京：北京郵電大學，2012.