曹晓磊

(河北省石家庄水文勘测研究中心，河北 石家庄 050051)

我国山区的面积比较大，山丘当中的小流域因为受到了流域面积比较小的限制，河道的过水能力也相对较低。洪水呈现出时间短、洪峰高等特点，带来的山洪灾害破坏性更强，已经引起了越来越多防洪工作人员的关注[1-2]。但是山丘当中的小流域因为实际情况十分复杂，各种影响因素比较多。也由于山地的小流域地区很难建设多个水文站点，导致水文资料十分短缺，缺少足够的数据资料来提高洪水预报精度，阻碍了无资料区域小流域山洪灾害的预防和预警工作开展[3]。鉴于此种山洪带来的巨大破坏性，必须要构建起一种可以更加有效山洪灾害发生的预警机制。

1 问题提出

当前全球化的温室效应依然持续，人们的破坏行为也并未得到收敛。全球各地发生极端天气的频率显著增加，泥石流、地震、山洪等自然灾害，严重危害到了人们的生命与财产安全。而中小流域缺少高效的检测预警机制，加之洪涝灾害发生的时间比较短，灾害损失程度也很严重，导致小流域山洪预警的工作形势很严峻。

我国也积极颁布了关于中小河流治理的相关意见，在全国范围之内开展了重点地区的山洪调查和分析工作，得到了较为显著的成效。在经过多年的建设后，我国水文网的密度在不断增大，但我国山丘地区面积大，工程建筑难度也很大[4]。已经建设的水文站点时间比较久远，缺少可靠资料。使得预警这些地区的洪水灾害只能够采用理论公式完成，得到的结果必然精度不够。与此同时，当前GIS技术、遥感技术等都已经在地理勘测当中被广泛应用[5]。也已经得到了一些其他种类的资料，比如土壤资料、地貌和地形利用类型等相关资料，通过对这些资料背后的有用信息开展大量挖掘，便可以得到更显著的水文模型。增加无资料地区的小流域山洪预报预警的准确性和可能性[6]。

2 无资料区域小流域山洪预警模型构建

2.1 无资料地区水文预报理论方法

2.1.1 水文比拟方法

此种方法指的是缺少资料和无资料的流域采用和该流域相似的水文资料。如果流域断面缺少实测径流量的具体数据和资料，就可以参考上下游地区或者是水文比较相似地区的实测所得到的水文资料。水文比拟方法一般是用来对流域的年径流量进行计算。采用公式为：

此种方法所得结果准确与否，主要取决于所计算的流域水文条件和参考流域的水文条件相似程度，越相似自然结果越准确。

2.1.2 地区经验方法

此种方法也是用来对年净流量进行计算，构建起各种影响到年径流的相关因素，所采用的公式为：

2.1.3 瞬时单位线

将瞬时净雨输入公式当中，在流域完成调蓄之后，得到出口断面地面径流过程。综合瞬时单位线的计算，需要降雨量是在流域当中平均分布，而且将于的强度很大，历时较短，最终得到的总量属于单元地面净雨流域出口断面径流过程线。

2.2 小流域分类

小流域可以划分为三种不同类型，分别是：(1)区间型：汇水区域包含了河流的两侧，或者是横跨了某条河流当中一段；(2)坡面型：河流单面或者是河流某侧为汇水区域；(3)完整型：流域包含了整个河流，存在着完美对应关系流域。

2.3 无资料区域小流域基于虚拟水库山洪预报预警系统构建

2.3.1 洪水预报系统设计原则

所构建起的无资料区域小流域虚拟水库预警系统，采取的过程为“制定构建规范、搭建系统所需框架、具体开发系统过程、集成整合”。在这个过程当中规范的制定以及框架的搭建为最关键环节。以当前已经成熟的开发和数据、接口规范标准为基础，开发业务系统，做好整合工作，图1为洪水预报系统整体框架，如图1所示。

图1 小流域洪水预报系统整体框架

2.3.2 构建类库结构方法

构建无资料地区小流域山洪灾预警系统，所使用的软件十分复杂。在水文预报技术不断提升与发展的过程中，要求系统可以更好地满足水文领域发展的具体需求，对于预报系统的构建要求也更高。系统设计时必须要考虑到扩展、维护以及稳定性特点，使用更先进的设计和语言模式。软件开发当中采用面向对象技术方法，本质上就是针对抽象对象开展建模操作，核心思想便是需要向人类自然思维方式进行借鉴。

2.3.3 系统选型过程及结果

表1为本次所选择的数据库、GIS系统具体类型。本次构建的预防系统，所采用的主要数据编辑工具为Desktop，这一工具可以实现土层剪切和投影功能。还使用到了地图服务系统，将其当做GIS数据显示的重要数据源，减少数据加载以及存储过程中所面临的重要压力。

表1 系统选型结果

2.3.4 设计功能模块

系统设计包含三部分内容，最上册为菜单，有参数提取、管理以及预报和系统帮助等不同的菜单；在菜单右侧则是系统界面调整以及用户管理功能，中间为主要的操作界面功能(见图2)。

图2 系统菜单栏、用户登录和主操作界面

(1)基础模块：包含导入流域基本信息，完成信息展示。在操作栏当中按照特定顺序来导入基本的地理信息。

(2)提取所测流域具体参数：先完成提取和展示新导入的相关流域参数，然后再开展进一步工作。包含提取流域信息、汇流和产流相关参数数据。在导入了相关信息之后，再利用蓄水容量曲线功能，完成曲线的有效拟合，在对比与分析之后就可以得到蓄水容量曲线。系统则会按照上述提取的流域蓄水量数据，采用SCE-UA方法，找到用来拟合的n和k初值，而且还能对这些数值进行修整，最终得到更优曲线。

研究中采用不同方法来计算不同土壤含水量以及洪峰流量的相关数据，研究结果发现，计算结果最准确的是采用超渗-蓄满混合模型。此种计算方法得到的结果也是与实际情况更加符合，更合理和成熟。表2为土壤含水量为50 Wm/%情况下，分别在1 h、12 h、24 h内四种方法的洪峰流量计算结果。

表2 洪峰流量时间差异结果

图3为四种模型计算计算结果的变化趋势图，我们能够很明显地看出来混合模型与设计的洪峰流量之间十分接近，由此说明了混合模型的准确程度更高。还能及时查看得到的相关参数，如图4所示。

图3 模型趋势对比结果

图4 相关参数查看界面

(3)山洪预报模块构建：这一预报功能模块的构建基于之前收集与分析得到的参数，再将降雨的场次输入其中，就能够得到山洪发生可能性的预报效果。还需要与实际测量得到的径流资料完成有效对比。再结合收集到的和河流地区相关的各种地理信息资料之后，就需要对不同危险区域内的人口完成统计，按照具体的小流域基础信息，再结合得到的洪水要素结果，对不同危险区域的人口进行统计。如表3所示。

表3 洪涝重现不同区域的危险人数对比结果

2.3.5 后台关键功能设计及实现

(1)需要以小时为单位，导入流量和雨量。在主要站点其实仍然存在着时间段中断的相关问题。完成外部数据的读取，经过插值函数处理，将其变成以小时为单位，得到节点数据。再将得到的标准数据传入到水文模型当中，完成进一步计算。

(2)提取地理相关信息。使用水文分析工具针对流域当中的EDM完成填洼、计算具体的流向，得到汇流结果。再对流域当中的几何特点，如形状、周长、面积和地形地貌等信息进行提取。还需要将使用Python所编写的脚本调用出来，采用D8算法完成坡度和流向的计算，得到地形指数，得到地形指数数据的分布图。

3 结语

(1)本次研究中的无资料地区小流域山洪预警系统，其中涉及到的指标包含流量、雨量、临界水位等。引入具体的地区构建山洪预警系统，再引入计算方法，得到成灾地区的流量与水位信息，为无资料区域的小流域地区更好预防山洪灾害发生提供有效的解决方法。

(2)因为无资料地区小流域山洪灾害预防预警技术本身还有很多需要不断提升的空间，因此构建起的预警系统也需要进一步提升改善。结合山区自然灾害的实际情况完善群测群防系统和监控系统，争取得到信息数据的共享目标。也要向群众加大普及如何防范和自救互救的艺术能力，以最大努力减少山洪灾害带来的损失。