大连市大中型水库集总式洪水预报预警技术研究

刘恒

(辽宁省水利水电科学研究院,沈阳110003)

本研究为水利部公益性行业科研专项经费项目：辽宁省中小型水库防洪减灾预报预警系统(200801040);水利部科技推广计划项目：中小型水库防洪减灾预报预警系统(TG1142)。

摘要：本文通过对洪水预报预警系统发展现状和大连市区域概况进行调查分析，找出各水库和水库上级主管部门在防洪预警过程中存在的薄弱环节。开展大连市23座大中型水库集总式洪水预报预警系统技术研究，确定研究目标，对系统的功能结构、界面设计、模型建设和系统设计等进行归纳总结，详细介绍了专业支持系统的主要功能模块。研究表明：系统的建设有利于提高水库洪水预报预警水平，进一步完善水库总体防洪减灾体系，防止和减轻水库洪涝灾害，确保城市的防洪安全。

关键词：大中型水库；集总式；预报预警

中图分类号：TV697.1+3

Research on Medium and Large Reservoir Lumped Flood

Forecasting and Early Warning Technology in Dalian

LIU Heng

(ResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,LiaoningProvince,Shenyang110003,China)

Abstract：In the paper,development status of flood forecasting and early warning system and Dalian regional overview are investigated and analyzed. Weak links of all reservoirs and reservoir superior administrative departments in flood early warning process are discovered. Lumped flood forecasting and early warning system technology of 23 large and medium reservoirs in Dalian are studied, thereby determining research objectives. System functional structure, interface design, model construction and system design are summarized. Main functional modules of professional support system are introduced in detail. Research shows that system construction is beneficial to improve reservoir flood forecasting and early warning level, further improve reservoir overall flood control disaster elimination system, thereby preventing and alleviating reservoir flood disaster, and ensuring urban flood safety.

Keywords：large and medium reservoirs; lumped type; forecasting and early warning

洪水预报预警是水库防洪过程中的重要组成部分，只有及时、准确地提前获得可能来水信息，获得一定的预见期，水库管理人员才能采取有效的避险措施，从而防止灾害的发生。目前，我国中型以上水库均具备洪水预报预警能力，但预报水平参差不齐，主要包括人工预报和系统预报两种。其中人工预报多以预报人员经验为主，主要采用传统的人工查算方法，效率较低，且误差较大。对于管理水平较好的一些水库，已建立洪水预报调度系统，可以实时获取水库上游控制流域范围内的雨水情信息，并利用预报系统软件实现洪水的自动预报，为水库管理人员提供防洪参考依据。当各水库完成自身的洪水预报后，需要将预报预警信息进一步报送给上级主管部门，最终由上级主管部门对其管辖范围内的所有水库进行统一指挥调度，从而保证上下游水库联合调度的需要。该过程存在诸多问题：首先，水库在报送过程中需要浪费一定的时间；其次，该过程容易出现各种人为误差；第三，各水库预报成果的整编形式不统一，成果到达主管部门后，还需进一步整理，效率低下。因此，需要在主管部门建立一套能够实现管辖范围内所有水库统一预报预警的系统平台，与各水库形成同步。为全面提高大连市水库防洪减灾能力，及时、准确地获取各水库的实时水雨情和洪水预报预警信息，并且与全省预报预警系统建设保持同步，形成统一系统平台，构建一套集总式的大连市水库洪水预报预警系统是保证全市防洪安全的必然途径。

1区域概况

大连市位于辽东半岛的最南端，东临黄海，西濒渤海，属低山丘陵区。年平均降水量空间分布不均匀,多年平均降水量在550～800mm之间，通常，东部多于西部，北部多于南部，分布趋势为自西南向东北方向递增。全市中型以上水库23座，其中大型水库7座、中型水库16座，总库容23.47亿m3，兴利库容14.15亿m3，总控制流域面积4962km2。北三市境内共有大中型水库16座，普湾新区以南地区共有中型水库7座。其中，普兰店市境内有大型水库2座，为碧流河、刘大，中型水库5座，为七道房、红旗、大梁屯、五四、洼子店；庄河市境内有大型水库3座，为英那河、朱家隈子、转角楼，中型水库1座，为永记；瓦房店市境内有大型水库2座，为松树、东风，中型水库4座，为大河、九龙、八一、莲花；普湾新区有中型水库1座，为鸽子塘；金州新区境内有中型水库3座，为青云河、卧龙、北大河；甘井子区境内有中型水库1座，为大西山；旅顺口区境内有中型水库1座，为龙王塘。

2研究目标

按照国家防汛抗旱指挥系统工程的建设目标，充分利用现有资源，采用统一、标准的系统建设模式，通过对大连市23座大中型水库洪水预报、预警与调度方案的整编，以及大连市大中型水库洪水预报与防洪调度系统的开发，构建一套以采集系统为基础、预报方案为支撑、计算机网络为依托、系统软件为核心的大连市水库洪水预报预警与调度系统。系统建成后，满足各相关应用部门的需要，为科学防汛提供可靠的目标，成果达到国家防汛指挥系统、国家相关技术标准要求。

3总体设计

充分运用水文自动测报系统采集到的水雨情信息，在综合各水库多年来防洪减灾基础建设与信息化成果基础上完成。保证项目取得先进性、可靠性和实用性的研究开发成果。

3.1功能结构

系统采用面向对象的可视化开发，专业支持系统由系统管理、工程资料、水情查询、综合预警、单库模拟、成果管理、预警报告和辅助功能等子系统组成；成果发布系统由地理信息、卫星云图、气象预报、综合预警、办公自动化和抗洪预报等子系统组成。系统的建设有利于提高水库洪水预报预警水平，促进大连市水库水利信息化发展，进一步完善水库总体防洪减灾体系，防止和减轻水库洪涝灾害，确保城市的防洪安全。对水库的各种洪水要素进行实时预报，为各级防汛指挥部门提供决策依据。

系统功能结构图如下页图1所示。

图1　功能结构

3.2界面设计

界面设计中以操作简便、交互友好、尊重水文操作人员习惯为指导原则，实现专业性与易操作性的统一。尽量采用直观的图形用户界面技术，信息的表达形象、直观、简洁明了。系统操作以菜单栏与工具栏相结合的方式表现，充分利用菜单、图形、图标等形象化的界面元素为基础。系统界面如图2、图3所示。

图2　专业支持系统界面

图3　成果发布系统界面

4模型建立

4.1水文预报模型

水文预报模型按照类型可以分成两大类，包含集总式模型和分布式模型，其中分布式水文模型是今后的发展趋势，其很好地描述了洪水演进的整个物理过程，但由于前期建模需要大量的地理资料，因此建模比较麻烦。目前，辽宁省内部主要以集总式水文模型为主，具有简便、高效的优点，经过历年历史洪水的检验，其预报精度均达到乙级以上标准，满足水库预报预警的需要。集总式水文模型主要包括降雨径流相关模型、新安江模型、蓄满产流模型、大伙房模型、滞后演算模型、超渗产流模型等。本文对上述模型进行了电子化处理，建立了模型库，各水库可以选择适合本水库的水文预报模型，并提供了模型参数自动率定和预报结果实时校正功能。

4.2综合预警模型

汛情监视系统不仅能对实时汛情进行监视，还应根据气象产品应用系统的致洪致灾暴雨预测结果，结合下垫面及工程运用信息，通过数学模型来预估洪水的量级，并结合水库实时控制运用计划完成水库在线调度和抗雨能力分析，实现水库防洪的分级预警。预警指标指触发洪水灾害的雨、水情临界值。以洪水灾害预警条件、预警时间是否接近、达到、超过临界雨量和成灾水位(流量、蓄量)为主要依据。预警指标的确定，需要分析利用现有历史灾害、雨量、水位(流量、蓄量)、水库特征资料，通过分析计算、洪水调度得到。根据实时水雨情、水文气象预报信息及预警指标，决定是否编制预警信息。洪水预警等级一般分为四级。根据需求分析后，综合预警条件针对特征量进行预警，预警条件如图4所示。

图4　预警条件结构

5系统设计

本研究建立两套系统平台，分别实现分析和发布，本文重点对专业支持系统进行介绍。

5.1系统服务平台

系统平台采用C/S模式开发，为各模块提供一个综合操作的平台，专业分析计算在该平台上可以实现，提高了系统的灵活性。左边为水库选择区，用户可以根据水库类型、所在市地、所在地区、所在流域和工程类型等特征选择水库，也可以根据检索项目的范围来选择水库。既可以选择单个水库进行分析，也可以选择满足一定条件的一类水库进行统一操作。同时，用户可以将按照指定条件统计出的水库进行统一整编输出。右下方为功能选择区，用户可用鼠标单击选择某个子系统对其进行操作。

5.2雨水情信息

a.雨情信息。用户可以按照水库所在地、水库类型以及所在流域等条件选择水库，然后对属于同一流域的多座水库的平均降雨量进行柱状图对比分析，同时也可以针对一座水库各雨量站的降雨量进行分析。可以直观地查看到暴雨中心位置，这对水库预报与调度具有指导性意义。用户也可以选择单一水库查看该水库在选择时间段内的降雨过程柱状图，从而分析出该水库或雨量站的降雨过程。

b.水情信息。系统既可以显示出所选水库的当前库水位，也可以生成库水位变化过程线与该水库的各特征水位，从而反映出该水库常年库水位的变化过程和安全状态。可以进行库水位变化过程的动态演示，从而直观地查看到库水位相对于各特征水位及坝高的变化过程。系统既可以显示出所选水库的当前入库流量、当前蓄水量和当前出库流量，也可以生成入库流量过程线、蓄水量过程线和出库流量过程线，以及对应的数据表，实时了解水库的调度状态。

5.3日常预报

实现了PA值连续计算的功能，避免了用户在不下雨或无需进行日常预报时，还需每日进行日常预报操作。该功能可以实现降雨的统一刷新，并根据雨情进行PA连续计算，从而得到前日PA值。

5.4综合预警

本功能根据水库水雨情信息进行实时报警，报警对象主要有当前库水位和当前雨强等信息。报警分为四个级别，具体报警条件上面已经提到，这里不再赘述。系统会根据当前数据和每个水库的特征值以及报警条件进行判断，以不同的颜色进行特殊显示。

5.5抗雨能力

汛期中防汛部门经常需要在水库不同蓄水情况下，了解达到各级控制水位(如限制水位、正常高水位、设计洪水位和校核洪水位等)所能抗御的暴雨量。为了进行水库抗洪能力估算，绘制抗洪能力查算图是十分必要的。本功能实现了针对不同控制水位的抗洪能力分析与计算，系统可以自动生成抗洪能力表和抗洪能力图，用户可以根据当前蓄水情况及泄洪情况进行插值计算，从而得到抗洪能力结果值。

5.6四象限调洪

由于中小型水库流域面积小，河道坡降大，汇流时间短，洪水来势猛，因此，不宜进行复杂预报调度，在实际工作中，常采用洪水预报综合相关图进行预报。所谓综合相关图，就是将水库的入库流量预报与水库调洪演算的有关曲线绘在一张图上。本文研究将综合相关图进行矢量化，可自动完成调洪的全部过程。

5.7洪水预报

本功能实现对水库常规的洪水产汇流预报，通过从水文自动测报数据库中读取的流域测站降水信息，计算流域日平均降水量，计算出后日8∶00的流域时段降水量、径水量及时段末PA值，并根据用户选择的单位线进行汇流计算。水文预报方法根据模型库中对应各水库模型，汇流计算按单位线法计算。针对各水库目前状态自动生成一个防洪形势报告，该报告归纳总结了各水库的工程概况、预警状态以及单个水库预报模拟调度成果。

5.8数据库建设

完成了参数特性曲线的补录、校核，工情库、水情库、成果库、模型库等数据库的建立。完成了专业模型的建立，包括蓄满产流、辽宁指数、降雨径流相关曲线、单位线、抗雨能力分析、综合预警等水文模型。

6结语

本研究针对大连市23座大中型水库防洪的实际需求，建立了统一平台的集总式洪水预报预警系统。采用抗洪能力分析及四象限调洪算法等多种分析方法对各水库进行分析，可针对单个水库采用不同预报模型进行单库的洪水预报、模拟调度及报告整编。系统建成后，通过实际运行，达到了预期目标。提高了大连市水库防洪减灾能力，充分发挥了系统应有的效益，规范了防汛队伍的业务流程和服务技能，建立了智能清晰、权责明确的管理体制和管理科学、运营规范的运行机制，为大连市的水库防洪提供了有效的技术手段。

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