河北省山洪灾害区预警预报系统

程双虎，胡春歧，马存湖

（河北省水文水资源勘测局，河北 石家庄 050031）

河北省位于东经113°27′～119°50′，北纬36°05′～42°40′之间，地处中纬度欧亚大陆东岸，属于温带半湿润半干旱大陆性季风气候。受季风影响，河北省降雨主要集中在夏季，且多以暴雨形式出现。受暴雨、地质地貌以及人类活动影响，山洪灾害发生频繁。山洪灾害不仅对山区的基础设施造成毁灭性破坏，而且对人民生命财产安全构成极大威胁，山洪灾害防治已成为目前防灾减灾的主要内容［1］。

山洪灾害是指山洪暴发造成的危害，包括溪河洪水泛滥、泥石流、山体滑坡（崩塌）等造成的人员伤亡、财产损失、基础设施损坏、环境破坏等。山洪灾害预测预警系统是山洪灾害防治的重要非工程措施，构建河北省山洪灾害预警预报系统，为该区域的山洪灾害防治工作奠定了坚实基础，对经济社会又好又快发展具有重要的现实意义。

1 基本思路

在分析研究美国陆军工程师团水文工程中心水文模拟系统HEC－H MS（The Hydr ol ogic Engineering Center’s Hydrologic Modeling System）的基础上，针对HEC－H MS在实际应用中存在的问题和不足（如单机版，英文语言，不能计算初始条件，采用固定的河道洪水演算参数等）［2］，结合河北省山洪灾害防治区流域实际情况，开发研制一套集面雨量计算、前期影响雨量分析、产流计算、流域汇流计算、河道洪水演算、预警分析为一体的，适合河北省山洪灾害预警预报工作特点的，具有大规模分析计算能力的水文预警预报系统——河北省山洪灾害预警预报系统（HEBEI－Mountain torrent disaster forecasting and war ning system），简称HEB－MTDF WS。

2 系统构建

系统构建包括数字流域建模、模拟调度计算、模型参数率定三大部分内容。数字流域建模包括通过建模工具进行小流域的划分、特征参数的提取及水系拓扑结构的创建等工作；模拟调度计算通过模拟调度引擎调度各功能模块，进行洪水分析计算；模型参数率定通过率定工具对有资料地区进行模型参数率定。系统构建流程如图1所示。

图1 HEB－MTDFWS构建流程

2.1 数字流域建模

根据小流域划分原则，在GIS平台基础上，对DEM进行数据分析处理，划分河网及小流域，提取小流域和河段特征。白草坪流域DEM及小流域划分成果如图2所示。

图2 白草坪流域DEM及小流域划分图

根据7类元素（小流域、河段、水库、节点、水源、分流、沉降）及其组合关系，将流域系统概化为流域模型，它们之间的拓扑关系构成流域产汇流系统。产汇流系统计算过程为：小流域面雨量计算，前期影响雨量计算，产流计算，流域汇流计算，河道洪水演算，下游节点处与其它小流域形成的径流过程迭加，迭加后河道洪水演算等，如图3及图4所示。

图3 径流形成概化图

根据小流域划分结果以及各元素间的水力联系，系统可自动建立流域模型，如图5所示。

图4 小流域间水力关系图

图5 流域模型结构图

2.2 模拟调度

HEB－MTDF WS的各功能模块由模拟调度引擎进行管理，模拟调度引擎接收调度任务，并按照不同的任务类型调用不同的计算模块进行计算，其工作流程如图6所示。

2.3 模型参数率定

对于有资料地区，采用历史降雨、洪水数据进行模型参数率定；对于无资料地区，根据气候、流域下垫面的条件进行参数移用。

模型参数率定通过率定工具完成，参数率定工具根据小流域及河网空间拓扑关系、历史暴雨洪水和历史实测流量水位过程，采用人机交互的方式，确定各个小流域、河段的模型参数并将参数保存于模型数据库中。

3 系统功能

HEB－MTDF WS预警预报模型包括场次降雨分析、面雨量计算、前期影响雨量计算、流域产流计算、流域汇流计算、河道洪水演进计算、水库调度计算、预警分析计算等功能。

3.1 场次降雨分析

进行洪水预报计算时，首先需要选取洪水场次。在HEB－MTDF WS中，洪水场次的界定有两种方式——洪峰流量分析法和降雨过程分析法。

图6 模拟调度引擎工作流程

（1）洪峰流量分析法。设定洪峰阈值P与降雨历时H，根据洪峰阈值和实测流量过程筛选符合条件的洪峰，获取峰现时间和洪峰流量。

（2）降雨过程分析法。设定场次降雨间隔历时SPAN和最小单站雨量R，轮询降雨数据，如果时段降雨不为0，查询距离最近场次降雨结束时间是否在SPAN历时内，若在，则认为是同一场降雨，需更新最近场次降雨结束时间；若不在，查找最近SPAN历时内是否有降雨，若有降雨，向前查找场次开始时间，若无降雨则标记新的场次，同时分析上次降雨最大单站雨量，将最大单站雨量小于R的场次删除。

3.2 面雨量计算

在HEB－MTDF WS中，采用“数字雨量模型（DRM）”的概念，通过实时收集在二维平面空间上离散分布的各种雨量站点的雨量数据，采用克里金插值方法，计算单位k m网格中点30 min时长的点雨量，再用雨量网格和小流域边界进行切割，求出小流域面积，进而求出小流域在降雨过程中的面平均雨量，用于模型计算［3］。数据处理过程如图7所示。

3.3 前期影响雨量计算

前期影响雨量的计算，从场次降雨开始时间往前推若干天，再向后逐日推算：

式中，Pa，n＋1，Pa，n分别为第n＋1天和第n天的前期影响雨量，mm；Pn为第n天的有效降雨量，mm；k为折减系数；Wm为土壤最大含水量，mm。

图7 数字雨量模型构建示意图

3.4 产流计算

流域产流采用分布式河北雨洪模型进行计算。河北雨洪模型为两水源产、汇流综合模型，该模型把天然径流分为地表径流和地下径流两种水源，当降雨强度大于下渗强度时产生地表径流，下渗部分满足土壤缺水以后产生地下径流，两者经过流域汇流成为流域出口断面的流量过程。

将小流域划分为若干网格，网格面积上的地表径流为：

式中：Rs为时段地表径流，mm；Pt为时段有效降水量，mm；Ft为时段下渗量，mm；¯fi为第i小时的下渗量，mm；f0，fc分别为初始下渗率和稳定下渗率，mm／h。

3.5 汇流计算

流域汇流采用分布式地貌单位线法进行计算。

经推导，网格面积上不同时刻的流量即其地貌分布式单位线：

式中：Qi为第i时段单位线流量；Wi为第i时段通过流域出口的水量；t为各网格到达流域出口断面的汇流时间；ni为第i时段通过流域出口的网格个数；A为单元网格面积。

3.6 河道演进计算

河道洪水演进采用动态参数的马斯京根模型：

式中，I1，I2，Q1，Q2分别为演算时段初、末时刻河段的入、出流量，m3／s；K为槽蓄系数；x为流量比重因子；Δt为演算时段，h；C0，C1，C2为演算系数，都是K，x和Δt的函数。

对于一个河段，只要确定参数K，x值及选定演算时段Δt后，C0，C1，C2即可求得，代入式（4），通过逐时段演算就能根据上站流量过程及下站起始流量计算出下站的流量过程。

因为不同河段间不仅河段特征，特别是河段比降不同，同时由于集水面积大小也不等，所以同一次洪水中各河段的K，x是不同的。另一方面，对于同一个河段，不同的降雨所形成的洪水过程，特别是洪峰流量不同，所以不同场次降雨，参数K，x也不一样。因此，采用动态参数的马斯京根模型法，可以全面考虑河段以及洪水特点对河道中洪水演进过程的影响。

3.7 水库调蓄计算

通过配置水库工程属性，读取水库实测数据，可进行水库调蓄计算。

（1）宽顶自由堰推流计算。对于没有闸门控制的水库，通过读取实测水位，根据宽顶自由堰推流公式进行计算：

式中：σ为淹没系数；ε为侧收缩系数；m为堰流流量系数；b为堰顶宽度，m；H为堰上水头，m；α为系数；v0为行进流速，m3／s；g为重力加速度。

（2）孔流推流计算。对于完全由闸门控制的水库，通过读取实测水位和闸门开启高度，根据孔流推流公式进行计算：

式中：e为闸门开启高度，m；μ为流量系数；其它符号意义同式（5）。

（3）泄量关系曲线。对于有泄量关系曲线的水库，通过对泄量关系曲线进行插值的方式进行流量计算。已知坐标点（x0，y0）和（x1，y1），当x0≤x≤x1时，则可利用线性内插法推求x对应的y值：

3.8 预警分析计算

对预报断面设置预警阈值，在洪水分析计算完成后，如果预报断面的洪峰流量超过设定的预警阈值，则生成相应的预报告警。

4 系统特点

（1）HEB－MTDF WS基于数字高程模型理论，实现了流域特征和河道特征的自动提取，建立了数字雨量模型，将点雨量转化成网格雨量，统一了不同数据源雨量的计算方法。

（2）流域产流采用分布式河北雨洪模型进行计算，符合河北省流域产流特点。

（3）采用水力学理论和DEM技术，充分考虑降雨空间分布情况和流域下垫面条件的影响，针对各小流域分析推求其分布式单位线，更好地反映了流域汇流实际情况［4］；

（4）利用河段特征和模拟洪水动态分析，实时动态计算马斯京根参数，提高了洪水预报成果的精度，同时也解决了无资料地区的预报参数确定问题。

（5）HEB－MTDF WS以水利工程（水库、河道）的上、下游连接关系为主线构建，结构清晰、科学合理。

5 结论与建议

（1）在分析研究HEC－HMS的基础上，针对HEC－H MS在实际应用中存在的问题和不足，结合河北省山洪灾害防治区流域实际情况，开发研制一套集面雨量计算、前期影响雨量分析、产流计算、流域汇流计算、河道洪水演算、预警分析为一体的，适合河北省山洪灾害预警预报工作特点的河北省山洪灾害预警预报系统（HEB－MTDF WS）。

（2）HEB－MTDF WS基于数字高程模型理论，实现了流域特征和河道特征的自动提取，流域产流采用分布式河北雨洪模型进行计算，流域汇流采用分布式单位线，河道洪水演进采用动态参数马斯京根法，更好地反映了流域产汇流实际情况，提高了洪水预警预报成果的精度。

（3）建议随着河北省山洪灾害防治工作的进展和水文资料的积累，对小流域的产汇流参数进行必要的率定和修正［5］，［6］，不断提高HEB－MTDFWS的预报成果的精度，为山洪灾害防治工作提供更为准确及时的预警信息，为河北省经济社会又好又快发展提供科技支撑。

［1］ 吴现兵，程伍群，孟霄，等.河北省中小河流防洪现状及减灾对策分析［J］.南水北调与水利科技，2014，13（4）：439－444.

［2］ Turcotte R，Fortin J P，Rousseau A N，Massicoatte S and Villeneuve J P.Deter mination of the drainage str ucture of a watershed using a digital elevation model and a digital river and lake net work［J］.J.Hydro.2001，240（3）：225－242.

［3］ 李硕，曾志远，张运生.数字地形分析技术在分布式水文模型中的应用［J］.地球科学进展，2002，17（5）：769－775.

［4］ 余新晓，赵玉涛，张志强.基于地形指数的Top model研究进展与热点跟踪［J］.北京林业大学学报，2002，24（4）：117－121.

［5］ 黄平，赵吉国.流域分布型数学模型的研究及应用前景展望［J］.水文，1997（5）：5－9.

［6］ 刘新仁.数字水文系统建设——信息时代的水文技术革新［J］.水文，2000，21（4）：5－8.