水文遥测数据分析系统在洪水预警预报中的应用——以古宜河支流林溪河程阳水位站为例

朱雪梅，吕 哲，姜 文

（柳州水文中心，广西 柳州 545000）

0 前言

柳州市河流点多面广、集水面积在50 km2以上的河流有134条，其中中小河流多达128条。柳州水文部门在其中的35条河流上建有水文（位）站52个，雨量站214个，泥沙站7个，蒸发站8个，地下水监测站17个，水质监测断面35个。水文监测站点的传感器每5 min自动采集水位、雨量、蒸发信息，自动传回中心机房自动存储在中心机房服务器数据库中，按2020年实现遥测的300多个水文监测站点统计，每年自动采集到的监测数据信息记录达3000万条以上。这些数据为柳州市水旱灾害防御、水资源配置管理、水生态环境保护提供科学的决策依据。

长期以来，点多面广，突发性强，流速快、历时短的中小河流洪水一直是柳州市防汛减灾工作的难点，特别是大部分的中小河流防洪标准低或基本没有设防，遇局地强降雨很容易造成严重的洪涝灾害。当前，柳州市辖区内共有39个中小河流站点，这些站点大多是2012年以后建立的，积累的雨洪资料年限短，洪水场次少，未能满足《水文情报预报规范》（GB/T 22482-2008）要求使用10年以上的水文资料，其中应包括大、中、小洪水各种代表性年份，并有足够代表性的场次洪水资料，湿润地区不应少于50次的洪水资料要求。为不断提高预警预报方案的精度，需要编制或每年修编预警预报方案。目前，柳州主要是采用多元回归方程式Z峰＝a×P面+b×T历+c×Z起+d×Z同+M来开展中小河流预警工作。中小河流预警方案的编制工作，需要对每个预警断面每场洪水的面降雨量、降雨历时、起涨水位、同时水位等因子进行人工统计，并且每个预警断面至少需要从历年监测数据中摘录、挑选50场以上的雨洪场次洪水相关水文数据进行统计分析，这需要耗费大量的时间和精力。

为提高工作效率，解决水文资料整编和洪水预警预报工作自动化问题，柳州水文中心自主研发了水文遥测数据分析系统。该系统研究水文监测数据智能处理技术，制定相关的算法对水文遥测数据进行自动提取、摘录、订正、筛选、压缩冗余数据、合理性分析，形成符合南方片水文资料整编系统数据结构的整编资料；自动从水文遥测数据库中统计、摘录、挑选出洪峰预报多元回归方程式Z峰＝a×P面+b×T历+c×Z起+d×Z同+M中所需的场次洪水流域面平均降雨量、降雨历时、起涨水位、同时水位等与洪峰水位（流量）敏感的因子，快速编制洪水预警预报方案，实时开展洪水预警预报分析。本文介绍水文遥测数据分析系统在预警预报方案编制、洪水预警预报分析中的具体应用。

1 流域概况

1.1 自然地理特征

程阳水位站位于三江侗族自治县林溪乡合华村合善屯，为林溪河控制站。林溪河是三江县古宜河的右岸一级支流，其发源地位于三江县林溪乡水团村北3.2 km处，流域面积427 km2，干流长51 km，平均坡降2.47‰，由北向南流经林溪乡和古宜镇，在三江县古宜镇黄排村石眼屯汇入古宜河。林溪河流域地形地貌分为土质低山和丘陵两部分，成片、成带出现，山岭连绵，高程在500～700 m之间。山地土层较厚，土质肥沃。

1.2 水文气象特征

林溪河所处区域属亚热带季风湿润气候区，具有明显的山地气候特征。气候温和，四季宜人，年平均气温16.4℃。影响流域的暴雨天气系统主要有锋面、低压、低涡、切变线等。流域内降雨量充沛，降雨量、径流量年内分配不均，多集中在5～8月，根据林溪雨量站1963年至今的资料分析，流域内多年平均降雨量为1430 mm。

1.3 站网分布

程阳水位站设立于2012年3月，原名林溪水位站，于2020年更名为程阳水位站。该站预警断面的集水面积104 km2，河长17.9 km。历史调查最高水位193.9 m（1973年）。建站以来最高洪水位193.37 m，发生在2017年7月10日，超警戒水位0.37 m。

林溪河流域内有都亮、水团、林溪、光辉、程阳5个雨量站和程阳水位站，位于程阳水位站断面以上的雨量站点有都亮、水团、林溪、程阳4个雨量站和程阳水位站，位于程阳水位站下游的有光辉雨量站。除林溪雨量站设立于1963年外，其余站点均为2012年后设立。

2 水文遥测数据分析系统在预警预报方案编制中的应用

2.1 方案编制技术路线

通过对次洪面降雨量、降雨历时、起涨水位、同时水位与洪峰水位5因子分析，建立洪水预警多元回归方程Z峰＝a×P面+b×T历+c×Z起+d×Z同+M，同时收集峰现时间，作为预报洪峰出现的依据。

（1）次洪面降雨量P面。以预警断面上游所有报汛的雨量站进行统计，采用算术平均法计算，起始降雨量以洪水水位起涨前几个时段降雨量开始计，至最大3 h降雨量止，计算次洪面降雨量。

（2）降雨历时T历。从起始降雨量至最大3 h降雨量止，统计小时雨量大于等于2 mm的时段，作为降雨历时。

（3）统计本场洪水的起涨水位Z起、洪峰水位Z峰。

（4）同时水位Z同取最大3 h降雨量止时对应的水位。

（5）峰现时间为最大3 h降雨量止的时间至洪峰水位出现时间的差值。

2.2 方案编制的具体步骤

2.2.1 配套雨量站选取

选取程阳水位站断面以上的都亮、水团、林溪、程阳4个雨量站和程阳水位站作为计算面平均降雨量的代表站，录入雨洪配套表（见表1）。

表1 程阳水位站雨洪配套表

2.2.2 洪水摘录

摘录程阳水位站2014—2020年18场洪峰水位大于190 mm、且涨幅大于0.7 m的洪水资料。比如，摘录2019年7月13日这场洪水，只需在水文遥测数据分析系统的站点设置栏选取站名程阳，先是在结束时间选2019年7月13日20时，然后在开始时间选2019年7月12日08时，在主雨时长选取3，点击洪水摘录，即可视化展示该场洪水的水位过程线，自动统计这场洪水的5个相关因子，并以电子表格的形式将成果保存在程阳文件夹里面。开始、结束时间选取的原则是能包住一场洪水的起涨和洪峰时间。主雨时长的选取可根据预警断面的集水面积来定，一般集水面积小于100 km2的建议选取1～3 h；集水面积在100～1000 km2的建议选取3～6 h。集水面积越大，选取的主雨时长应越大。水文遥测分析系统操作界面见图1。

图1 水文遥测数据分析系统操作界面

2.2.3 方案编制

摘录程阳水位站2014—2020年共18场洪峰水位大于190 mm、且涨幅大于0.7 m的洪水资料汇总在一起，利用多元回归方程编制方案，具体方法为：在表格中空白区域选定一块5行，n+1（n为自变量个数），取洪峰水位Z峰为因变量，取P面、T历、Z起、Z同为自变量，共涉4个自变量，即5个组数据，则需定义5×5区域，然后录入公式linest（C2：C19，D2：G19，TRUE，TRUE），同时按ctrl+shift+enter，即可求出线性回归方程的各参数，得到程阳水位站洪峰预报回归方程（见表2）。程阳水位站洪峰预报回归方程：Z峰＝56.1 295+0.0 177×P3+0.0 560×T2+0.7 944×Z起-0.08 761×Z同。

如果选P面、T历、Z起为自变量，则定义5×4域，然后录入公式linest（C2：C19，D2：F9，TRUE，TRUE），同时按ctrl+shift+enter，即可求出线性回归方程的各参数，得到程阳水位站预报回归方程：Z峰＝59.1 873×P3+0.0 599×T2+0.6 908×Z起。

2.2.4 方案评定

按《水文情报预报规范》（GB/T 22482-2008）要求对以上预报模型进行评定，在评定的18场洪水中，11场合格，合格率为61.1%，方案精度为丙级，可用于水情预警的发布参考性估报。程阳水位站预警方案评定成果见表2。

12 13 14 15 16 17 18 2017-09-11 2019-04-20 2019-06-06 2019-07-07 2019-07-13 2020-07-10 2020-09-11 190.55 191.02 191.18 191.7 191.44 191.96 192.17 45.4 36.5 27.1 45.1 35.1 75.9 95.1 3 3 4 3 2 5 9 189.43 189.41 189.42 190.22 190.01 189.45 189.46 190.47 189.79 189.43 191.19 190.6 190.37 191.03 1.12 1.61 1.76 1.48 1.43 2.51 2.71 190.90 190.79 190.72 191.46 191.11 191.58 192.10 0.35-0.23-0.46-0.24-0.33-0.38-0.07 0.22 0.32 0.35 0.30 0.29 0.50 0.54不合格合格不合格合格不合格合格合格2 3 3 4 2 3.5 2.5多元回归方程公式Z峰＝56.1 295+0.0 177×P3+0.0 560×T2+0.7 944×Z起-0.08 761×Z同，18场洪水，11场合格，合格率61.1%

3 水文遥测数据分析系统在洪水预警预报分析中的应用

3.1 预警预报公式的录入

经统计，程阳水位站2014—2020年18场洪水的平均峰现时间约为3 h，将程阳水位站多元回归公式各系数录入系统调用的电子表格中（见表3）。

表3 程阳水位站预警多元回归公式表

3.2 洪水预警预报应用实例

选取程阳水位站2020年7月10日洪水为例。这场洪水的降雨从7月10日01时开始，至7月10日12时基本结束。最大3 h降雨量止对应的时间是7月10日07时。开展洪水预警分析时，先在站名设置里选择程阳，开始时间选7月10日01时，结束时间选7月10日07时，主雨峰时长选3，方案选1，最后点击预警分析。系统会自动调出程阳水位站的多元回归预警公式，并自动计算这场洪水的面平均降雨量、降雨历时、起涨水位、同时水位。再点击预测洪峰水位，即可自动算出洪峰水位为191.18 m，洪峰水位出现时间为7月10日10时，超警水位值为-1.82 m。选择方案2计算，方法同上。方案2的预报洪峰水位为191.75 m，洪峰水位出现时间为7月10日10时，超警水位值为-1.25 m。

发布洪水预警时，取2个方案预报结果的均值，即191.47 m作为预警发布的水位。发布洪水预报时，依据峰现时间为3 h，即最大3 h降雨量止的时间7月10日07时到洪峰出现时间需要3 h，则洪峰出现时间为7月10日10时。这场洪水的实际洪峰水位为191.96 m，出现时间为7月10日10时30分。洪峰预报误差为0.46 m，时间预报误差为0.5 h，预报成果良好。程阳水位站2020年7月10日洪水预报成果图见图2。

图2 程阳水位站2020年7月10日洪水预报成果图

4 结语

采用水文遥测数据分析系统，不仅提高了柳州市水文资料整编和洪水预警预报自动化水平，而且有效延长了水情服务的预见期，可将该成果推广应用到广西其他同类地区，为同类地区相关工作提供参考。