百色市中小河流水文（位）站水情預(yù)測(cè)系統(tǒng)概述

梁顯俊

（百色水文中心，廣西 百色 533000）

百色市境內(nèi)山岳連綿，河流密布。眾多河流源出高山峽谷，河床深切，灘多水急，落差大。汛期常出現(xiàn)強(qiáng)降雨過程，致使中小流河流暴發(fā)災(zāi)害性洪水，山溪性洪水陡漲陡落，產(chǎn)流快，匯流時(shí)間短。為了能在百色市境內(nèi)中小河流出現(xiàn)陡漲洪水時(shí)能迅速地準(zhǔn)確做出全市72個(gè)中小河流水文（位）站水情預(yù)測(cè)，開發(fā)本系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)思路

（1）整個(gè)系統(tǒng)是基于水情網(wǎng)絡(luò)來開發(fā)，從百色水情分中心的實(shí)時(shí)雨水情庫讀取各報(bào)汛站雨水情數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程從自治區(qū)水情中心提取未來7 d降雨數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，利用實(shí)時(shí)和預(yù)報(bào)的降雨數(shù)據(jù)、各水文（位）站二元回歸預(yù)報(bào)模型進(jìn)行分析計(jì)算，預(yù)測(cè)出各個(gè)預(yù)報(bào)斷面的洪峰水位（流量）。

（2）由于中小河流水文（位）站斷面集水流域面積較小，計(jì)算各時(shí)段面降雨量時(shí)，為了能快速計(jì)算，直接將參加計(jì)算的有關(guān)雨量站雨量，采用算術(shù)平均法計(jì)算面降雨量。

（3）本系統(tǒng)將站點(diǎn)位置處在流域邊界線上或界線內(nèi)的雨量站稱為流域內(nèi)雨量站；一個(gè)流域邊界線有經(jīng)度、緯度范圍即有最小、最大經(jīng)（緯）度值，如果一個(gè)雨量站不是流域內(nèi)雨量站，但其經(jīng)緯度，處在流域經(jīng)度、緯度范圍內(nèi)，稱這個(gè)雨量站為流域鄰近雨量站。在計(jì)算各時(shí)段流域面雨量時(shí)，可以根據(jù)收集到的流域內(nèi)雨量站和鄰近雨量站遙測(cè)雨量數(shù)據(jù)可靠情況，實(shí)時(shí)選定可靠的流域內(nèi)或鄰近的雨量站參加面雨量計(jì)算，不能一成不變地規(guī)定參加面雨量計(jì)算的雨量站點(diǎn)，避免將出現(xiàn)故障、遙測(cè)數(shù)據(jù)不全或錯(cuò)誤的雨量站參加計(jì)算而造成計(jì)算得到的時(shí)段面雨量數(shù)值存在錯(cuò)誤，偏差大。

（4）自治區(qū)水情中心雨量數(shù)值預(yù)報(bào)庫中存放有20 km×20 km網(wǎng)格降雨量預(yù)報(bào)值，在Mapinfo地理信息系統(tǒng)中將各水文（位）站流域邊界線疊加在降雨量預(yù)報(bào)20 km×20 km網(wǎng)格圖上，然后分析出各水文（位）站所騎跨在的所有網(wǎng)格，從雨量數(shù)值預(yù)報(bào)庫中讀取這些網(wǎng)絡(luò)降雨量預(yù)報(bào)值，經(jīng)分析處理，即可得到各水文（位）站未來幾天的流域面降雨量預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）在Visual Basic6.0（簡(jiǎn)稱VB6）中引用ADO對(duì)象的ADODB類型庫，創(chuàng)建ADO對(duì)象實(shí)例，并通過無ODBC DSN連接到以SQL Server形式建立的實(shí)時(shí)雨水情庫、本系統(tǒng)預(yù)報(bào)庫、自治區(qū)水情中心雨量數(shù)值預(yù)報(bào)庫和中國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)庫，從這4個(gè)數(shù)據(jù)庫提取和保存有關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）近幾年來，我中心強(qiáng)化水情預(yù)測(cè)方案編制工作，不僅基于中國洪水預(yù)報(bào)平臺(tái)，利用三水源蓄滿產(chǎn)流、滯后演算匯流模型構(gòu)建了中小河流各水文（位）站洪水預(yù)報(bào)方案，而且為了便于預(yù)報(bào)模型計(jì)算機(jī)化，開發(fā)了多元回歸預(yù)報(bào)模型建模軟件，利用該軟件可以快速地建立了各水文（位）站二元一次回歸預(yù)報(bào)模型，采用起漲水位Z起或起漲流量Q峰、流域有效面平均降雨量P，和預(yù)報(bào)對(duì)象即洪峰水位Z峰或洪峰流量Q峰建立二元一次回歸預(yù)報(bào)模型，表達(dá)公式：Z峰＝a0+a1Z起+a2P，Q峰＝a0+a1Q峰+a2P，式中a0、a1、a2分別為常量項(xiàng)、起漲項(xiàng)、雨量項(xiàng)的回歸系數(shù)。分析計(jì)算得到的各水文（位）站回歸系數(shù)統(tǒng)一存儲(chǔ)在本系統(tǒng)預(yù)報(bào)庫的二元一次回歸預(yù)報(bào)模型回歸系數(shù)表中[1]。

（3）為了能判定哪個(gè)雨量站是各水文（位）站的流域內(nèi)雨量站和流域鄰近雨量站，利用Mapinfo地理信息系統(tǒng)準(zhǔn)確勾繪出各水文（位）站的流域界線，讀取各水文（位）站流域界線的最小、最大經(jīng)（緯）度值并統(tǒng)一存儲(chǔ)在本系統(tǒng)預(yù)報(bào)庫的預(yù)報(bào)斷面基本屬性表中。一個(gè)水文（位）站往往會(huì)騎跨在多個(gè)降雨量預(yù)報(bào)20 km×20 km網(wǎng)格上，在Mapinfo地理信息系統(tǒng)中將各水文（位）站流域所騎跨的所有網(wǎng)格代碼、流域在各個(gè)網(wǎng)格實(shí)際面積及其占整個(gè)面積的權(quán)重，記錄下來并存儲(chǔ)在單元流域預(yù)報(bào)雨量網(wǎng)格權(quán)重表中。在流域預(yù)報(bào)面雨量計(jì)算時(shí)，根據(jù)各水文（位）站流域所騎跨網(wǎng)絡(luò)代碼、在各個(gè)網(wǎng)格的面積權(quán)重，從雨量數(shù)值預(yù)報(bào)庫中讀取各網(wǎng)格雨量預(yù)報(bào)數(shù)值，乘以相應(yīng)面積權(quán)重，最后累計(jì)得到該水文（位）站流域真實(shí)的雨量預(yù)報(bào)值。

3 系統(tǒng)開發(fā)

本系統(tǒng)基于Windows操作系統(tǒng)，以SQL server 2000或其更高版本為數(shù)據(jù)庫操作平臺(tái)，采用VB6開發(fā)完成，相關(guān)數(shù)據(jù)庫包括實(shí)時(shí)雨水情庫、本系統(tǒng)預(yù)報(bào)庫、自治區(qū)水情中心雨量數(shù)值預(yù)報(bào)庫和中國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)庫。

實(shí)時(shí)雨水情庫是以水利部頒布的庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符為標(biāo)準(zhǔn)建立的數(shù)據(jù)庫，用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)[2]。

本系統(tǒng)預(yù)報(bào)庫是系統(tǒng)運(yùn)行最關(guān)鍵的主要支撐數(shù)據(jù)庫，主要用于存儲(chǔ)預(yù)報(bào)模型的有關(guān)參數(shù)值、各預(yù)報(bào)流域面平均雨量、預(yù)測(cè)計(jì)算成果，建立有二元一次回歸預(yù)報(bào)模型回歸系數(shù)表、單元流域預(yù)報(bào)雨量網(wǎng)格權(quán)重表、預(yù)報(bào)斷面基本屬性表等[3]。

自治區(qū)水情中心雨量數(shù)值預(yù)報(bào)庫中F_RN?FL_M表存有中央氣象局、氣象局人工、日本、歐洲等氣象預(yù)報(bào)中心預(yù)報(bào)的未來7 d的雨量預(yù)報(bào)數(shù)值[4]。

中國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)庫是安裝在本機(jī)的中國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)所建立的水情預(yù)報(bào)庫。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)相關(guān)主菜單欄中有3個(gè)主菜單：連接、自動(dòng)監(jiān)控、預(yù)測(cè)。打開軟件后，必須先進(jìn)行數(shù)據(jù)庫連接，其次進(jìn)行流域面的實(shí)時(shí)雨量和預(yù)報(bào)雨量統(tǒng)計(jì)，然后才能進(jìn)行洪峰水位或流量的預(yù)測(cè)計(jì)算。

4.1 連接

“連接”主菜單下有4個(gè)相關(guān)的子菜單：實(shí)時(shí)水情庫、自定預(yù)報(bào)庫、雨量數(shù)值預(yù)報(bào)庫和短信設(shè)備。其中前面3個(gè)子菜單是有關(guān)數(shù)據(jù)庫連接。

（1）連接數(shù)據(jù)庫。分別單擊前面3個(gè)子菜單，在各個(gè)窗口進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫連接，當(dāng)連接成功后各個(gè)數(shù)據(jù)庫連接窗自動(dòng)關(guān)閉，否則提示連接錯(cuò)誤。以連接實(shí)時(shí)水情庫為例，在連接實(shí)時(shí)庫窗口中，要設(shè)置服務(wù)器IP、數(shù)據(jù)庫、用戶、口令。這些參數(shù)都是在安裝實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫和配置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器時(shí)確定的，設(shè)置完成后，點(diǎn)擊“連接”按鈕，如果設(shè)置正確，連接成功，窗口自動(dòng)關(guān)閉。其它數(shù)據(jù)庫的連接窗口操作與此類似。

（2）連接短信設(shè)備。在進(jìn)行各水文（位）站水情超警自動(dòng)監(jiān)控時(shí)，如果需要啟用短信提醒功能，要進(jìn)行短信設(shè)備連接。在短信設(shè)備連接窗口中，要設(shè)置短信設(shè)備連接的串口號(hào)、波特率、所用手機(jī)卡的短信中心號(hào)碼，選擇是否自動(dòng)發(fā)送以及發(fā)送間隔時(shí)間。這些參數(shù)，如果第一設(shè)置后，第二次再啟動(dòng)連接，本窗口自動(dòng)給出上一次設(shè)置值。點(diǎn)擊“連接”按鈕，如果連接成功，“連接”按鈕變?yōu)椤皵嚅_”。同時(shí)注意連擇所要接收短信人員，在要接收人員名字前打勾。

4.2 有關(guān)選擇與設(shè)定

在流域?qū)崟r(shí)面雨量計(jì)算、流域預(yù)報(bào)面雨量計(jì)算、二元一次回歸法預(yù)測(cè)、雨前預(yù)測(cè)、江河預(yù)測(cè)自動(dòng)監(jiān)控時(shí)，在窗口的最左邊方框里，其上部為報(bào)汛等級(jí)選擇框，根據(jù)需要，對(duì)所需要查詢的報(bào)汛等級(jí)站類前打“√”；其下部為縣（區(qū)）行政區(qū)域選擇框，根據(jù)需要，對(duì)所需要查詢的縣（區(qū)）行政區(qū)域前打“√”。并設(shè)定有關(guān)查詢?yōu)g覽、統(tǒng)計(jì)的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。

4.3 預(yù)測(cè)

“預(yù)測(cè)”主菜單下相關(guān)有4個(gè)子菜單：流域?qū)崟r(shí)面雨量計(jì)算、流域預(yù)報(bào)面雨量計(jì)算、二元一次回歸法預(yù)測(cè)、雨前預(yù)測(cè)。在進(jìn)行二元一次回歸法預(yù)測(cè)前，必須先進(jìn)行流域?qū)崟r(shí)面雨量計(jì)算，如果在預(yù)測(cè)作業(yè)時(shí)不僅利用實(shí)時(shí)雨量，而且還想加入預(yù)報(bào)的未來雨量進(jìn)行計(jì)算，要先進(jìn)行流域預(yù)報(bào)面雨量計(jì)算；在雨前預(yù)測(cè)作業(yè)前，必須先進(jìn)行流域預(yù)報(bào)面雨量計(jì)算。

4.3.1 流域?qū)崟r(shí)面雨量計(jì)算

在流域?qū)崟r(shí)面雨量計(jì)算窗口中，首先要選擇點(diǎn)擊某個(gè)水文（位）站名，預(yù)報(bào)斷面框內(nèi)顯示出該水文（位）站名。窗口中間待選雨量站方框內(nèi)列出未選用的流域內(nèi)、鄰近雨量站，選用雨量站方框內(nèi)列出已選用的流域內(nèi)、鄰近雨量站。如果要將待選雨量站方框內(nèi)的某個(gè)雨量站改為選用雨量站，點(diǎn)擊該雨量站，使站名前小方框內(nèi)呈現(xiàn)打“√”，點(diǎn)擊“→”按鈕，所選的雨量站名從待選雨量站方框內(nèi)移到選用雨量站方框內(nèi)。如果要將選用雨量站方框內(nèi)的某個(gè)雨量站改為待選雨量站，以此類推進(jìn)行。系統(tǒng)有記憶功能，自動(dòng)記憶上一次所選用的雨量站，一般選定好后的，較少變動(dòng)。

窗口右邊以表格形式，逐時(shí)列出過去10 d內(nèi)選用參與面雨量計(jì)算的各雨量站雨量、總雨量和流域面平均雨量。同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)定好開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，點(diǎn)擊“統(tǒng)計(jì)”按鈕，統(tǒng)計(jì)該站從開始到結(jié)束時(shí)間段內(nèi)總的面雨量。

點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，可以再次刷新列表計(jì)算；點(diǎn)擊“保存”按鈕，將右邊表格內(nèi)該站逐時(shí)面平均雨量進(jìn)行保存，以待下步預(yù)測(cè)計(jì)算調(diào)用；點(diǎn)擊“導(dǎo)入Ex?cel”按鈕，將右邊表格內(nèi)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel電子表格簿內(nèi)。其計(jì)算窗口界面如圖1所示。

圖1 流域?qū)崟r(shí)面雨量計(jì)算窗口界面

4.3.2 流域預(yù)報(bào)面雨量計(jì)算

在流域預(yù)報(bào)面雨量計(jì)算窗口中，首先要選擇點(diǎn)擊某個(gè)水文（位）站名，預(yù)報(bào)斷面框內(nèi)顯示出該水文（位）站名，窗口右邊以4個(gè)表格形式分別列出中央氣象局、日本、氣象局人工、歐洲等氣象預(yù)報(bào)中心對(duì)該站流域預(yù)報(bào)的未來7 d逐時(shí)面雨量預(yù)報(bào)數(shù)值。

在窗口中間，可以根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)定好開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，點(diǎn)擊“統(tǒng)計(jì)”按鈕，分別統(tǒng)計(jì)列出從開始到結(jié)束時(shí)間段內(nèi)中央氣象局、日本、氣象局人工、歐洲等氣象預(yù)報(bào)中心針對(duì)該站流域預(yù)報(bào)的面雨量總值。

在窗口中間，可以選定好要保存的雨量預(yù)報(bào)數(shù)值的來源，即分別在中央氣象局、日本、氣象局人工、歐洲等氣象預(yù)報(bào)中心名稱前面小方框內(nèi)點(diǎn)擊，呈現(xiàn)打“√”為保存該氣象預(yù)報(bào)中心的雨量預(yù)報(bào)數(shù)值，反之空白為不保存。點(diǎn)擊“保存”按鈕，根據(jù)實(shí)際選定的保存來源，將所選定的氣象預(yù)報(bào)中心相應(yīng)的右邊表格內(nèi)所列的該站流域逐時(shí)雨量預(yù)報(bào)數(shù)值進(jìn)行保存，以待下步預(yù)測(cè)計(jì)算調(diào)用；點(diǎn)擊“導(dǎo)入Ex?cel”按鈕，將右邊4個(gè)表格內(nèi)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel電子表格簿內(nèi)。其計(jì)算窗口界面如圖2所示。

圖2 流域預(yù)報(bào)面雨量計(jì)算窗口界面

4.3.3 二元一次回歸法預(yù)測(cè)

在二元一次回歸法預(yù)測(cè)計(jì)算窗口中，點(diǎn)擊某個(gè)水文（位）站名，預(yù)報(bào)斷面框內(nèi)顯示出該水文（位）站名。在采用二元一次回歸法進(jìn)行該站水情預(yù)測(cè)計(jì)算之前，須先在流域?qū)崟r(shí)面雨量計(jì)算窗口中，完成該站流域?qū)崟r(shí)面雨量計(jì)算并保存，為預(yù)測(cè)計(jì)算提供相應(yīng)的面雨量數(shù)據(jù)。如果所選擇的水文（位）站預(yù)報(bào)斷面沒有建立有實(shí)際的二元一次回歸預(yù)測(cè)方案，可以選擇水文特性相似的某個(gè)預(yù)報(bào)斷面的二元一次回歸預(yù)測(cè)方案進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果是按面積倍比法推求的洪峰流量。計(jì)算有關(guān)結(jié)果分別在右邊上半部的5個(gè)頁卡列出，從左到右分別是“面雨量數(shù)據(jù)表”“面雨量過程圖”“水情數(shù)據(jù)表”“水情過程圖”“預(yù)測(cè)成果表”。其計(jì)算窗口界面如圖3所示。

圖3 二元一次回歸法預(yù)測(cè)計(jì)算窗口界面

4.3.4 江河水情雨前預(yù)測(cè)

每次強(qiáng)降雨出現(xiàn)前，百色市及各縣（區(qū)、市）應(yīng)急管理局會(huì)組織各防汛成員單位召開防御強(qiáng)降雨會(huì)議，在會(huì)議上往往要求水文部門匯報(bào)針對(duì)這場(chǎng)強(qiáng)降雨轄區(qū)內(nèi)各河流的水情預(yù)測(cè)情況?；谏鲜鲂枰_發(fā)了本系統(tǒng)的江河水情雨前預(yù)測(cè)模塊。在江河水情雨前預(yù)測(cè)計(jì)算窗口中，右邊有5個(gè)頁卡。設(shè)定開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，點(diǎn)擊某個(gè)水文（位）站名，第1個(gè)頁卡的上部列出設(shè)定時(shí)間段內(nèi)的逐時(shí)水情表、下部繪制出設(shè)定時(shí)間段內(nèi)水情過程線。設(shè)定預(yù)測(cè)采用的預(yù)報(bào)雨量開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間，點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，系統(tǒng)首先會(huì)根據(jù)設(shè)定的時(shí)間段，分別統(tǒng)計(jì)出中央氣象局、氣象局人工、日本、歐洲等氣象預(yù)報(bào)中心對(duì)選定行政區(qū)域內(nèi)各水文（位）站流域預(yù)報(bào)的總面雨量，然后利用二元一次回歸法，根據(jù)當(dāng)前水位、預(yù)報(bào)雨量，計(jì)算預(yù)測(cè)出各水文（位）站預(yù)見期內(nèi)可能出現(xiàn)的洪峰水位值，最后分別在第2～5頁卡內(nèi)以表格形式，依次列出利用以上各氣象預(yù)報(bào)中心的預(yù)報(bào)面雨量預(yù)測(cè)得到結(jié)果。其計(jì)算窗口界面如圖4所示。

圖4 江河水情雨前預(yù)測(cè)計(jì)算窗口界面

4.4 江河水情自動(dòng)預(yù)測(cè)監(jiān)控

“自動(dòng)監(jiān)控”主菜單下有1個(gè)相關(guān)的子菜單：江河預(yù)測(cè)。點(diǎn)擊該子菜單，彈出江河水情自動(dòng)預(yù)測(cè)監(jiān)控窗口，在窗口中有2個(gè)頁卡。點(diǎn)擊某個(gè)水文（位）站名，右邊第1個(gè)頁卡的上部列出設(shè)定時(shí)間段內(nèi)的逐時(shí)水情表、下部繪制出設(shè)定時(shí)間段內(nèi)水情過程線。點(diǎn)擊“監(jiān)視”按鈕，系統(tǒng)按設(shè)定的時(shí)間間隔，不斷滾動(dòng)地從實(shí)時(shí)雨水情庫中讀取各水文（位）站當(dāng)前水位或流量，讀取在流域?qū)崟r(shí)面雨量計(jì)算窗口中選定參加流域面雨量計(jì)算的雨量站雨量，然后利用二元一次回歸法，計(jì)算出一定預(yù)見期內(nèi)各水文（位）站可能出現(xiàn)的最高水位預(yù)測(cè)值，結(jié)果以表格形式在右邊第2個(gè)頁卡顯示。在自動(dòng)預(yù)測(cè)監(jiān)控過程中，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)水文（位）站預(yù)測(cè)期內(nèi)最高水位預(yù)測(cè)值超過警戒值，立即以播放語音形式進(jìn)行提示，如果連接了短信設(shè)備，還會(huì)以手機(jī)短信及時(shí)發(fā)送到相關(guān)人員手機(jī)上。江河水情自動(dòng)預(yù)測(cè)監(jiān)控窗口界面如圖5所示。

圖5 江河水情自動(dòng)預(yù)測(cè)監(jiān)控窗口界面

5 結(jié)語

以前，針對(duì)百色市的14個(gè)國家基本水文（位）站斷面開發(fā)了百色市中小河流洪水預(yù)測(cè)預(yù)估系統(tǒng)，在廣西中小河流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)后，百色市新建了58個(gè)水文（位）站，水情預(yù)報(bào)斷面增加到72個(gè)，其中以集水面積小的斷面居多。根據(jù)水情預(yù)測(cè)工作新形勢(shì)、新特點(diǎn)、新要求，重新開發(fā)本系統(tǒng)。

致謝：在開發(fā)過程中，百色水文中心農(nóng)日忠同志重新核繪所有涉及的水文（位）站流域界線、水情科同志編制了各水文（位）站多元回歸法預(yù)報(bào)方案，在此表示衷心感謝！