河南省山丘区小流域洪水预报系统研究及应用_陈会峰
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（ 3） 预报结果可视化显示阶段。系统提供了对模型计算结 果的多种可视化表现方式，包括基于 GIS 的图上显示、图表显 示、报表显示等。同时，系统也提供了对以往预报结果的查询， 提供了对流域 / 河段基本信息和特征参数的查询，提供了对模 型计算参数的率定功能。
2． 2 系统结构
该系统采用 3 层架构，分别为数据层、服务层和应用层。 数据层为系统提供数据支撑； 服务层为系统提供计算模型和空 间地理信息服务； 应用层是系统展现层，提供用户数据计算、分 析、查询等功能。系统结构见图 2。
（ 2） 模型计算阶段。主要计算模型是数字雨量模型和分布 式水文模型。主要数 据 为 来 自 于 自 动 监 测 体 系 的 雨 量 信 息。 通过数字雨量模型的计算，来自测站的雨量信息被转化为各小
图 3 洪水预报系统功能模块的划分
3． 1 数据预处理模块
该模块由小流域划分、单位线生成、马斯京根参数生成 3 个子模块组成，主要功能是在模型系统开始运行之前，从 DEM
CHEN Hui-feng
( Henan Province Water Conservancy Information Center，Zhengzhou 450003，China)
Abstract: The method of flood forecasting at small watershed in mountainous areas is analyzed by using digital elevation model，distributed hydrological forecasting model，DEM and computer simulation． This paper solves flood forecasting problem of the mountainous areas in the small watershed without data by applying the unit line and flood routing model parameter estimation method to simulate the flood process; advanced distributed interactive simulation technology is used to build the flood process calculation model，which could realize continuous real time deduction and ensure the flood forecasting timeliness by high speed and stable calculation． Based on the DEM data，this paper determines the scope of the division and unit line at small watershed within the scope of administrative divisions at the provincial level，which breaks through the large scale digital watershed construction technology． The system has comprehensively integrated the various application modes of real-time flood forecasting，section alarm， rainfall simulation，reservoir operation and etc． ． Practical application results show that this system plays an important role in the prevention of rainstorm and flood disasters in the western mountains in Henan Province in 2000，2001 and 2012，which achieves remarkable economic，social and ecological benefits． Key words: hydrological model; storm flood; flood forecasting; small watershed; Henan Province
系统查询界面采用 B / S 模式，模型计算采用后台服务模式， 预报模型的运行采用连续预报计算方式，每 30 min 计算一次。
流域内的面雨量。结合数据预处理阶段得出的流域、河段特征 参数，分布式水文模型模块经过产汇流计算，推求出口断面的 水位流量过程线［5］。
同时，模型计算所需的降雨数据还可以是由用户输入的预 估降雨数据，即在一定时段范围内，某个地域范围内（ 如行政区 划或小流域或某个预报断面上游流域） 的平均降雨量。
经过多年努力，全国大江大河治理取得明显成效，干流防 洪能力明显增强，但是山丘区中小河流洪水灾害防治工作明显 滞后。近年来有关山丘区中小河流洪水灾害的研究虽然逐渐 深入，各种新技术也得到了广泛应用，但仍然缺乏实用的预报 预警技术，不能做出实时、准确的洪水预报，没有形成完整、成 熟的防御体系［11］。
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3． 4 模型运行配置管理模块
该模块的功能是对模型运行所需的参数进行配置管理，主 要包括模型参数设置、模型参数率定、断面阈值设定 3 个 子 模块。
我国山丘区面积约占国土面积的 67% ，人口占全国总人口 的 56% 。复杂的地形条件、暴雨多发的气候特征形成了多种类 型的山洪灾害，尤以强降雨引发的山洪、泥石流、滑坡等灾害最 为频繁，危害最为严重。据不完全统计，目前山洪灾害造成的 财产损失年均在 400 亿元以上。在全球气候变化的背景下，随 着我国山丘区经济社会的发展、人口的不断增长，我国极端天 气气候事件发生的频率、强度和区域分布变得更加复杂和难以 把握。
中图分类号： TV121
文献标志码： A
doi： 10． 3969 / j． issn． 1000-1379． 2013． 07． 008
Ｒesearch and Application of Flood Forecasting System at Small Watershed in Mountainous Areas of Henan Province
3． 2 预估降雨处理模块
该模块主要给用户提供在特定时间段、地域范围内输入降 雨量的人机交互界面，并将用户输入的预估降雨值存入数据库 中，同时生成必要的模型计算任务，以待模型调度引擎调度计 算模型，对预估降雨产生的洪水进行模拟计算。
3． 3 计算模型模块
该模块是洪水预报系统的核心模块，主要功能是利用面雨 量数据、小流域单位线数据进行不间断的实时演算，以固定的 时间间隔产生预报断面的水位流量过程数据。该模块由前雨 模型、降雨模型、产流模型、汇流模型、河道演进模型、水库调蓄 模型、流量转水位模型等 7 个子模块组成。
分、小流域单位线的确定，是大尺度数字流域构建技术的突破; 系统对实时洪水预报、断面告警、预估降雨模拟、水库调度
等多种应用模式进行了综合集成。实际应用结果表明，该系统在豫西山区 2000 年、2011 年、2012 年暴雨洪水灾害防御
中发挥了重要作用，取得了显著的经济社会和生态效益。
关 键 词： 水文模型; 暴雨洪水; 洪水预报; 小流域; 河南省
图 1 洪水预报系统工作流程
（ 1） 数据预处理阶段。以覆盖全流域的整体模型为基础， 处理大量的流域信息，形成数字流域。首先，从大比例尺 DEM 对预报区域进行小流域划分，并提取相关的河段特征（ 如河段 长度、比降等） 、子流域特征（ 如面积、坡度、形状系数、最大汇流 路径长、比降等） 。然后，在划分小流域、确定河道特征的基础 上，结合土壤、植被资料，形成小流域单位线、马斯京根参数等 模型计算需要的参数［4］。
1 系统功能设计
依托实时雨水情数据库提供的降雨数据及模拟计算数据 库所提供的各类数据和参数，利用模型调度引擎，对各个计算 模型进行调度，实现对预警断面洪水过程的实时预报。同时， 将计算出的断面水位过程预报结果和断面告警水位进行比较， 若超出告警水 位，则 根 据 用 户 设 定 的 告 警 人 员 列 表 进 行 短 信 告警。
预报方法进行了分析研究。把无资料小流域单位线、无资料河段洪水演算模型参数估算方法用于洪水过程模拟，解决了
山丘地区无资料小流域的洪水预报问题; 采用先进的分布式交互仿真计算技术构建洪水过程计算模型，实现了连续、实
时推演，通过高速、稳定的计算保证了洪水预报的时效性; 以 DEM 数据为基础，实现了省级行政区划范围内的小流域划
第 35 卷第 7 期 2013 年 7 月
【防洪·治河】
人民黄河 YELLOW ＲIVEＲ
Vol ． 35 ，No ． 7 Jul． ，2013
河南省山丘区小流域洪水预报系统研究及应用
陈会峰
（ 河南省水利信息中心，河南 郑州 450003）
摘 要： 采用数字高程模型、分布式水文预报模型、DEM 技术、计算机仿真计算等信息技术，对河南省山丘区小流域洪水
构建洪水预报系统。利用 1∶ 50 000 DEM 和 DLG（ 数字划线 地图） 数据，将研究流域划分为 5 级，并建立相应级别的流域图 层［2］。采用分布式水文模型对每个小流域出口以及山丘区任意 河道断面（ 预警断面，根据用户需要设置） 进行洪水预报，并考虑 上游影响和水库对径流的调蓄作用［3］。通过对相关水文站历史 洪水的模拟计算确定模型参数，系统设有供用户修改模型参数 的界面，流域面积 50 km2 以上的河流有专门预报模型。
2 系统工作流程与结构
2． 1 工作流程
系统的工作过程可以分为数Байду номын сангаас预处理、模型计算、预报结 果可视化显示 3 个部分，洪水预报系统的工作流程见图 1。
图 2 系统结构
3 系统功能模块划分
洪水预报系统分为数据预处理、计算模型、模型运行配置 管理、模型调度引擎、预报信息等可视化显示顶层模块，每个顶 层模块包含若干个二级模块。系统的模块划分见图 3。
收稿日期： 2013 04 26 基金项目： 河南省水利科技攻关项目( GG201218) 。 作者简介： 陈会峰( 1964—) ，男，河南临颍人，高级工程师，主要从事水利水电 工程规划设计和水利信息化管理工作。 E-mail： chf@ 139． com
人 民 黄 河 2013 年第 7 期
道，无法开展河道洪水的分析与计算。因此，研究山丘区中小 流域洪水预报系统，最大限度地减少暴雨洪水灾害损失，就显 得尤为重要和迫切。
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人 民 黄 河 2013 年第 7 期
数据、土壤植被数据等基础数据当中提取模型运行所需的小流 域划分、小流域特征参数、数字水网、河道特征参数等数据。
在地形地貌、土壤植被类型不发生大的改变的前提下，这 些数据可以看作小流域的固有属性，所以在较长的时期内数据 预处理模块可以只运行一次。在模型运行过程中，可以通过模 型参数率定的方法来调整相关参数。
河南地处中 原，跨 江、淮、黄、海 四 大 流 域，山 丘 区 面 积 为 7． 82万 km2 ，人口 2 500 多万，地理位置和气候条件特殊，山洪 灾害危及 13 个市 79 个县（ 市、区） 885 个乡镇，是全国山洪灾害 发生最为频繁、灾害最为严重的省份之一。据统计，全省山洪 灾害年均受灾面积为 105． 2 万 hm2 ，成灾面积为 79． 4 万 hm2 ， 受灾人口 48． 5 万，年均损失 4． 12 亿元。山洪灾害已成为制约 河南省山丘区经济社会发展、人民脱贫致富和生态环境改善的 突出问题，但是受经济与技术条件限制，山丘区小流域防洪标 准普遍较低，暴雨洪水预报手段缺乏，远不能满足防御中小流 域暴雨洪水和 山 洪 灾 害 的 需 要，在 无 控 制 水 文 断 面 的 山 区 河
2． 2 系统结构
该系统采用 3 层架构，分别为数据层、服务层和应用层。 数据层为系统提供数据支撑； 服务层为系统提供计算模型和空 间地理信息服务； 应用层是系统展现层，提供用户数据计算、分 析、查询等功能。系统结构见图 2。
（ 2） 模型计算阶段。主要计算模型是数字雨量模型和分布 式水文模型。主要数 据 为 来 自 于 自 动 监 测 体 系 的 雨 量 信 息。 通过数字雨量模型的计算，来自测站的雨量信息被转化为各小
图 3 洪水预报系统功能模块的划分
3． 1 数据预处理模块
该模块由小流域划分、单位线生成、马斯京根参数生成 3 个子模块组成，主要功能是在模型系统开始运行之前，从 DEM
CHEN Hui-feng
( Henan Province Water Conservancy Information Center，Zhengzhou 450003，China)
Abstract: The method of flood forecasting at small watershed in mountainous areas is analyzed by using digital elevation model，distributed hydrological forecasting model，DEM and computer simulation． This paper solves flood forecasting problem of the mountainous areas in the small watershed without data by applying the unit line and flood routing model parameter estimation method to simulate the flood process; advanced distributed interactive simulation technology is used to build the flood process calculation model，which could realize continuous real time deduction and ensure the flood forecasting timeliness by high speed and stable calculation． Based on the DEM data，this paper determines the scope of the division and unit line at small watershed within the scope of administrative divisions at the provincial level，which breaks through the large scale digital watershed construction technology． The system has comprehensively integrated the various application modes of real-time flood forecasting，section alarm， rainfall simulation，reservoir operation and etc． ． Practical application results show that this system plays an important role in the prevention of rainstorm and flood disasters in the western mountains in Henan Province in 2000，2001 and 2012，which achieves remarkable economic，social and ecological benefits． Key words: hydrological model; storm flood; flood forecasting; small watershed; Henan Province
系统查询界面采用 B / S 模式，模型计算采用后台服务模式， 预报模型的运行采用连续预报计算方式，每 30 min 计算一次。
流域内的面雨量。结合数据预处理阶段得出的流域、河段特征 参数，分布式水文模型模块经过产汇流计算，推求出口断面的 水位流量过程线［5］。
同时，模型计算所需的降雨数据还可以是由用户输入的预 估降雨数据，即在一定时段范围内，某个地域范围内（ 如行政区 划或小流域或某个预报断面上游流域） 的平均降雨量。
经过多年努力，全国大江大河治理取得明显成效，干流防 洪能力明显增强，但是山丘区中小河流洪水灾害防治工作明显 滞后。近年来有关山丘区中小河流洪水灾害的研究虽然逐渐 深入，各种新技术也得到了广泛应用，但仍然缺乏实用的预报 预警技术，不能做出实时、准确的洪水预报，没有形成完整、成 熟的防御体系［11］。
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3． 4 模型运行配置管理模块
该模块的功能是对模型运行所需的参数进行配置管理，主 要包括模型参数设置、模型参数率定、断面阈值设定 3 个 子 模块。
我国山丘区面积约占国土面积的 67% ，人口占全国总人口 的 56% 。复杂的地形条件、暴雨多发的气候特征形成了多种类 型的山洪灾害，尤以强降雨引发的山洪、泥石流、滑坡等灾害最 为频繁，危害最为严重。据不完全统计，目前山洪灾害造成的 财产损失年均在 400 亿元以上。在全球气候变化的背景下，随 着我国山丘区经济社会的发展、人口的不断增长，我国极端天 气气候事件发生的频率、强度和区域分布变得更加复杂和难以 把握。
中图分类号： TV121
文献标志码： A
doi： 10． 3969 / j． issn． 1000-1379． 2013． 07． 008
Ｒesearch and Application of Flood Forecasting System at Small Watershed in Mountainous Areas of Henan Province
3． 2 预估降雨处理模块
该模块主要给用户提供在特定时间段、地域范围内输入降 雨量的人机交互界面，并将用户输入的预估降雨值存入数据库 中，同时生成必要的模型计算任务，以待模型调度引擎调度计 算模型，对预估降雨产生的洪水进行模拟计算。
3． 3 计算模型模块
该模块是洪水预报系统的核心模块，主要功能是利用面雨 量数据、小流域单位线数据进行不间断的实时演算，以固定的 时间间隔产生预报断面的水位流量过程数据。该模块由前雨 模型、降雨模型、产流模型、汇流模型、河道演进模型、水库调蓄 模型、流量转水位模型等 7 个子模块组成。
分、小流域单位线的确定，是大尺度数字流域构建技术的突破; 系统对实时洪水预报、断面告警、预估降雨模拟、水库调度
等多种应用模式进行了综合集成。实际应用结果表明，该系统在豫西山区 2000 年、2011 年、2012 年暴雨洪水灾害防御
中发挥了重要作用，取得了显著的经济社会和生态效益。
关 键 词： 水文模型; 暴雨洪水; 洪水预报; 小流域; 河南省
图 1 洪水预报系统工作流程
（ 1） 数据预处理阶段。以覆盖全流域的整体模型为基础， 处理大量的流域信息，形成数字流域。首先，从大比例尺 DEM 对预报区域进行小流域划分，并提取相关的河段特征（ 如河段 长度、比降等） 、子流域特征（ 如面积、坡度、形状系数、最大汇流 路径长、比降等） 。然后，在划分小流域、确定河道特征的基础 上，结合土壤、植被资料，形成小流域单位线、马斯京根参数等 模型计算需要的参数［4］。
1 系统功能设计
依托实时雨水情数据库提供的降雨数据及模拟计算数据 库所提供的各类数据和参数，利用模型调度引擎，对各个计算 模型进行调度，实现对预警断面洪水过程的实时预报。同时， 将计算出的断面水位过程预报结果和断面告警水位进行比较， 若超出告警水 位，则 根 据 用 户 设 定 的 告 警 人 员 列 表 进 行 短 信 告警。
预报方法进行了分析研究。把无资料小流域单位线、无资料河段洪水演算模型参数估算方法用于洪水过程模拟，解决了
山丘地区无资料小流域的洪水预报问题; 采用先进的分布式交互仿真计算技术构建洪水过程计算模型，实现了连续、实
时推演，通过高速、稳定的计算保证了洪水预报的时效性; 以 DEM 数据为基础，实现了省级行政区划范围内的小流域划
第 35 卷第 7 期 2013 年 7 月
【防洪·治河】
人民黄河 YELLOW ＲIVEＲ
Vol ． 35 ，No ． 7 Jul． ，2013
河南省山丘区小流域洪水预报系统研究及应用
陈会峰
（ 河南省水利信息中心，河南 郑州 450003）
摘 要： 采用数字高程模型、分布式水文预报模型、DEM 技术、计算机仿真计算等信息技术，对河南省山丘区小流域洪水
构建洪水预报系统。利用 1∶ 50 000 DEM 和 DLG（ 数字划线 地图） 数据，将研究流域划分为 5 级，并建立相应级别的流域图 层［2］。采用分布式水文模型对每个小流域出口以及山丘区任意 河道断面（ 预警断面，根据用户需要设置） 进行洪水预报，并考虑 上游影响和水库对径流的调蓄作用［3］。通过对相关水文站历史 洪水的模拟计算确定模型参数，系统设有供用户修改模型参数 的界面，流域面积 50 km2 以上的河流有专门预报模型。
2 系统工作流程与结构
2． 1 工作流程
系统的工作过程可以分为数Байду номын сангаас预处理、模型计算、预报结 果可视化显示 3 个部分，洪水预报系统的工作流程见图 1。
图 2 系统结构
3 系统功能模块划分
洪水预报系统分为数据预处理、计算模型、模型运行配置 管理、模型调度引擎、预报信息等可视化显示顶层模块，每个顶 层模块包含若干个二级模块。系统的模块划分见图 3。
收稿日期： 2013 04 26 基金项目： 河南省水利科技攻关项目( GG201218) 。 作者简介： 陈会峰( 1964—) ，男，河南临颍人，高级工程师，主要从事水利水电 工程规划设计和水利信息化管理工作。 E-mail： chf@ 139． com
人 民 黄 河 2013 年第 7 期
道，无法开展河道洪水的分析与计算。因此，研究山丘区中小 流域洪水预报系统，最大限度地减少暴雨洪水灾害损失，就显 得尤为重要和迫切。
·21·
人 民 黄 河 2013 年第 7 期
数据、土壤植被数据等基础数据当中提取模型运行所需的小流 域划分、小流域特征参数、数字水网、河道特征参数等数据。
在地形地貌、土壤植被类型不发生大的改变的前提下，这 些数据可以看作小流域的固有属性，所以在较长的时期内数据 预处理模块可以只运行一次。在模型运行过程中，可以通过模 型参数率定的方法来调整相关参数。
河南地处中 原，跨 江、淮、黄、海 四 大 流 域，山 丘 区 面 积 为 7． 82万 km2 ，人口 2 500 多万，地理位置和气候条件特殊，山洪 灾害危及 13 个市 79 个县（ 市、区） 885 个乡镇，是全国山洪灾害 发生最为频繁、灾害最为严重的省份之一。据统计，全省山洪 灾害年均受灾面积为 105． 2 万 hm2 ，成灾面积为 79． 4 万 hm2 ， 受灾人口 48． 5 万，年均损失 4． 12 亿元。山洪灾害已成为制约 河南省山丘区经济社会发展、人民脱贫致富和生态环境改善的 突出问题，但是受经济与技术条件限制，山丘区小流域防洪标 准普遍较低，暴雨洪水预报手段缺乏，远不能满足防御中小流 域暴雨洪水和 山 洪 灾 害 的 需 要，在 无 控 制 水 文 断 面 的 山 区 河