陕西三门峡库区洪水预报系统
摘 要：陕西省三门峡库区洪水预警预报系统共设中心站两处，遥测站49处（包括13个水文站、18个水位站和18个雨量站）。系统设计为自报式和查询～应答相结合的工作体制。本系统拟采用超短波通信和GSM短信息通信的星型网结构的组网方式。本文介绍了陕西三门峡洪水预报系统的站网布设、系统总体结构、通信组网方式和洪水预报调度方案。
关键词：预警预报；站网布设；通信组网；工作体制
1 概述
渭河下游及二华南山支流地区为黄河流域三大防汛重点地区和陕西省防汛的重中之重，历来受到各级防汛机构及地方政府的重视。经过四十多年的建设，渭河下游地区先后建成了八个水文站，七个水位站，布设淤积测验断面70余条。这些测站及设施为防汛抗洪及科研提供了大量的基本资料，作出了一定的贡献，但对满足渭河下游地区防洪保安的实际要求尚有一定距离。主要反映在：没有形成区域的预警预报系统，与防汛减灾的综合要求尚有距离；测验设施设备标准偏低，部分信息采集现代化程度不高、报汛通信手段落后、预报方法不足，和水文情报预报的时效性、准确性等尚有一定的距离。
建设黄河陕西省三门峡库区洪水预警预报系统，推动水文测验设施建设、信息采集、传输、气象水文预报、会商决策等环节或系统的现代化、数字化，及时准确的提供水文情报预报，是黄河陕西三门峡库区防洪之迫切和黄河实现“四个不”目标的必要措施。
陕西省三门峡库区洪水预警预报系统的主要功能是：
（1）建设及改造现有水文站，使信息采集、数据处理、信息传输、监控管理等方面的现代化水平大大提高；
（2）接收气象部门的卫星云图、雷达回波信息以及暴雨数值预报产品和黄委水文局有关泾、洛、渭的雨量信息；
（3）采用GSM短信平台、超短波、有线公网（PSTN）相结合的通信方式，在5分钟内收齐区间水雨情站的水情信息的保证率为95%；
（4）基于常规信息建立魏家堡至华县、龙门至潼关、以及景村、交口河以下的洪水演进预报模型；
（5）以二华地区遥测雨量站为依据，建立南山支流降雨洪水预报模型；
（6）构建水文信息服务体系，为防汛、水资源及有关工作提供专业信息服务。
2 系统站网布设
陕西省三门峡库区洪水预警预报系统的站网布设，要能有效地控制渭河魏家堡至潼关，泾河景村至河口，北洛河交口河至河口，以及渭河下游12条南山支流洪水演进和降雨分布，满足渭河下游洪水预报、南山支流洪水警报、以及北洛河下游洪水预报的要求。本次设计是以现有站网为基础，进行补充完善。
2.1 设站原则
（1）站网的设计，要能有效的控制区间降雨分布及由于下垫面不均匀性对于降雨径流的影响。
（2）能够满足渭河下游各站洪水预警预报需要。
（3）能够满足二华南山支流洪水预警预报的需要。
（4）能够满足北洛河下游和小北干流洪水预警预报的需要。
（5）能够满足监视堤防险工堤岸防护工程水位和河势的需要。
2.2 站网布设
本次站网的布设是综合考虑陕西省三门峡库区的自然地理特性，降雨洪水特点、原有站网的基础、以及洪水预警预报的要求而做出的。共布设水文站13处，其中新建2处；水位站18处，其中新建11处，改造2处；雨量站18处，其中新建7处。
新增水文站为石川河相桥水文站（汛期站），赤水河靳家村水文站（汛期巡测站）。
新增自动遥测水位站为渭河草滩水位站，渭河道口水位站，渭河詹家水位站，渭河华阴水位站，渭河吊桥水位站，沣河小王庄水位站，灞河梁家堡水位站，石堤河过村水位站，柳叶河柳叶水位站，长涧河长涧水位站。
新增自动遥测雨量站为二华南山支流7处，分别遇仙河一处，石堤河一处，赤水河一处，罗纹河一处，方山河一处，罗夫河一处，柳叶河一处。
2.3 站网论证
2.3.1 能控制二华南山支流降雨的不均匀分布
二华南山支流降雨较丰，降雨的时空分布极不均匀， 有时暴雨笼罩的面积较小，强度大，降雨梯度大。因此，遥测雨量站网设计在空间均匀分布的原则上，适当考虑暴雨中心地带。本次设计的29处报汛雨量站，二华南山支流区域16处，可基本满足二华南山支流暴雨空间分布控制。
2.3.2 能起到控制洪水的作用
陕西省三门峡库区共设水文站13处，布设水位站18处，以便掌握洪水从魏家堡至河口之间渭河干流、泾河景村以下至河口、北洛河交口河以下至河口等的洪水演进情况。水文站和水位站的设置，可以起到监测洪水的作用，同时亦能监测断流情况。
2.3.3 能满足渭河干流洪水预警预报的需要
本设计的洪水预报是渭河干流的洪水演进预报，泾河入渭的洪峰预报，北洛河入渭的洪峰预报，小北干流洪峰预报，二华南山支流入渭的洪峰预报。本次设计的水文站、水位站、雨量站可基本满足库区洪水预警预报的需要。
2.3.4 能满足WMO推荐的站网密度的最低标准
陕西省三门峡库区属半湿润带，WMO推荐的站网最低密度标准为：雨量站100~250Km2/站，水文站为300~5000Km2/站。本次站网布设满足WMO推荐的站网密度的最低标准。
3 系统总体结构与通信组网方式
3.1 系统总体结构
陕西省三门峡库区洪水预警预报系统是由降雨、洪水信息监测采集、传输处理、存储检索、预警预报、会商服务构成的有机整体。系统框架如图1（略）所示：
3.2 水情信息采集传输工作体制
陕西省三门峡库区洪水预警预报系统设计为自报式和查询～应答相结合的工作体制。
自报式为：定时自报和增（减）量自报相结合的方式。遥测站按规定的时段（时间间隔）或当被测水文要素（雨量、水位）发生变化，并达到规定的增（减）量时，遥测站自动向中心站报送实时水文数据，中心站的数据接收设备始终处于等待接收状态。
水文站具有查询～应答功能，在中心站可人工干预随时或自动定时查询水文数据。
3.3 信息采集传输的通信组网方式
根据本系统总体设计目标要求，和现有库区水位自动测报系统、二华南山支流雨量自动测报系统采用超短波通信的实际情况，以及综合考虑各种通信方式的特点，本系统拟采用超短波通信和GSM短信息通信的星型网结构的组网方式。现有库区水位自动测报系统和二华南山支流雨量自动测报系统所属遥测站仍采用超短波通信。新设遥测站（包括水文站、水位站、雨量站）中，在已有超短波中继站覆盖范围的，也采用超短波通信；新设遥测站超出已有超短波中继站覆盖范围的，采用GSM短信平台通信。水文站采用超短波通信和GSM短信平台通信两个信道，以保证其可靠程度（通信畅通率）。测站原有PSTN有线电话的仍然保留，作为备用传输信道。
本系统中水文站为超短波和GSM短信平台通信两个信道，水位站和雨量站为超短波通信信道。
进行水情信息传输时，遥测站RTU优先启动超短波通信机向中心站（通过中继站中继接力）传送数据。对于水文站来说，若超短波信道不通，RTU自动切换到GSM短信平台信道传输水文数据。
4 洪水预报作业
4.1 功能、结构
系统根据不同功能分为信息接收处理子系统、洪水预报子系统、综合数据库、信息服务子系统等四大块。三个子系统通过数据库进行数据交换，系统的逻辑结构见图3（略）：
4.2 信息接收和处理子系统
4.2.1 信息接收
主要接收本管辖内的雨量站、水位站、水文站及工程管理队观测的雨、水、沙、工情，和委、省管辖的雨、水、沙情。另外通过计算机网络或邮电网络接收气象部门的卫星云图雷达信息以及数字预报成果和黄委水文局有关泾、洛、渭的雨量信息。
4.2.2 信息处理
信息处理包括邮电报文翻译，多源信息的同化处理、信息转发、入库与预报子系统数据衔接等，具体信息处理内容有：
（1） 翻译雨、水情电报报文；
（2） 识别错误信息并进行处理；
（3） 根据洪水预报输入要求，生成相应时段的水文要素过程；
（4） 根据用户信息查询要求，制成相应的图表；
（5） 根据人工置定的门槛，遇特殊雨水情发出预警；
（6） 根据报汛任务要求向有关部门转发信息；
（7）把原始信息和处理过的相应信息存储到数据库，以便随时调用。
4.3 洪水预报子系统
4.3.1 数据预处理
数据预处理是为模型率定参数、进行洪水预报和综合分析提供规范的数据。
（1）从数据库中提取实时雨、水情数据并进行合理性检查，根据模型率定和洪水预报要求将这些数据进行插补外延，并分割成0.5或1.0小时为时段的降雨过程、流量过程；
（2）计算单元面雨量和前期土壤含水量作为预报的前期计算工作；
（3）根据需要从数据库中提取历史资料，经处理后进行典型雨洪分析。
4.3.2 率定参数
模型率定参数分两种情况：一是利用历史资料为建模进行率定，二是利用最新资料对模型的相关关系进行新点据的补充和对产汇流规律进行新的率定和修改。
根据流域下垫面或河道边界条件特征，设计合适的参数初始值、和合理的目标函数和优化方案进行参数优选，再按照实际模拟达到合格要求，最后确定预报模型的参数。
4.3.3 洪水预报
本预报分两部分：一是二华区间南山支流的洪水预报，二是渭河下游（魏家堡至华县）、泾河下游（景村至桃园）、北洛河下游（交口河至南荣华）、小北干流（龙门至潼关）的洪水演进预报。预报分预警预报和正式预报两个阶段：
（1）二华南山支流洪水预报
先利用原有水文站和雨量站进行模型率定和建模，待新建站运行后再根据新的资料进一步完善模型。本次单元产流初步采用新安江模型、降雨径流相关模型、霍顿下渗模型、萨克门托模型；单元汇流计算采用地貌单位线、纳须瞬时单位线；河道汇流采用马斯京根逐段演算逐段叠加法。以上方法经调试后最后选择1~2个方案作为正式模型计算方案。
（2）河道洪水演进预报
渭河、泾河及北洛河下游和小北流河道洪水演进预报拟采用马斯京根多河段流量演算加区间逐段汇流叠加方法，或以区间降雨为参数进行上下断面洪峰相关方法。
（3）预警预报
当渭河魏家堡站、泾河景村或小北干流龙门站、北洛河交口河站出现较大洪峰或二华南山支流将出现暴雨或大暴雨时，即预报咸阳、张家山、状头、潼关的洪峰流量和估算临潼、华县的洪峰，并根据有关部门预报的暴雨量级，估算二华南山支流的山洪流量，同时发出洪水预警预报。
当咸阳出现洪峰或二华南山支流出现暴雨，即预报临潼、华县的洪峰和洪量和南山诸支流的洪峰和洪量，同时发布正式预报。
4.4 信息服务子系统
信息服务子系统实际上是一个信息成品库和半成品库，该系统除了能存储不同类型的信息外，还有信息处理和信息查询等功能。系统通过人机交互以图、文、表的方式，能快速、方便、清晰地提供实时雨、水、工情和预报成果以及有关的历史信息。服务的内容尽可能满足不同用户需要。信息库中主要内容有：
(1) 实时的时段、日、旬、月点、面雨量；实测水沙过程、总量；水位流量关系过程（包括内插后等时段过程）；水库、工程水位过程；洪水倒灌、滩地淹没实况；水情、工情简报等；
(2) 典型历史暴雨洪水，包括降雨、洪水来源、演进、遭遇情况，堤防、工程及滩地灾害情况，历史雨水特征值和极值；
(3) 有关地理信息，包括地质、地貌、河网、站网、河道特性、水利防洪工程，社经情况等；
(4) 洪水预报成果和中间成果（如相应洪水的次雨量、前期土壤含水量、区间加入量等）；
(5) 泾、洛、渭河中、上游降雨量过程及分布；气象信息包括连续云图、雷达信息和暴雨数字预报结果。
参考文献：
[1] 陕西省三门峡库区洪水预警预报系统报告.2003.
[2] 《水文自动测报系统规范》（SL-61-94），水利出版社.2001.
