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浙東沿海城市洪水預(yù)報模型建設(shè)研究

文檔作者：盧克文檔來源：浙江水利水電學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年08月29日
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上一篇：浙江水利工程標準化管理體系的研究與應(yīng)用

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第28卷第5期
2016年lO月
浙江水利水電學(xué)院學(xué)報
J．Zhejiang Univ of Wat．Res&amp;amp;Electric Pow
V01．28 No．5
0ct．2016
浙東沿海城市洪水預(yù)報模型建設(shè)研究
盧克
(浙江水利水電學(xué)院信息工程與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，浙江杭州310018)
摘要：隨著水利信息化的推進和城市防洪減災(zāi)要求的提高，精準洪水預(yù)報需求越來越迫切．根據(jù)浙東沿海城市洪
水發(fā)生的特點，提出建設(shè)洪水預(yù)報模型的一些技術(shù)要求，包括分布式水文模型選型、數(shù)據(jù)需求、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用流
程；同時指出該地區(qū)在開展先期試點研究工作時，應(yīng)根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況，選擇適宜的分布式模型，根據(jù)參數(shù)要求
進行前期的數(shù)據(jù)準備和自動監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)工作，為后期模型系統(tǒng)開發(fā)運行和率定打下基礎(chǔ)，為洪水精確預(yù)報提供有
效的技術(shù)保障．
關(guān)鍵詞：浙東沿海城市；洪水預(yù)報；分布式水文模型
中圖分類號：TVl47 文獻標志碼：A 文章編號：1008—536X(2016)10·0039—04
On Flood Forecasting Model for Coastal Cities in Eastern Zhejiang
LU Ke
(College of Information Engineering and Art Design，Zhejiang University of Water
Resources and Electric Power，Hangzhou 310018，China)
Abstract：Due to the information construction of water conservancy and the requirements of urban flood control and disaster
reduction，the demand for accurate flood forecasting is becoming more and more urgent．According to the flood eharaeteristics
in coastal cities in eastern Zhejiang，some of the technical requirements and suggestions in the construction of flood
forecasting model are given，including distributed hydrological model selection，data requirement，key technology and ap—
plication process．It is pointed out that the appropriate distributed model should be chosen according to the actual situation
in the pilot study，and the data preparation and automatic monitoring network construction should be carried out according
to the requirement of the parameters．
Key words：coastal cities in eastern Zhejiang；flood forecasting；distributed hydrological model
我國多數(shù)區(qū)域極易發(fā)生洪澇災(zāi)害，造成人員傷
害和財產(chǎn)損失，如何做好防洪治澇工作，減少災(zāi)害
損失是各地區(qū)當前防災(zāi)減災(zāi)的重點任務(wù)．利用先進
的計算機技術(shù)和水文學(xué)知識來建立區(qū)域雨洪和排
澇模型，準確地預(yù)測不同量級外洪及內(nèi)澇形成的水
位、淹沒范圍、水深、流速流量以及淹沒持續(xù)時間，
能提前進行洪水預(yù)報或暴雨致洪預(yù)警，并為科學(xué)地
制定防洪排澇方案提供技術(shù)依據(jù)和決策支持，災(zāi)后
還能進行損失評估．洪水預(yù)報模型建設(shè)是當前防汛
減災(zāi)的重要研究方向．
收稿日期：2016—03—09
基金項目：2014年度浙江省水利廳科技計劃項目(RCl453)
作者簡介：盧克(1982一)，男，浙江瑞安人，碩士，講師，主要
研究方向為水利信息化應(yīng)用．
浙東沿海區(qū)域在暴雨、臺風天氣下，容易發(fā)生
外洪與內(nèi)澇并存的現(xiàn)象．由于受到外江高洪水位的
影響，內(nèi)澇難以排出，若碰上天文大潮，極易形成洪
水倒灌，造成內(nèi)河漫頂，形成更嚴重的內(nèi)澇，往往存
在外洪、內(nèi)澇、大潮“三碰頭”的情況．另外，該地區(qū)
具有小流域特征、暴漲暴落、非蓄滿產(chǎn)流等特點．因
此，在建設(shè)洪水預(yù)報模型時，應(yīng)該將降水、地面產(chǎn)匯
流、管網(wǎng)匯流和河網(wǎng)匯流等過程進行綜合考慮，并
根據(jù)暴雨強度、區(qū)域地形、城市外江水位和潮位變
化過程等情況來準確模擬城市外洪和內(nèi)澇的排除
過程?．
1 洪水預(yù)報模型選擇
洪水預(yù)報是水文工作中測、報、算中的一項重
萬方數(shù)據(jù)
40 浙江水利水電學(xué)院學(xué)報第28卷
要內(nèi)容．水文模型就是使用數(shù)學(xué)語言或物理模型對
降雨、徑流等水文過程的運動規(guī)律進行描述或比
擬，并在借助必要計算工具下對水文變量進行模
擬、預(yù)測和分析舊。．在其方法上可分為經(jīng)驗和模型
兩種，多年來從總體上走過經(jīng)驗公式一集總模型一
分布式模型的趨勢發(fā)展．
隨著計算機技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，分布
式水文模型得到廣泛的應(yīng)用．由于分布式水文模型
充分考慮空間的異質(zhì)性以及參數(shù)具有明確的物理
意義，并從水循環(huán)過程的物理機制人手，將產(chǎn)匯流、
土壤水運動、地下水運動及蒸發(fā)過程等聯(lián)系起來綜
合研究，響應(yīng)土地利用、地形等下墊面的時空變異
性，從而增強了水循環(huán)的空間描述能力以及提高了
對洪水過程的模擬和預(yù)測能力．
沿海地區(qū)降水產(chǎn)流機制是洪水預(yù)報的核心，與
常用的水文模型還有一定應(yīng)用差別，如小流域特
征、暴漲暴落、非蓄滿產(chǎn)流等，在模型的開發(fā)或選擇
上需要進一步考慮．建議在經(jīng)驗公式法、常規(guī)集總
模型改進的基礎(chǔ)上，或者相互結(jié)合等方式，分析比
較分布式各種模型應(yīng)用的實際效果，作為建模的前
期性工作．同時，一定要有模型選擇評估的過程，以
支撐后續(xù)模型相關(guān)各項工作的推動開展．開展模型
選擇有關(guān)工作涉及到已有水文觀測基礎(chǔ)、預(yù)報短中
長期目標、現(xiàn)有模型可用性、模型的率定運行等必
要的配套條件等．
利用模型進行洪水預(yù)報需要整合國土、農(nóng)業(yè)、
林業(yè)、氣象等多部門的信息，借助地理信息系統(tǒng)，
通過龐大的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來實現(xiàn)水文預(yù)報的及時
性、準確性、可靠性等要求．常用分布式模型陽1(見
表1)．
表1 常用分布式水文模型
模型名稱內(nèi)容
IHDM模型
TOPMODEL模型
SWAT模型
(Soil and Water Assessment T001)
SHE模型
(System Hydrologic European)
基于DEM的分布式模型
具有物理機制的分布式降雨徑流模型，根據(jù)流域的地形特征來區(qū)分流域內(nèi)部的空間異質(zhì)性，水文單元為
山坡坡面，為不規(guī)則形狀．坡面流和河道演進都采用一維運動波方程來描述，土壤中飽和與不飽和流作為
整體考慮．適用小流域模擬且效果較好．
以地形和土壤為基礎(chǔ)的半分布式流域水文模型，主要利用提取的地形信息(地形或地形--+壤指數(shù))模擬
水文響應(yīng)的特性(徑流運動的分布規(guī)律)，并用統(tǒng)計方法求得出口斷面流量．其理論基礎(chǔ)是可變產(chǎn)流面積，
具有結(jié)構(gòu)簡單、優(yōu)選參數(shù)少、物理概念明確的特點，適用于濕潤半濕潤地區(qū)蓄滿產(chǎn)流．
應(yīng)用概念性模型在各網(wǎng)格單元或子流域上進行產(chǎn)流計算，再進行匯流演算，最后求得出口斷面流量．適用
于大型流域，一般將流域劃分為網(wǎng)格、坡面和子流域三種單元．
應(yīng)用數(shù)值分析(偏微分方程的差分形式)來建立相鄰網(wǎng)格單元之間的時空關(guān)系，具有物理基礎(chǔ)．包括一個
兩維的地表徑流計算部分，通過一維的非飽和水流模型與二維的地下水水流模型連接在一起．
根據(jù)DEM地形數(shù)據(jù)，使用GIS進行子流域集水單元、河網(wǎng)、子流域等生成和關(guān)系建立，計算單元的截留、蒸
散發(fā)、下滲、地表徑流、地下徑流等水文物理過程，再根據(jù)拓撲關(guān)系建立河網(wǎng)匯流模型．
2 分布式水文模型的數(shù)據(jù)需求
浙東沿海城市所在的區(qū)域情況較為特殊，在構(gòu)
建適宜其特征的分布式水文模型需要多個參數(shù)確
定的相關(guān)配套數(shù)據(jù)支撐及模型驗證來提高模擬精
度，因此需要有大量的基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)來進行支撐，
要做好前期的準備和積累．模型主要支撐數(shù)據(jù)
包括：
(1)基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)
高精度的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，
簡稱DEM)，是分布式水文模型計算的基礎(chǔ)，其分辨
率的高低直接影響模型運算結(jié)果的精度H1．基礎(chǔ)地形
數(shù)據(jù)可從建設(shè)和測繪等部門獲得．有條件的區(qū)域建議
使用1：500或1：1 000比例尺地形圖生成DEM．
(2)排水系統(tǒng)數(shù)據(jù)
排水系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要包括河道、水庫山塘、溝渠、
地下排水管網(wǎng)等數(shù)據(jù)，可從建設(shè)、農(nóng)業(yè)、水利和測繪
等部門獲得．該數(shù)據(jù)獲得為精確計算管網(wǎng)匯流過程
和河網(wǎng)匯流過程提供了基礎(chǔ)．
(3)土地利用數(shù)據(jù)
土地利用數(shù)據(jù)包含流域內(nèi)林地、農(nóng)作地、城鎮(zhèn)
等矢量信息，可從國土、林業(yè)、農(nóng)業(yè)等獲得．土地利
用的變化信息可以從規(guī)劃部門獲得．另外，可以利
用衛(wèi)星遙感影像或無人機航拍等方式來對土地利
萬方數(shù)據(jù)
第5期盧克：浙東沿海城市洪水預(yù)報模型建設(shè)研究41
用變化信息進行監(jiān)測，及時更新反饋．
(4)土壤類型
土壤類型、各個土壤類型的空間矢量分布圖需
要收集的數(shù)據(jù)包括土壤名稱、土壤層數(shù)、根系深度
和表層到底層土壤深度，一般可以通過《土壤志》并
結(jié)合實地調(diào)查與監(jiān)測獲得．
(5)氣象數(shù)據(jù)
流域范圍內(nèi)各氣象站點的氣象數(shù)據(jù)主要包括
流域的降水(逐日或逐時降雨強度)、氣溫(最高、最
低和日平均氣溫)、相對濕度和太陽輻射等數(shù)據(jù)，以
及各站點位置，可從氣象和水利部分獲得．建議一
個小流域根據(jù)大小，至少有兩個以上的雨量站．
(6)水文資料
水文資料，用于模型率定和驗證的流域內(nèi)相關(guān)
斷面的逐日水位(或流量)過程．建議一個小流域至
少要有一個水位站，監(jiān)測項包括逐日水位、洪水發(fā)
生時的實時水位過程；此外，對于重點流域，以及較
大和重點區(qū)域的水系，建議有條件進行流量監(jiān)測，
特別是洪水發(fā)生時的實時流量過程．外排水閘的開
關(guān)閘信息，以及閘前和外海水位自動監(jiān)測．從洪水
預(yù)報的角度，重點數(shù)據(jù)是洪水發(fā)生時的實時過程
信息．
分布式水文模型種類較多，根據(jù)所選擇的類
型，可能還需要其他類型的參數(shù)信息，建議盡早專
題研究，做好數(shù)據(jù)準備和積累”1．
由于人工觀測水文數(shù)據(jù)費時費力，且時間間隔
精度有限；因此，各地在推進水利信息化時，建議應(yīng)
先期開展自動監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)工作，為后期的模型應(yīng)用
提供實時數(shù)據(jù)．自動監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)內(nèi)容(見表2)．
表2 自動監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)內(nèi)容
項目名稱內(nèi)容
水文監(jiān)測網(wǎng)
海塘感潮網(wǎng)
水分蒸發(fā)監(jiān)測網(wǎng)
雨量監(jiān)測
河道水位監(jiān)測
流量流速監(jiān)測
旱情(土壤墑情)監(jiān)測
海浪監(jiān)測站
海塘波壓力監(jiān)測站
監(jiān)測自然蒸發(fā)的水量
3 模型構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)
(1)GIS技術(shù)
地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，
簡稱GIS)是在計算機軟、硬件支持下，對地理空間
和屬性數(shù)據(jù)進行獲取、儲存、管理、運算、分析和顯
示的計算機系統(tǒng)¨o．GIS是一門綜合性學(xué)科，與分
布式水文模型結(jié)合，能夠為其提供強大的數(shù)據(jù)管
理、查詢、計算分析等能力，促進模型的發(fā)展和進
步．由于分布式水文模型參與運算的各參數(shù)都帶
有空間位置信息，因此GIS在分布式水文建模的
空間數(shù)據(jù)管理、水文特征提取、模型水文參數(shù)獲
取、計算分析與結(jié)果可視化等多個方面揮著重要
作用[7]．
(2)模型系統(tǒng)開發(fā)
模型系統(tǒng)開發(fā)工作主要表現(xiàn)在空間數(shù)據(jù)查詢
處理分析、模擬過程的結(jié)構(gòu)設(shè)計和可視化展示與結(jié)
果應(yīng)用等方面．模型結(jié)構(gòu)方面，“組件式模型庫系
統(tǒng)”的思想極大地方便了模型的應(yīng)用和推廣，這種
模型系統(tǒng)在應(yīng)用時針對具體的問題耦合相應(yīng)的模
塊，對水文循環(huán)過程或其中一個環(huán)節(jié)采取不同的處
理手段．開發(fā)可視化的管理系統(tǒng)可以提高模型的交
互性和易用性，組件技術(shù)已經(jīng)成為開發(fā)高效、交互
式桌面程序和B／S程序的最好選擇，并且有許多集
成開發(fā)工具供選擇．根據(jù)水文模型與GIS的集成程
度可以分為松散耦合、緊密耦合和完全集成3種．
大多數(shù)模型都是松散耦合的，如VIC、MIKE-SHE、
SWAT、PDTank等，而在集成開發(fā)環(huán)境(如VisualStu．
tio．NET等)上采用組件式GIS開發(fā)GIS功能及水
文模塊才能實現(xiàn)完全集成，這種方式有利于系統(tǒng)結(jié)
構(gòu)優(yōu)化、數(shù)據(jù)傳遞和提高執(zhí)行效率，是分布式水文
模型和GIS集成發(fā)展的方向¨。．
4 模型應(yīng)用流程
模型應(yīng)用流程主要包括模型結(jié)構(gòu)確定、提取模
型參數(shù)及運行、率定模型等過程．
(1)模型結(jié)構(gòu)確定
根據(jù)浙東沿海地區(qū)的水文過程特征、洪水預(yù)報
的需求和數(shù)據(jù)資料收集情況，確定參與模擬的子過
程主要包括：降水、截留、人滲、填洼、河道匯流、管
網(wǎng)匯流、蒸散發(fā)、滲漏、壤中流、地下水和融雪等．
選擇各子過程合適的算法：很多子過程都具有
多個不同的實現(xiàn)算法，應(yīng)根據(jù)區(qū)域特點、數(shù)據(jù)特征
和時空尺度等條件為子過程選擇適用的算法．
(2)模型參數(shù)提取
具有明確物理含義的參數(shù)一般都可根據(jù)下墊
面數(shù)據(jù)(如DEM、排水系統(tǒng)、土地利用、土壤類型等)
萬方數(shù)據(jù)
42 浙江水利水電學(xué)院學(xué)報第28卷
提?。畢?shù)提取是一個較復(fù)雜的過程，需要模型開
發(fā)人員具備較高的數(shù)據(jù)預(yù)處理加工能力、工作流方
法和技術(shù)以及軟件綜合使用等方面的要求，后期開
發(fā)的模型軟件系統(tǒng)應(yīng)針對該過程進行簡化和易用
性處理．
(3)模型運行和率定
模型的計算單元(又稱為水文單元)可根據(jù)資
料的收集情況進行確定(包括類型和分辨率兩個方
面)，如規(guī)則網(wǎng)格、坡面單元、地貌單元或子流域等．
入滲、填洼、截留、滲漏、蒸發(fā)等水文過程發(fā)生在獨
立的各個水文單元，而坡面匯流、壤中流、河道與管
網(wǎng)匯流等水文過程則需要按照上下游關(guān)系由多個
水文單元共同參與運算．通常需通過數(shù)值方法求解
偏微分方程，與傳統(tǒng)的集總式模型相比，模型計算
量更大，運行時間更長一-．
為了提高模型運算結(jié)果的正確率，一般采用自
動率定方式進行．通過自動不斷迭代修正參數(shù)的方
式在一定程度上降低了用戶參數(shù)率定的難度，是為
一種高效的方式．當前較流行的方法主要包括：遺
傳算法、模擬退火、粒子群算法、SCE—UA算法、NS—
GAll算法等¨引．由于自動率定在迭代過程中需不
斷調(diào)用模型，且模型一次運算量就已很大，導(dǎo)致自
動參數(shù)率定的運行量巨大，容易造成運行效率低下
的問題．因此在水文單元多、時空尺度精度高、待率
定參數(shù)數(shù)量大的情況下，應(yīng)加大對分布式水文模型
軟件系統(tǒng)的運算性能的關(guān)注，采用云計算方式來提
升運算效能．
5 結(jié)語
構(gòu)建適宜區(qū)域特征的分布式水文模型是探索
和認識復(fù)雜水文循環(huán)過程與機理的有效手段，是解
決當前水文領(lǐng)域進行洪水精確預(yù)報的有效工具．從
國家層面和各地區(qū)開展情況來看，分布式水文模型
建設(shè)目前還處于前期探索階段，離大面積推廣應(yīng)用
還有一個相對漫長的過程．浙東沿海地區(qū)經(jīng)濟較為
發(fā)達，且飽受洪水災(zāi)害之苦，隨著水利信息化的推
進和洪水預(yù)報需求的迫切，可以開展先期試點研究
工作．該地區(qū)水利部門應(yīng)根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況，選
擇適宜的分布式模型，根據(jù)參數(shù)要求進行前期的數(shù)
據(jù)準備和自動監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)工作，為后期模型系統(tǒng)開發(fā)
運行和率定打下堅實的基礎(chǔ)．隨著該區(qū)域試點工作的
不斷推進和應(yīng)用水平的逐步提高，將推動洪水預(yù)報模
型技術(shù)的發(fā)展，為防洪決策提供有效的技術(shù)保障．
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萬方數(shù)據(jù)

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