龙岩白沙水库流域提取及面雨量预报程序设计和实现

邓宇阳 邱光敏 林梦凡

摘 要：随着水库对气象服务内容、方式、效果等方面需求的不断提升，预报员需要更了解水库流域范围内的相关情况，且要具备一定的水文气象的知识。以龙岩白沙水库为例，利用GIS提取水库的流域面，并结合气象预报产品，预报了该流域的面雨量及其他水文数据。

关键词：水库；GIS；C#；面雨量

中图分类号：TV697.11 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）01–0-03

水库是水利系统最基层的工程。龙岩地区海拔高差大、降水资源丰富，境内水库遍布各级河道，中大型水库有15座。由于降水及河流的时空分布不均匀，为了实现水库的精确调度，工作人员需要获取一定时间段内的高时空分辨率和高精度降水预报信息。

通过提高降水预报的精度，工作人员可以获取具有一定预见期的降水信息，从而驱动入库流量的预报模型，推进其智能化建设，促使水利信息化[1]。同时，运用智能网格预报等新技术有利于提高防治洪涝干旱灾害能力、水资源管理决策水平，改善入库流量的精度和预见期。此外，实行腾库发电、消峰错峰、拦蓄洪尾等措施，可以获得满意的社会和经济效益，趋利避害，保障人民的生命财产安全[2]。

龙岩市地处福建省西南部，水系发达，境内主要水系河流有汀江水系、九龙江北溪水系、闽江沙溪水系、梅江水系和九龙江西溪水系、赣江贡水水系等。其中，白沙水库属于九龙江北溪，九龙江北溪是闽西地区第二大水系，流域内包含万安水库（集水面积667 km2）、白沙水库（集水面积1 307 km2）、合溪电站（集水面积2 932 km2）等。

随着现代科技的快速发展，水库对气象服务内容、方式、效果等方面的需求也不断提升。一方面，要进一步提升预报精度，另一方面，要获取更直观的产品及预警信息为水库生产决策提供科学参考。

1 技术内容

1.1 数据整编

白沙水库流域面积1 307 km2，总库容19 926万m3，设计洪水位266.21 m，装机容量7.0万 kW，具有不完全年调节能力，水能利用达7 m3/kW。白沙水库流域年降水量1 750 mm，水库年径流量达13.63亿m3，平均流量43.5 m3/s，设雨量观测站8个。对白沙水库流域进行现场调研，进行历史资料整编、查阅文献等，并将收集到的原始资料进行分类整编，建立了集水库基本情况表、水文数据表、雨量站数据表等数据类型的水文气象数据库，为后期的资料统计、查询以及雨洪关系确定等工作提供基础的数据资料。

1.2 水库流域划分

以白沙水库坝头为对应单元流域的出水口，利用数字高程模型（DEM），运用地理信息系统空间分析（GIS）技术，通过空间分析、水文分析、地统计分析、分析建模等技术进行以水库坝址为出水口的各水库单元流域的划分，提取了各单元流域对应的流域面积、河网长度等相关地理信息资料。

目前DEM数据是进行流域地形分析的主要数据，DEM是流域地形、地物识别的重要原始资料，它包含了丰富的地形、地貌和水文信息。通过DEM可以提取地表形态信息，如流域网格单位的坡度、坡向及单元格之间的关系等。利用DEM生成的集水流域和水流网络是多数地表水文分析模型的主要输入数据。利用DEM数据提取水流方向等因子的前提是地表起伏足够大，这样才能确定水流路径。即对于任何一个像元，水都可以从多个相邻像元流入，且仅从一像元流出。

流域提取具体方法：

（1）填洼。在ArGIS的工具箱中“Spatial Analyst 工具”→“水文分析”→“填洼”，对获取到的dem数据进行填洼处理，得到填洼后的dem数据。

（2）流向分析.在ArGIS的工具箱中“Spatial Analyst 工具”→“水文分析”→“流向”，对流向进行分析，得到流向分析结果（图1）。

（3）流量分析。在ArGIS的工具箱中“Spatial Analyst 工具”→“水文分析”→“流量”，對流向运行结果数据进行流量分析，获得流量分析删格数据（图2）。

（4）盆域分析。在ArGIS的工具箱中“Spatial Analyst 工具”→“水文分析”→“盆域分析”，对流向运行结果数据进行盆域分析，获得盆域分析删格数据（图3）。

（5）栅格转面。利用ArGIS的工具箱中“转换工具”→“由栅格转出”→“栅格转面”，对盆域分析运行结果数据进行“栅格转面”操作，获得流域面矢量数据（图4）。

（6）流域范围提取。通过已知的水库大坝经纬度，借助ArcGIS自带的编辑功能，将白沙流域筛选出来（图5）。

2 面雨量估测-泰森多边形制作及区域自动站面雨量计算

利用数字高程模型（DEM）划分好各水库坝址对应的单元流域，对流域内离散分布的区域自动站进行面雨量估测时，可以采用泰森多边形方法获得各自动站所代表的区域内平均面雨量，流域面雨量则为各自动站对应区域的面雨量加权平均获得，权重系数采用各站点多边形面积占流域面积的比值确定。

泰森多边形法是由荷兰气候学家Thiessen提出的一种根据离散分布的气象站的降雨量来计算区域内平均降雨量的方法，即将所有相邻气象站连成三角形，作这些三角形各边的垂直平分线，于是每个气象站周围的若干垂直平分线便围成一个多边形。用这个多边形内所包含的一个唯一气象站的降雨强度来表示这个多边形区域内的降雨强度，并称这个多边形为泰森多边形。

如图6所示，A、B、C、D表示4个自动气象站，其中虚线构成的多边形就是泰森多边形，各气象站的降水量则表示泰森多边形区域内的平均降雨量。泰森多边形每个顶点是每个三角形的外接圆圆心，泰森多边形在GIS里也称为Voronoi图。泰森多边形的特性是：每个泰森多边形内仅含有一个离散点数据，泰森多边形内的点到相应离散点的距离最近，位于泰森多边形边上的点到其两边的离散点的距离相等。

泰森多边形法计算流域面雨量（权重法）：站点1雨量×站点1面积÷流域内总面积+站点2雨量×站点2面积÷流域内总面积+站点3雨量×站点3面积÷流域内总面积站+…+站点n雨量×站点n面积÷流域内总面积=流域面雨量。

通过ArcGIS获取的流域数据可以找出白沙水库流域内包含的气象站点，绘制出泰森多边形法处理后的流域面（图7），并得到相应系数。

3 水文分析

（1）经验径流系数法。径流系数介于0～1之间，湿润地区径流系数大，干旱地区径流系数小。对于不同水库流域的年平均径流系数差异很大，径流丰富区域径流系数可超过0.7，径流贫乏的流域仅有0.1。根据径流量预测的需要，可根据径流系数法综合分析确定白沙水库流域湿润条件和干燥条件下的日径流系数。

利用径流系数法计算水库流域年、月、旬径流量。计算公式如下：

Q=R×S×k×1 000（1）

式（1）中：Q表示径流量（m3），R为面雨量（mm），S指流域面积（km2），k为径流系数。

（2）洪峰流量对应的临界面雨量预警指标。由实测洪峰流量与过程面雨量的相关关系绘制出现过程洪峰流量与24 h降水总量的关系，建立雨洪关系函数。研究分析获得的雨洪预警指标获得各水库的生产调度专家的论证后，可用于水文预报预警业务应用中。

4 软件总体设计

（1）设计目标。软件设计以水文气象服务发展需求为引领，从智能网格预报技术、水文预报模型、雨洪风险预警技术等方面出发，创新发展水库气象服务，精准预报，满足更专业的水库气象服务。以白沙水库为例，通过程序将预报站点自动提取并用泰森多边形法预报白沙水库面雨量，形成面雨量预报产品和径流量预报产品，并对短期流域降水的雨洪风险等级进行预警。

（2）总体框架。通过C#实现了自动将智能网格预报转化为流域面雨量预报、水库径流量预报、雨洪风险等级预警产品等进行可视化效果显示，为水库提供更为精细化的气象服务。结合数字高程模型、水文模型，提供更直观的展示。

（3）功能设计。软件主要功能包括气象数据实时显示、水文数据实时显示、水文气象预报服务、雨洪风险等级预警等功能，其中气象数据显示模块可根据自动气象站资料自动生成面雨量估测等产品，并接入水库雨洪风险平臺，实现气象数据的可视化和查看功能。

5 主要成果

（1）DEM高程数据的分析应用技术。获得了基于数据高程DEM资料划分单元流域的新方法，并根据此方法可获取任意一个水库或水文站址对应的单元流域面积、地形指数、距离面积分布函数等地理属性，为面雨量计算和水文模拟提供了技术支撑。

（2）雨洪风险预警指标。确定了白沙水库不同降雨强度的洪峰流量预警指标及不同水位高度对应的临界面雨量预警指标。50 mm以上的暴雨过程，白沙水库197 m3/s，100 mm以上的大暴雨过程将达到359 m3/s。将气象与水文相结合，形成了业务化软件，并且具有灵活、方便的特点，可以根据需求对各种中小型水库流域进行气象和水文预报，便于业务人员使用。

参考文献

[1] 李京兵，王玉丽，张锦堂，等.基于气象水文数据融合的小型水库监测预警系统建设[J].中国防汛抗旱，2022，32（06）： 60-66.

[2] 李广海.水库防汛气象监测预警系统的研究与开发[D].北京：北京邮电大学，2012.