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基于 DEM的水库防洪实时预报调度系统
杨邦，任立良，许钦
河海大学水资源环境学院，江苏南京（210098）
摘 要：本文将数字水文技术与水文模型进行耦合，构建基于数字高程模型（DEM）的水
库防洪实时预报调度系统，并在梅山水库及鲇鱼山水库加以应用。应用结果表明，该系统结
构体系完整，模拟精度满足实时洪水预报调度要求。
关键词：DEM；实时；预报调度；系统
中图分类号：P338
1. 引 言
水库防洪预报调度系统，在确保水库大坝安全前提下，以充分发挥水库防洪库容的作用，
灵活调度，使区域的防洪效益最佳为目标，是一种十分重要的非工程防洪措施[1]。
水文学本质上是关于信息的科学，一切信息技术的革命都必将深刻地影响水文科学与技
术的发展[2]。数字高程模型（DEM）作为第三次信息技术革命的产物，与水文模型进行耦合，
运用于实时预报，必将对水库防洪调度工作起到巨大推动作用。
2. 流域概况
梅山水库位于淮河支流——史河上游，金寨县梅山镇境内。总控制流域面积 1970平方
公里。整个流域属北亚热带湿润季风气候，流域年平均气温为 ℃。流域年平均降水量为
毫米，流域年平均蒸发量为 毫米。流域干燥度为 ，属于湿润地区。流域位
于大别山北部，为亚热带长绿阔叶林向暖温带落叶林交汇地带，植被较好。
鲇鱼山水库上游控制流域面积 924平方公里。流域地处北亚热带向暖温带过渡地带，属
大陆性湿润季风气候，植被较好。流域年平均气温为 ℃。流域年平均降水量 毫
米。
3. 系统结构与设计
系统结构
系统的开发与集成采用 C/S（客户服务器）的方式进行开发，各个子系统围绕网络数据
库[3]进行运作，系统分为洪水预报和防洪调度两个子系统。
系统内子系统间的流动是多向的，在各子系统内均设计了人机交互界面以反映应用人员
在系统应用过程中的主观能动性。图 1为系统的应用流程。
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图 1 系统应用流程图
洪水预报子系统
洪水预报，由于受实际流域影响大，特别是对山区性小流域，洪水陡涨陡落，再加上实
时系统众多误差信息的影响，难以获得高精度的预报结果，需要实时修正。该系统提出以数
字水文模型为基础，融入下垫面信息和历史信息为依据的模式。方法有新意，使用有较好的
效果。
洪水预报系统应用数字水文模型进行降雨—径流模拟计算。数字水文模型利用 GIS 空
间分析的功能，由数字高程模型（DEM）导出流域流水网，提取汇流路径长度、坡度等地
形特征值；在 GIS 平台上，计算出流域下垫面的土壤、地貌等特征值，将地理特征值与流
域模型参数建立相关关系，解决无资料地区模型参数的移用问题，在此基础上划分流域产汇
流分区，建立流域拓扑关系，最终完成流域洪水预报方案的构建。数字水文模型主要按照如
下两方面进行构建：
第一步，依据图 2，对高空间分辨率的网格型数字高程模型数据中存在的凹陷和平坦区
域进行预处理；运用最陡坡度法或多流向算法设定各栅格单元流向；设定临界集水面积和流
域出口断面地理位置，从而确定流域边界、生成单元集水面积；给定最小河道长度，生成河
网，并对其进行编码，最终生成数字流域水系和空间拓扑关系。
实时水雨情信息、工情信息
（1）实时预报
（2）人工干预预报
（3）考虑对未来降雨预测后的
人工干预预报
（1）利用实时预报的结果生成
调度预案
（2）利用实时的结果，但考虑
对未来降雨预测生成调度预案
（3）采用人工干预预报的结果
生成调度预案
（4）调度预案的分析与选择实
施
（1）实时水雨情信息查询
（2）人工干预预报结果的查询
（3）调度预案的查询
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图 2、数字流域水系构建的流程图
梅山水库、鲇鱼山水库流域的 DEM数据使用标准 1公里网格数据，数据预处理后生成
的地形地貌图及泰森多边形图如图 3、图 4所示。
图 3、梅山水库、鲇鱼山水库地形地貌图
图 4、梅山水库、鲇鱼山水库泰森多边形图
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第二步，依据图 5，在生成的数字流域水系的基础上，根据研究区域的气候特征和下垫
面特征，选取合适的降雨—径流模型，构建子单元的产流和汇流模型，采用水文学或水力学
的方法构建河网汇流模型，最终构建数字水文模型。
图 5、数字水文模型的框架结构
在湿润地区，简单模型和复杂模型几乎都可以取得同样好的效果[4]。洪水预报子系统使
用三水源新安江模型[5]作为系统构建模型。新安江模型是一个分散参数的概念性模型。根据
流域下垫面的水文、地理情况将其流域分为若干个单元面积，将每个单元面积预报的流量过
程演算到流域出口，然后叠加起来即为整个流域的预报流量过程。单元面积水文模拟采用：
产流采用蓄满产流概念；
蒸散发分为三层：上层、下层和深层；
水源分为地表、壤中和地下径流三种水源；
汇流分为坡地、河网汇流两个阶段。
防洪调度子系统
在洪水调度的不同阶段，为了使系统具有广泛的适用性，软件中构造适用于不同要求的
防洪调度模式，具体有：
水位控制模式
该调度模式，根据水库水量平衡方程，将水库最高控制水位转化为约束条件。水库最高
水位是水库实时防洪调度的一项重要控制指标，当洪水处于涨水段，后续降雨无法知晓时，
水库最高控制水位对于防洪形势及大坝安全十分重要，水位控制模式的目标是在保证水库水
位控制条件的前提下，使水库的最大下泄量最小，即应以通常所说的最大削峰准则进行调度。
水位控制模式，通常应用于水库自身防洪形势比较紧张的情形，模式不考虑水库对区间洪水
的补偿[1]。
出库控制模式
与水位控制模式不同，该调度模式关注水量平衡中出库流量，可以迅速准确地将水库最
大出库流量规定到希望的范围之内。该调度模式同时考虑出库流量限制和最高水位限制，当
出库流量限制条件生效时其目标是使水库最高水位最低。当出库流量不起约束时，则尽可能
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利用由允许最高水位规定的允许调蓄库容削减洪峰[1]。
4. 系统应用
应用系统分别对梅山水库及鲇鱼山水库流域进行模拟，总场次分别为 13场和 16场，确
定性系数平均值分别为 和 。达到乙级预报精度[6]。
图 6、日径流过程模拟
图 7、次径流过程模拟及洪水调度
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表 1、梅山水库次洪模拟
梅山水库 洪号
降 雨 量
（mm）
计算径流
（mm）
实测径流
（mm）
绝对误差
（mm）
相对误差
（％）
确定性系
数（％）
830623
830702
830722
850514
850705
850712
850716
860627
860714
模型率定
870703
880518
880825
880908 模型验证
平均
表 2、鲇鱼山水库次洪模拟
鲇鱼山水
库 洪号
降 雨 量
（mm）
计算径流
（mm）
实测径流
（mm）
绝对误差
（mm）
相对误差
（％）
确定性系
数（％）
800624
800707
800716
800823
820718
820722
820821
830623
830721
模型率定
840808
880825
880907
890606
890615
890803
910804
模型验证
平均
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表 3、结果统计
确定性系
数平均值
次洪总场数 [,] [,) [,) 预报项目
精度等级
梅山水库 13（场） 0（场） 12（场） 1（场） 乙等
鲇鱼山水库 16（场） 2（场） 14（场） 0（场） 乙等
5. 结 论
梅山、鲇鱼山水库防洪预报调度系统基于数字高程模型（DEM）数据提取数字流域水
系，剖分产流单元，构建拓扑关系，解决了面雨量计算问题；完成了典型小流域的流域水文
模型参数率定；研制了梅山水库和鲇鱼山水库实时洪水预报及防洪调度方案；开发了相应的
软件系统，系统结构体系完整，模拟精度满足实时洪水预报调度要求。
参考文献
[1] 包为民，钟平安，李光炽等．水库洪水调度系统技术报告［R］．南京：河海大学水资源环境学院，2002．
[2] 董光璧．21世纪的科学与中国［A］．中国科学院，2002科学发展报告［C］．北京：科学出版社，2002，
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[3] SL 323—2005．实时雨水情数据库表结构与标识符标准［S］．北京：中华人民共和国水利部，2005．
[4] 闫顺喜．水库实时洪水预报与调度计算机模拟初探［J］．山西水利科技，2005，2（156）：50-52．
[5] 赵人俊．流域水文模拟［M］．北京：水利电力出版社，1984．
[6] SL 250—2000．水文情报预报规范［S］．北京：中华人民共和国水利部，2000．
A real-time flood forecast and scheduling system for
reservoir based on DEM
Yang Bang, Ren Liliang, Xu Qin
College of Water Resources and Environment, Hohai University, Nanjing, Jiangsu,
China (210098)
Abstract
Combining with digital hydrology theory and hydrological model, a real-time flood forecast and
scheduling system for reservoir based on DEM is established and then is applied in Meishan reservoir
and Nianyushan reservoir. The result shows that the system can obtain satisfactory forecast precision.
Keywords: DEM, real-time, forecast and scheduling, system
作者简介：杨邦，男，1982年生，硕士研究生，主要研究方向是数字水文。
