中小河流洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

辛達(dá)洲　彭進(jìn)

摘 要：本文介紹了中小河流洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展歷程以及研究的目的和意義，分析了目前洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)存在的哪些問題，分析了洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)的主要組成部分的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了中小河流洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：中小河流；預(yù)測(cè)系統(tǒng)；預(yù)測(cè)模型

洪水預(yù)測(cè)是人類在與自然斗爭(zhēng)的客觀需求推動(dòng)下發(fā)展起來的，根據(jù)現(xiàn)時(shí)掌握的水文、氣象資料，預(yù)測(cè)河水在未來的一定時(shí)間內(nèi)將要出現(xiàn)的流量、過程。根據(jù)預(yù)報(bào)的方法不同可分為水文氣象法、降雨徑流法和河段洪水演進(jìn)法三類。傳統(tǒng)的洪水預(yù)測(cè)技術(shù)多建立在經(jīng)驗(yàn)相關(guān)的基礎(chǔ)上，隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，洪水預(yù)測(cè)在信息處理技術(shù)上取得了突猛的發(fā)展，明顯的增強(qiáng)了預(yù)測(cè)的精度和時(shí)間長度。本文在對(duì)洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹的基礎(chǔ)上對(duì)中小河流洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用于研究進(jìn)行簡(jiǎn)單的探討。

1 中小河流洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)概述

1.1 中小河流洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀

從20世紀(jì)70年代開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展，河流洪水預(yù)測(cè)也得到了迅速的發(fā)展。洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展在國外經(jīng)歷了3個(gè)階段，第一階段是聯(lián)機(jī)預(yù)測(cè)作業(yè)階段，將水情信息采集、傳輸、處理和洪水預(yù)測(cè)為一體，完成洪水預(yù)測(cè)作業(yè)；第二階段是實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)校正階段，在預(yù)測(cè)系統(tǒng)中引入現(xiàn)代控制理論，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息與預(yù)測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)校正；第三階段是交互式洪水預(yù)測(cè)階段，利用圖形交互處理技術(shù)對(duì)洪水預(yù)測(cè)的中間環(huán)節(jié)進(jìn)行人工干預(yù)，充分利用專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，有效提高洪水預(yù)測(cè)水平。而我國目前洪水預(yù)測(cè)還停留在第一階段，低水平的重復(fù)研究現(xiàn)象比較嚴(yán)重，與發(fā)達(dá)國家有很大的差距。國外先進(jìn)的洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)完全采用模塊化結(jié)構(gòu)，建立獨(dú)立的預(yù)報(bào)模型庫，可以根據(jù)用戶需要選擇相應(yīng)的模型，且數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，使用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的模塊設(shè)計(jì)思路，各個(gè)河流站點(diǎn)可以獨(dú)立的預(yù)測(cè)，也可以一個(gè)地區(qū)整體預(yù)測(cè)，范圍廣泛。

1.2 中小河流洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)研究主要內(nèi)容

現(xiàn)代洪水預(yù)測(cè)涉及信息采集和傳送系統(tǒng)、水文預(yù)報(bào)模型開發(fā)、模型參數(shù)率定、模型檢驗(yàn)、實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)濾波和校正技術(shù)等。水文模型是洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)的研究的重點(diǎn)部分，全世界洪水預(yù)測(cè)模型有兩百多種，都是針對(duì)不同的情況提出的。其模型大致分為水文物理和水文數(shù)學(xué)模型兩大類。其中水文物理模型主要通過實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)來確定流域相關(guān)參數(shù)，并用這些參數(shù)來描述流域的特性，計(jì)算可能的洪水參數(shù)。水文數(shù)學(xué)模型可分為線性模型、非線性模型、時(shí)變模型與非時(shí)變模型等。

洪水預(yù)測(cè)模型的發(fā)展將為洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的完善提供支撐條件，不斷的根據(jù)中小河流所在流域的新的水文、氣象。地理特性及有關(guān)水文資料，論證選用適合于該流域水文特性的洪水預(yù)報(bào)模型，完成洪水預(yù)報(bào)模型的參數(shù)率定及預(yù)報(bào)方案編制，使洪水預(yù)報(bào)誤差盡可能小，結(jié)果更接近于實(shí)測(cè)值。

1.3 洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)存在的問題

我國幅員遼闊，各地區(qū)水文氣候條件、自然地理、人文活動(dòng)差異很大，建立通用化的河流洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)難度很大。國內(nèi)現(xiàn)有預(yù)報(bào)方案構(gòu)建技術(shù)、洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)均是針對(duì)特定的問題、特定的對(duì)象或特定的需求而開發(fā)建設(shè)的，目前仍沒有一套預(yù)報(bào)系統(tǒng)能很好地解決洪水預(yù)報(bào)工作中一些普遍問題比如一般預(yù)報(bào)員需要修改系統(tǒng)軟件才能加入新的預(yù)測(cè)模型，不能通過圖形界面任意選擇預(yù)測(cè)模型構(gòu)建預(yù)報(bào)方案，還不能通過人工試錯(cuò)和自動(dòng)優(yōu)選方便完成多模型、多參數(shù)的模型率定，只能完成一種的河系水文預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。因此，當(dāng)前我國的洪水預(yù)報(bào)現(xiàn)狀在預(yù)報(bào)方案構(gòu)建上總體上處于發(fā)展時(shí)期，在實(shí)際應(yīng)用上仍然存在著許多問題。由于缺乏統(tǒng)一的指導(dǎo)和管理，導(dǎo)致全國各地在洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)上不同程度地低水平重復(fù)開發(fā)、重復(fù)研制，新技術(shù)應(yīng)用起點(diǎn)低，預(yù)報(bào)方案、預(yù)報(bào)系統(tǒng)五花八門，系統(tǒng)功能不全，應(yīng)用不便，擴(kuò)充性不強(qiáng)，時(shí)效性差，不方便推廣應(yīng)用。

2 洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)的組成

河流洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)是將洪水預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算分析、預(yù)報(bào)信息的分布服務(wù)聯(lián)為一體。通過分析研究洪水特點(diǎn)及流域地形地貌特征，采用水文學(xué)、水力學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)等相結(jié)合的方法，建立實(shí)用的洪水預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)方案和數(shù)學(xué)預(yù)報(bào)模型。在實(shí)際應(yīng)用中，以實(shí)時(shí)雨情、水情、工情、氣象等各類實(shí)時(shí)信息作為輸入，通過啟動(dòng)預(yù)報(bào)模型和方法，對(duì)洪峰水位（流量）、洪水過程、洪量等洪水要素進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，為防汛減災(zāi)指揮部門提供決策依據(jù)。

河流洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)，集信息處理和查詢、歷史實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、模型率定、實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)和交互式修正為有機(jī)整體。系統(tǒng)軟件要有一套較強(qiáng)的學(xué)習(xí)和自適應(yīng)修正功能，使得軟件使用時(shí)間越長，越了解流域的水文特點(diǎn)和工情特點(diǎn)，預(yù)測(cè)的精度越準(zhǔn)。

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

河流洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)在Windows XP環(huán)境下開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Server，采用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)語言VS和ASP.NET。本軟件設(shè)計(jì)堅(jiān)持實(shí)用性、可靠性、先進(jìn)性、開放性的原則。系統(tǒng)做到通用性強(qiáng)，接口標(biāo)準(zhǔn)，操作簡(jiǎn)單；系統(tǒng)應(yīng)保證正常運(yùn)行，能夠處理各種數(shù)據(jù)，功能模塊經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試，具有良好的容錯(cuò)和自診斷能力，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息和瀏覽器/服務(wù)器（B/S）環(huán)境，可以在任何聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)上面完成洪水預(yù)報(bào)作業(yè)。

2.2 預(yù)測(cè)模型的選擇

經(jīng)過水文學(xué)家?guī)资甑呐?，國?nèi)外已建立了大量的洪水預(yù)測(cè)模型，其中應(yīng)用最多的有Stanford模型、薩克拉門托模型、水箱模型和中國的新安模型。雖然模型眾多，在模擬技巧方面是一致的，有些模型的結(jié)構(gòu)將超滲與蓄滿兩種不同的產(chǎn)流方法兼容于同一模型，模型的復(fù)雜程度與模型的精確之間沒有必然的聯(lián)系，有些簡(jiǎn)單的模型精度更高，在生產(chǎn)實(shí)踐中往往根據(jù)對(duì)模型的認(rèn)識(shí)、評(píng)價(jià)和多年預(yù)報(bào)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本流域的特性，挑選相適應(yīng)的模型。

我國現(xiàn)存的洪水預(yù)測(cè)模型多為經(jīng)驗(yàn)相關(guān)模型和概念性模型，作為集總式模型，它們對(duì)流域空間特性進(jìn)行了概化，因此不能反映實(shí)際暴雨洪水產(chǎn)匯流的空間分布特性，無法全面地刻畫水文系統(tǒng)分散輸入集中輸出的產(chǎn)匯流規(guī)律，也就給洪水預(yù)測(cè)帶來誤差，影響了洪水預(yù)測(cè)的精度。1969年，F(xiàn)reeze和Harlan提出了分布式水文物理模型的概念和框架，開始了分布式水文模型的研究歷程。20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)，地理信息系統(tǒng)（GIS），數(shù)字高程模型（DEM）和遙感（RS）技術(shù)迅速發(fā)展，為研制和建立分布式水文模型提供了強(qiáng)大和及時(shí)的技術(shù)支撐。故從提高精度和增長預(yù)見期的要求出發(fā)，應(yīng)開放分布式水文模型。

2.3 預(yù)報(bào)方案

軟件平臺(tái)應(yīng)具備預(yù)報(bào)方案構(gòu)建功能，包括歷史資料分析處理、預(yù)報(bào)方案構(gòu)建、模型參數(shù)率定、預(yù)報(bào)方案管理等功能。預(yù)報(bào)方案構(gòu)建功能通過人機(jī)界面構(gòu)建相關(guān)圖預(yù)報(bào)方案、水文模型預(yù)報(bào)方案，通過人機(jī)界面輸入、定制預(yù)報(bào)方案的各要素值。歷史資料處理功能用于輸入、轉(zhuǎn)錄、檢查、修改用于制作洪水預(yù)報(bào)方案的歷史水文資料。模型參數(shù)率定功能可通過人工試錯(cuò)和自動(dòng)優(yōu)選相耦合的率定子系統(tǒng)，對(duì)任何預(yù)報(bào)模型單值參數(shù)進(jìn)行參數(shù)率定，以完成系統(tǒng)建模工作。

2.4 模型參數(shù)率定

優(yōu)選參數(shù)是參數(shù)率定的重要環(huán)節(jié)，通常采用確定性系數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選。當(dāng)目標(biāo)函數(shù)選定后，常用的優(yōu)選方法有人工試錯(cuò)法、自動(dòng)優(yōu)選法及人與計(jì)算機(jī)聯(lián)合優(yōu)選3種。人工試錯(cuò)法的基本原則是設(shè)定一組參數(shù)，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)算，比較模擬值與實(shí)測(cè)值，人工分析對(duì)比或計(jì)算其目標(biāo)函數(shù)，再調(diào)整參數(shù)，重復(fù)計(jì)算，直至達(dá)到最優(yōu)參數(shù)即為所求。人工調(diào)試可根據(jù)參數(shù)的性質(zhì)不同而側(cè)重不同，如產(chǎn)流參數(shù)主要決定于時(shí)段內(nèi)水量平衡和水源比例分配，而匯流參數(shù)主要決定于洪水過程的形狀。人工調(diào)試最優(yōu)參數(shù)簡(jiǎn)單實(shí)用，可以充分利用人們的知識(shí)技能和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有利于模型的應(yīng)用，至今仍是各種模型調(diào)試參數(shù)所采用的主要方法。

自動(dòng)優(yōu)選法采用數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，自動(dòng)求解參數(shù)的最優(yōu)值，又可統(tǒng)稱為搜索技術(shù)。此種方法可以系統(tǒng)地找到一組參數(shù)，使給定的目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)，常用的優(yōu)化方法有單純形法、轉(zhuǎn)軸法、懲罰函數(shù)法等。但自動(dòng)優(yōu)選參數(shù)卻存在以下問題：由于水文模型的復(fù)雜性，增加了參數(shù)優(yōu)選的難度。同時(shí)，自動(dòng)優(yōu)選如不加約束，常會(huì)得出離奇的參數(shù)值，即使加了約束，又會(huì)遇到各式各樣的困難。近些年一些新的優(yōu)化方法如遺傳算法（GAS）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）應(yīng)用于參數(shù)優(yōu)化，效果不錯(cuò)。參數(shù)自動(dòng)優(yōu)選軟件的研制是一個(gè)高難度課題，某些預(yù)報(bào)方法已有較成熟的自動(dòng)優(yōu)化軟件，稍加改進(jìn)即可投入實(shí)際應(yīng)用，但更多的預(yù)報(bào)模型的參數(shù)自動(dòng)優(yōu)選軟件，需根據(jù)流域?qū)嶋H情況研制開發(fā)。

應(yīng)用實(shí)踐表明，模型參數(shù)的調(diào)試，應(yīng)該是人機(jī)結(jié)合。如何在機(jī)器優(yōu)選中體現(xiàn)人工調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，這是模型參數(shù)自動(dòng)優(yōu)選的發(fā)展方向。

2.5 實(shí)時(shí)洪水預(yù)測(cè)

洪水預(yù)測(cè)是基于已建立的洪水預(yù)測(cè)方案，根據(jù)當(dāng)前最新實(shí)時(shí)雨水情，對(duì)未來一段時(shí)間內(nèi)的洪水過程做出預(yù)測(cè)。充分考慮工作人員的習(xí)慣和預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，其主要功能包括：實(shí)時(shí)資料分析處理、自動(dòng)預(yù)報(bào)、人工交互預(yù)報(bào)、歷史對(duì)比分析、區(qū)域管理。實(shí)時(shí)資料分析處理主要用于獲取實(shí)時(shí)雨水情信息并處理成可供預(yù)測(cè)方案直接使用的數(shù)據(jù)格式，包括降水量、河道水情、水庫水情、閘壩水情等。該功能模塊應(yīng)自動(dòng)對(duì)實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)庫進(jìn)行預(yù)處理，生成預(yù)報(bào)使用的水情數(shù)據(jù)，具有一定的數(shù)據(jù)插補(bǔ)糾錯(cuò)功能；應(yīng)充分利用雷達(dá)測(cè)雨信息彌補(bǔ)降雨信息的不足；具有預(yù)見期降雨預(yù)報(bào)的處理接口，

洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)是實(shí)時(shí)防洪調(diào)度系統(tǒng)中最重要的、 技術(shù)難度最大、通用性最差的系統(tǒng)，其難度主要體現(xiàn)在系統(tǒng)要求洪水預(yù)測(cè)精度盡可能高、預(yù)見期盡可能長、受系統(tǒng)環(huán)境影響盡可能小和動(dòng)態(tài)跟蹤能力盡可能強(qiáng)。實(shí)時(shí)洪水預(yù)測(cè)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，重點(diǎn)要考慮如下幾方面的問題：流域水文預(yù)報(bào)模型選擇；觀測(cè)資料誤差動(dòng)態(tài)監(jiān)控分析與實(shí)時(shí)抗差性研究；系統(tǒng)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)跟蹤與誤差實(shí)時(shí)修正；系統(tǒng)遇不正常情況的修復(fù)與處理；軟件容錯(cuò)性設(shè)計(jì)；模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與子系統(tǒng)集成。

3 小結(jié)

中小河流洪水預(yù)測(cè)系統(tǒng)是流域防洪調(diào)度決策支持系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，是實(shí)現(xiàn)防洪調(diào)度系統(tǒng)科學(xué)、高效、可靠決策的基礎(chǔ)。洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)基于實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)庫、預(yù)報(bào)專用數(shù)據(jù)庫，采用規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、先進(jìn)的構(gòu)件化、開放性結(jié)構(gòu)，建立常用預(yù)報(bào)模型和方法庫，能方便地加入新的預(yù)報(bào)模型，快速地構(gòu)造多種類的預(yù)報(bào)方案，具有人工試錯(cuò)和自動(dòng)優(yōu)選相耦合的模型率定功能，結(jié)合現(xiàn)有的生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，基于規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的軟硬件環(huán)境和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，采用模塊化結(jié)構(gòu)，研究開發(fā)一套具有通用性強(qiáng)、功能全面、操作簡(jiǎn)便的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)?？梢钥闯?，通用化是洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

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