基于B/S架構的實時校正洪水預報模型研究

樊青松,肖晨旦

(1.溫嶺市水利局，浙江 臺州 317500；2.浙江中水工程技術有限公司，浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

水庫是防御洪水過程中廣泛采用的一種重要的工程措施。在防洪保護對象上游興建水庫攔蓄洪水，通過水庫庫容調蓄減小下游的洪峰流量，達到減免洪水災害損失的目的。浙江省水庫眾多，大部分為中小型水庫，這些水庫在防洪、供水和灌溉等方面發(fā)揮著重要作用，是浙江省防汛工程體系和水利基礎設施的重要組成部分。隨著經濟社會快速發(fā)展，單位面積上財產凈值越來越大，緊隨著的防洪任務越來越重，同時興利要求越來越高。水庫不僅要滿足日常生活、生產日益增長的水資源需求，還要在改善水環(huán)境、水生態(tài)等方面發(fā)揮重要作用。因此，水庫一方面需要騰出足夠庫容容納可能發(fā)生的洪水，另一方面需要大量蓄水滿足興利需要。

為解決水庫防洪興利之間的矛盾，水利部近年來開展了對全國重點中小型水庫水雨情自動監(jiān)測系統(tǒng)的建設工作。在此基礎上，對一些重要中小河流開展洪水預報。

洪水預報是根據現在已經掌握的水文、氣象資料，預報流域上某一斷面(或水庫)在未來一定時期內(即預見期)將要出現的流量、水位過程。隨著通信技術和電子計算機技術的快速發(fā)展，根據遙測信息開展實時洪水預報也進一步發(fā)展起來。到目前為止，實時洪水預報系統(tǒng)從洪水預報經驗模型預報、與水情信息處理相結合的實時洪水預報階段，發(fā)展到引入實時校正技術的洪水預報系統(tǒng)階段[1-2]。文章將實時校正的洪水預報技術與B/S的網絡架構技術相結合，實現模型計算與結果數據瀏覽物理分離，從而隨時隨地服務于防洪調度決策。

2 實時洪水預報模型算法

實時洪水預報模型采用循環(huán)遞進方式給定模型所需的邊界條件，它與洪水演進規(guī)劃模型不同，洪水演進規(guī)劃模型采用一次性給定邊界過程的方式。但是，兩個模型的共同之處是模型的核心算法是一致的。

2.1 新安江三水源模型

目前，新安江三水源模型在國內洪水預報中得到了廣泛應用，特別在我國南方濕潤和半濕潤地區(qū)。新安江模型主要用于洪水預報，也常被應用于水資源評價規(guī)劃、洪水管理等。

新安江三水源模型采用流域蓄水曲線考慮下墊面不均勻對產流面積變化的影響，采用三層蒸散發(fā)模型計算流域蒸散發(fā)量。同時，新安江模型把總徑流劃分成飽和地面徑流、壤中流和地下水徑流。單元面積的地面匯流一般采用單位線法，壤中流和地下水徑流匯流則采用線性水庫方法。

新安江三水源模型主要由4部分組成：①水源劃分:水源分為地表徑流、壤中流、地下徑流3種形式；②產流計算:模型產流采用蓄滿產流模型，但流域不透水面積之比增加1個IMP參數；③蒸散發(fā)計算，蒸散發(fā)分為上層、下層和深層；④匯流計算，匯流分為坡面、河網匯流2個階段[3-6]。

2.2基于Volterra級數濾波器的實時校正方法

(1)

本文將采用誤差校正方法進行實時校正，令時間延遲為τ，嵌入維數為m，根據重構出來的相空間(如式(2))對其進行預報。

{x(t),x(t+τ),…,x(t+(m-1)τ)}，t=1,2,…,n-(m-1)τ

(2)

在眾多的非線性預測方法中，學者們大量采用基于Volterra級數展式的非線性自適應濾波器。學者們認為，洪水預報殘差系列具有混沌特性，可以用m階截斷求和的Volterra級數來表達。

(3)

式(3)包含了線性項和非線性項，屬于參數辨識模型。與其他模型比較，它具有更好的非線性模擬性能?？紤]到其本身的求解，一般采用二階Volterra自適應濾波器進行擬合。為快速求解，本文利用自組織法對二階Volterra自適應濾波器非線性耦合項求解，具體步驟如下：

設自變量向量X(t)為(x(1),x(2),…,x(n))，y為因變量。任取其中二個自變量xi，xj構成二元多次多項式函數

(4)

系數由重構好的輸入、輸出數據集確定。

在第一層，首先根據輸入輸出數據得到各個中間變量，然后按一定規(guī)則剔除效果較差的，然后，輸入為留下較好的中間變量，輸出仍然為y，以同樣的方法得出第二層的表達式

(5)

如此繼續(xù)，一層一層地循環(huán)篩選，直到找到近似程度滿意的一層部分表達式為止。由于兩個變量的二次多項式以多重迭加的形式，將它們依次代入，就可求得式(3)的形式(如有s層，y就是原來輸入變量的2s次多項式)。

3 B/S架構設計

圖1所示的B/S模式的優(yōu)點在于不僅可及時提供信息資源,而且系統(tǒng)升級時只需要修改服務器端軟件,不必更新所有的客戶端軟件。并且隨著移動終端的發(fā)展，非常普及的智能手機大部分都可以實現瀏覽器的Web服務器訪問，實現了信息查看的便捷性(除局域網)[7-8]。

洪水預報模塊以“.exe”或者“.dll”的形式存放于Web服務器中，服務器每隔1 h定時啟動程序進行預報計算，同時模型參數做實時調整。模塊運行所需要的實時水雨情數據存放于數據庫服務器中。用戶通過Web瀏覽器對洪水預報模塊的計算結果進行查詢。

圖1 B/S系統(tǒng)架構圖

4 應用實例

牛角灣預報斷面位于龍游靈山港主要支流廟下溪上，牛角灣預報斷面以上流域面積71.45 km2，主流長17.6 km，河道平均比降0.02。選擇“20150530”“20150609”“20150618”“20150701”“20150705”“20150809”和“20150815”共7場洪水，根據實際降雨過程，對新安江模型參數進行率定，得到新安江模型各參數取值如下：

①土壤初始含水量：上層18 mm，下層80 mm，深層20 mm;

②土壤最大含水量：上層20 mm，下層80 mm，深層20 mm;

③流域蒸散發(fā)能力轉換系數：0.65;

④流域深層蒸散發(fā)系數：0.18;

⑤張力水蓄水容量曲線指數：0.3;

⑥不透水面積比：0.01;

⑦土壤自由水蓄水容量：20 mm;

⑧土壤自由水蓄水容量曲線指數：1.0;

⑨地下水日出流系數：0.3;

⑩壤中流日出流系數：0.4;

根據實際降雨過程，對新安江模型參數進行率定，并求得該預報斷面處的洪水過程，最高水位統(tǒng)計結果(見表1)。從模型率定結果來看，各場洪水實測峰現時間與計算峰現時間基本相符，且計算的洪水過程與實測洪水過程變化趨勢也基本相符。

表1 歷史洪水最高水位值表 m

該模塊自2015年12月上線運行以來，經歷了“20160515”“20160603”“20160616”這3場洪水，從預報值和實測值比較來看，無論峰現時間和峰值預報精度均較高(見圖2—4)。

圖2 “20160515”洪水預報值和實測值對比

圖3 “20160603”洪水預報值和實測值對比

圖4 “20160616”洪水預報值和實測值對比

5 結 論

(1)B/S架構的產品有非常方便的特性，網絡管理人員只需在服務器端管理B/S架構管理軟件，同時用戶完全通過Web瀏覽器實現訪問。

(2)水庫標準化管理信息系統(tǒng)都是基于B/S架構，本文的基于B/S架構的實時洪水預報模型可以有效地與該系統(tǒng)兼容。

(3)本文的實時洪水預報模型運行于服務器端，根據用戶需求可以定時進行預報，算法本身完成參數調整，用戶僅需從IE端查詢預報結果。

(4)本文洪水預報模型以新安江模型為基礎，引入基于Volterra級數濾波器的實時校正方法，模型的預報結果達到了較高的精度。