面向洪水預(yù)警預(yù)報(bào)的水文數(shù)據(jù)自動(dòng)化整合與系統(tǒng)集成

梁寧

(玉林水文中心,廣西玉林537000)

1 區(qū)域概況

玉林市位于廣西東南部，境內(nèi)3大水系主要是獨(dú)流入海的南流江、九洲江與珠江流域西江水系的北流河，均發(fā)源于玉林境內(nèi)；小部分屬郁江水系武思江的支流和廣東鑒江水系的支流，都屬于中小河流。南流江流入北海合浦縣，在玉林轄區(qū)內(nèi)集水面積5395 km2，干流長(zhǎng)197.1 km，多年平均徑流深為775.8 mm；北流河流入梧州藤縣，在玉林轄區(qū)內(nèi)集水面積3643 km2，干流長(zhǎng)161 km，多年平均徑流深954.7 mm；九洲江匯入廣東鶴地水庫(kù)，在廣西境內(nèi)集水面積1092 km2，干流長(zhǎng)85.5 km，多年平均徑流深為996.6 mm。

全市50 km2以上集水面積的河流104條，建有水文（位）站62個(gè)，均測(cè)定防洪警戒水位，其中集水面積最大為3610 km2，最小為17 km2，200 km2以下的有40個(gè)站點(diǎn)，匯流時(shí)間小于3 h的有24個(gè)，洪水期間暴漲暴落，屬于典型的暴雨主導(dǎo)型流域，受匯流影響較?。唤ㄓ杏炅空?21個(gè)。從流域水系、集水面積、站網(wǎng)分布和洪水影響等方面考慮，都比較適合構(gòu)建洪水預(yù)警預(yù)報(bào)一體化體系。

區(qū)域水系及水文站網(wǎng)分布見(jiàn)圖1。

圖1 玉林市江河水系及水文站網(wǎng)分布圖

2 模型構(gòu)建

2.1 多元線性回歸

回歸分析是研究變量之間相關(guān)關(guān)系的一種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，也是水文學(xué)中的重要研究工具。本系統(tǒng)主要采用多元回歸方法建立經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)模型。

如果因變量y與m個(gè)自變量x1，x2，…，xm之間存在線性函數(shù)關(guān)系，有n組觀測(cè)數(shù)據(jù)（n＞m），則有：

式中：y0、y1、y2、…、ym為觀測(cè)值；b0、b1、b2、…、bm為經(jīng)驗(yàn)回歸系數(shù)。

2.2 顯著性檢驗(yàn)

2.2.1 F檢驗(yàn)

對(duì)任意一組觀測(cè)數(shù)據(jù)，需要確定自變量與因變量之間是否存在線性關(guān)系，即進(jìn)行F分布顯著性檢驗(yàn)。顯著性原假設(shè)是：在總體中，因變量與所有自變量都不存在線性回歸關(guān)系，即

當(dāng)原假設(shè)H0成立時(shí)，統(tǒng)計(jì)量F：

根據(jù)式（5），當(dāng)用樣本得到的F值大于Fα?xí)r，拒絕原假設(shè)H0，即線性回歸方程是顯著的；否則所得方程無(wú)意義，因變量與自變量之間不存在線性回歸關(guān)系。

2.2.2 T檢驗(yàn)

通過(guò)了F檢驗(yàn)，只能說(shuō)明回歸方程中的m個(gè)回歸系數(shù)不全為0，而不能排除其中某個(gè)回歸系數(shù)為0。如果某個(gè)bk（k=1,2,…,m）為0，說(shuō)明xk與y不存在線性關(guān)系，應(yīng)從方程剔除。

雙側(cè)檢驗(yàn)：H0:bk=0;H1:bk≠0。

選擇統(tǒng)計(jì)量T：

當(dāng)H0成立時(shí)，T服從自由度為(n-m-1)的t分布。對(duì)給定的α和自由度(n-m-1)，由t分布表查出臨界值tα2，其滿足

當(dāng)|T |>tα2，則拒絕假設(shè)H0，接受H1，即因子xk與y存在顯著線性關(guān)系，應(yīng)予保留；否則剔除xk，重新計(jì)算經(jīng)驗(yàn)回歸系數(shù)，再重復(fù)顯著性檢驗(yàn)。

在洪水經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)模型中，將洪峰水位（流量）作為觀測(cè)值y，將流域面平均雨量、有效降雨歷時(shí)、起漲水位、同時(shí)水位、漲幅，以及上游站（如存在）的洪峰、漲幅、歷時(shí)、同時(shí)水位等多個(gè)因子作為x1,x2,???,xm，對(duì)轄區(qū)每一個(gè)水文站（斷面），摘錄歷史洪水場(chǎng)次，構(gòu)建多元回歸預(yù)報(bào)模型。對(duì)于各個(gè)水文站（斷面），由于氣象水文特性和下墊面條件不同，各自適用的回歸因子也可能有所不同，因此，最后采用F檢驗(yàn)和T檢驗(yàn)，篩選出顯著相關(guān)的因子，剔除不敏感因子，最終得到適應(yīng)該站（斷面）特性的多元回歸方程，提高預(yù)測(cè)精度。

3 系統(tǒng)集成

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本研究基于玉林市轄區(qū)各江河水文站特性，構(gòu)建了面向洪水預(yù)警預(yù)報(bào)的水文數(shù)據(jù)自動(dòng)化整合體系。

系統(tǒng)采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）3層體系結(jié)構(gòu)搭建，采用HTML、Javascript作為主要前端語(yǔ)言，以PHP為服務(wù)器端技術(shù)支撐，使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，良好實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)兼容，電腦、手機(jī)、平板均可使用，同時(shí)便于版本升級(jí)、后期維護(hù)。面向洪水預(yù)警預(yù)報(bào)的水文數(shù)據(jù)自動(dòng)化模型體系結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

圖2 面向洪水預(yù)警預(yù)報(bào)的水文數(shù)據(jù)自動(dòng)化模型體系結(jié)構(gòu)圖

（1）數(shù)據(jù)采集層：銜接各市級(jí)水文系統(tǒng)的雨水情遙測(cè)接收數(shù)據(jù)庫(kù)，直接讀取遙測(cè)雨水情、站點(diǎn)基礎(chǔ)信息等，避免與遙測(cè)終端通訊、數(shù)據(jù)傳輸、報(bào)文解析等重復(fù)工作量；部分基礎(chǔ)信息從交換數(shù)據(jù)庫(kù)讀取。

（2）功能邏輯層：水文模型參數(shù)計(jì)算機(jī)程序化，將采集的雨、水情遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模塊化處理，生成多元回歸模型涉及的因子：次洪面雨量、歷時(shí)、起漲水位、洪峰水位、漲幅等。進(jìn)行洪峰計(jì)算及超警判斷，生成雨量過(guò)程線和水位過(guò)程線。

（3）業(yè)務(wù)表現(xiàn)層：前端界面主要包括預(yù)警監(jiān)控、雨量過(guò)程線、水位過(guò)程線（含漲率）展示3部分。預(yù)警監(jiān)控主頁(yè)主要通過(guò)表格形式展示雨水情實(shí)時(shí)監(jiān)控信息和洪峰預(yù)測(cè)結(jié)果，專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)而成果簡(jiǎn)明，適用于一線水文人員；雨量、水位過(guò)程線以圖表形式供工作人員查看過(guò)程信息，較為直觀，同時(shí)便于進(jìn)行模型結(jié)果調(diào)整。

（4）適用對(duì)象：提供管理員賬戶(hù)和普通業(yè)務(wù)賬戶(hù)，分級(jí)管理。管理員賬戶(hù)默認(rèn)查詢(xún)市級(jí)所有水文站點(diǎn)，普通業(yè)務(wù)賬戶(hù)依據(jù)登錄用戶(hù)分別查詢(xún)各縣（市、區(qū)）水文中心站；兩類(lèi)賬戶(hù)均可手工指定縣域查詢(xún)范圍，既減少數(shù)據(jù)干擾，又兼顧流域上下游信息互通。

3.2 主界面展示

主界面主要綜合了實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、預(yù)警研判模塊、報(bào)警提示模塊、定時(shí)更新模塊、歷史查詢(xún)模塊等。從頁(yè)面展示信息劃分，又可以分為系統(tǒng)菜單欄、系統(tǒng)狀態(tài)欄、輸入?yún)?shù)欄、搜索欄、預(yù)測(cè)成果表（見(jiàn)圖3）。

圖3 系統(tǒng)主界面展示

（1）預(yù)測(cè)成果表主要分為6大類(lèi)。①站點(diǎn)信息：站名、警戒水位、集水面積、河流、政區(qū)；②實(shí)時(shí)信息：當(dāng)前時(shí)間、當(dāng)前水位、水勢(shì)、當(dāng)前超警；③預(yù)測(cè)信息：預(yù)測(cè)洪峰水位～預(yù)見(jiàn)期等連續(xù)8列；④臨界雨量信息：警戒面雨量、累計(jì)面雨量、次面雨量；⑤多元回歸模型信息：次面雨量～準(zhǔn)確率等連續(xù)6列；⑥提示信息：對(duì)當(dāng)前和未來(lái)水情作出的評(píng)價(jià)。

（2）自動(dòng)刷新。當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)定每10 min自動(dòng)刷新一次，進(jìn)行數(shù)據(jù)更新、研判，并判斷是否發(fā)出相應(yīng)提示和報(bào)警。用戶(hù)可以根據(jù)需要修改刷新時(shí)間值。

（3）預(yù)警彈窗。當(dāng)系統(tǒng)自動(dòng)刷新或人工查詢(xún)時(shí)，出現(xiàn)以下任意一種情況系統(tǒng)會(huì)彈出報(bào)警提示框并自動(dòng)播放音樂(lè)：①預(yù)測(cè)將有1個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)超警洪水（此時(shí)，顯示“預(yù)測(cè)超警表”）；②當(dāng)前已有1個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)超警洪水（此時(shí)，顯示“當(dāng)前超警表”）。當(dāng)①②同時(shí)發(fā)生，則2種提示表格同時(shí)顯示（見(jiàn)圖4）。

圖4 預(yù)警提示框

3.3 系統(tǒng)特色

（1）智能模式：針對(duì)基層水文用戶(hù)，提供了操作簡(jiǎn)易的“智能模式”，只需保持主界面不關(guān)閉即可。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)監(jiān)控、分析研判、預(yù)警提示、定時(shí)輪詢(xún)，并將結(jié)果展示在成果表中，根據(jù)需要作出報(bào)警提示，全程無(wú)須人工干預(yù)。這大大降低了使用門(mén)檻。

（2）人機(jī)交互：系統(tǒng)同時(shí)提供了豐富的交互功能，用戶(hù)可以根據(jù)需求自定義站點(diǎn)查詢(xún)范圍、過(guò)去歷史洪水、洪水歷時(shí)、輪詢(xún)時(shí)間、報(bào)警音樂(lè)等。

（3）定時(shí)輪詢(xún)：系統(tǒng)基于遙測(cè)數(shù)據(jù)（一般每5 min加報(bào)一次），每10 min輪詢(xún)一次，一旦研判超警，會(huì)彈出相應(yīng)文字提示框與聲音報(bào)警。

（4）拓展功能：系統(tǒng)增加了當(dāng)前水位超警信息、站點(diǎn)警戒面雨量、最大漲幅、出峰提示，與實(shí)測(cè)洪峰水位誤差對(duì)比等功能，便于專(zhuān)業(yè)水文人員獲取更多洪水信息，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)一步校準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本研究針對(duì)當(dāng)前水文數(shù)據(jù)的利用方式缺乏業(yè)務(wù)邏輯，通過(guò)以洪水預(yù)警預(yù)報(bào)為目標(biāo)，開(kāi)展水文數(shù)據(jù)自動(dòng)化整合，并以廣西玉林市為研究區(qū)域，構(gòu)建了集數(shù)據(jù)處理、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和分析評(píng)價(jià)等功能于一體的智能化水文信息處理服務(wù)體系。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，通過(guò)實(shí)時(shí)采集遙測(cè)雨水情數(shù)據(jù)，采用多元回歸經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)轄區(qū)所有水文站洪水“一鍵式”自動(dòng)化、批量化預(yù)警研判；并根據(jù)江河防洪指標(biāo)開(kāi)展超警評(píng)價(jià)，以文字和聲音方式報(bào)警提示。通過(guò)面向目標(biāo)的自動(dòng)化數(shù)據(jù)整合，打通了水文數(shù)據(jù)與目標(biāo)產(chǎn)品的自動(dòng)化通道，大大減少了預(yù)報(bào)人員的工作量，同時(shí)最大限度延長(zhǎng)轄區(qū)洪水預(yù)見(jiàn)期。