中小河流洪水預測系統的研究與應用

辛達洲　彭進

摘 要：本文介紹了中小河流洪水預測系統發展歷程以及研究的目的和意義，分析了目前洪水預測系統存在的哪些問題，分析了洪水預測系統的主要組成部分的應用現狀，指出了中小河流洪水預測系統的發展方向。

關鍵詞：中小河流；預測系統；預測模型

洪水預測是人類在與自然斗爭的客觀需求推動下發展起來的，根據現時掌握的水文、氣象資料，預測河水在未來的一定時間內將要出現的流量、過程。根據預報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法三類。傳統的洪水預測技術多建立在經驗相關的基礎上，隨著生產的發展和科學技術的進步，洪水預測在信息處理技術上取得了突猛的發展，明顯的增強了預測的精度和時間長度。本文在對洪水預測系統進行簡單介紹的基礎上對中小河流洪水預測系統的應用于研究進行簡單的探討。

1 中小河流洪水預測系統概述

1.1 中小河流洪水預測系統現狀

從20世紀70年代開始，隨著計算機技術、網絡技術和數據庫技術的發展，河流洪水預測也得到了迅速的發展。洪水預測系統的發展在國外經歷了3個階段，第一階段是聯機預測作業階段，將水情信息采集、傳輸、處理和洪水預測為一體，完成洪水預測作業；第二階段是實時預測校正階段，在預測系統中引入現代控制理論，實現實時信息與預測結果的實時校正；第三階段是交互式洪水預測階段，利用圖形交互處理技術對洪水預測的中間環節進行人工干預，充分利用專家知識和經驗，有效提高洪水預測水平。而我國目前洪水預測還停留在第一階段，低水平的重復研究現象比較嚴重，與發達國家有很大的差距。國外先進的洪水預測系統完全采用模塊化結構，建立獨立的預報模型庫，可以根據用戶需要選擇相應的模型，且數據處理能力強，使用標準化、通用化的模塊設計思路，各個河流站點可以獨立的預測，也可以一個地區整體預測，范圍廣泛。

1.2 中小河流洪水預測系統研究主要內容

現代洪水預測涉及信息采集和傳送系統、水文預報模型開發、模型參數率定、模型檢驗、實時預報濾波和校正技術等。水文模型是洪水預測系統的研究的重點部分，全世界洪水預測模型有兩百多種，都是針對不同的情況提出的。其模型大致分為水文物理和水文數學模型兩大類。其中水文物理模型主要通過實驗和現場觀測來確定流域相關參數，并用這些參數來描述流域的特性，計算可能的洪水參數。水文數學模型可分為線性模型、非線性模型、時變模型與非時變模型等。

洪水預測模型的發展將為洪水預報系統的完善提供支撐條件，不斷的根據中小河流所在流域的新的水文、氣象。地理特性及有關水文資料，論證選用適合于該流域水文特性的洪水預報模型，完成洪水預報模型的參數率定及預報方案編制，使洪水預報誤差盡可能小，結果更接近于實測值。

1.3 洪水預測系統存在的問題

我國幅員遼闊，各地區水文氣候條件、自然地理、人文活動差異很大，建立通用化的河流洪水預測系統難度很大。國內現有預報方案構建技術、洪水預報系統均是針對特定的問題、特定的對象或特定的需求而開發建設的，目前仍沒有一套預報系統能很好地解決洪水預報工作中一些普遍問題比如一般預報員需要修改系統軟件才能加入新的預測模型，不能通過圖形界面任意選擇預測模型構建預報方案，還不能通過人工試錯和自動優選方便完成多模型、多參數的模型率定，只能完成一種的河系水文預測預報。因此，當前我國的洪水預報現狀在預報方案構建上總體上處于發展時期，在實際應用上仍然存在著許多問題。由于缺乏統一的指導和管理，導致全國各地在洪水預報系統建設上不同程度地低水平重復開發、重復研制，新技術應用起點低，預報方案、預報系統五花八門，系統功能不全，應用不便，擴充性不強，時效性差，不方便推廣應用。

2 洪水預測系統的組成

河流洪水預測系統是將洪水預報數學模型的計算分析、預報信息的分布服務聯為一體。通過分析研究洪水特點及流域地形地貌特征，采用水文學、水力學、河流動力學等相結合的方法，建立實用的洪水預報經驗方案和數學預報模型。在實際應用中，以實時雨情、水情、工情、氣象等各類實時信息作為輸入，通過啟動預報模型和方法，對洪峰水位（流量）、洪水過程、洪量等洪水要素進行實時預測，為防汛減災指揮部門提供決策依據。

河流洪水預測系統是在計算機上實現洪水預測系統，集信息處理和查詢、歷史實時數據處理、模型率定、實時洪水預報和交互式修正為有機整體。系統軟件要有一套較強的學習和自適應修正功能，使得軟件使用時間越長，越了解流域的水文特點和工情特點，預測的精度越準。

2.1 系統運行環境

河流洪水預測系統在Windows XP環境下開發，數據庫采用關系型數據庫SQL Server，采用面向對象的開發語言VS和ASP.NET。本軟件設計堅持實用性、可靠性、先進性、開放性的原則。系統做到通用性強，接口標準，操作簡單；系統應保證正常運行，能夠處理各種數據，功能模塊經過嚴格的測試，具有良好的容錯和自診斷能力，實現實時信息和瀏覽器/服務器（B/S）環境，可以在任何聯網計算機上面完成洪水預報作業。

2.2 預測模型的選擇

經過水文學家幾十年的努力，國內外已建立了大量的洪水預測模型，其中應用最多的有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，有些模型的結構將超滲與蓄滿兩種不同的產流方法兼容于同一模型，模型的復雜程度與模型的精確之間沒有必然的聯系，有些簡單的模型精度更高，在生產實踐中往往根據對模型的認識、評價和多年預報實踐經驗，結合本流域的特性，挑選相適應的模型。

我國現存的洪水預測模型多為經驗相關模型和概念性模型，作為集總式模型，它們對流域空間特性進行了概化，因此不能反映實際暴雨洪水產匯流的空間分布特性，無法全面地刻畫水文系統分散輸入集中輸出的產匯流規律，也就給洪水預測帶來誤差，影響了洪水預測的精度。1969年，Freeze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90年代，計算機技術，地理信息系統（GIS），數字高程模型（DEM）和遙感（RS）技術迅速發展，為研制和建立分布式水文模型提供了強大和及時的技術支撐。故從提高精度和增長預見期的要求出發，應開放分布式水文模型。

2.3 預報方案

軟件平臺應具備預報方案構建功能，包括歷史資料分析處理、預報方案構建、模型參數率定、預報方案管理等功能。預報方案構建功能通過人機界面構建相關圖預報方案、水文模型預報方案，通過人機界面輸入、定制預報方案的各要素值。歷史資料處理功能用于輸入、轉錄、檢查、修改用于制作洪水預報方案的歷史水文資料。模型參數率定功能可通過人工試錯和自動優選相耦合的率定子系統，對任何預報模型單值參數進行參數率定，以完成系統建模工作。

2.4 模型參數率定

優選參數是參數率定的重要環節，通常采用確定性系數作為目標函數進行參數優選。當目標函數選定后，常用的優選方法有人工試錯法、自動優選法及人與計算機聯合優選3種。人工試錯法的基本原則是設定一組參數，在計算機上運算，比較模擬值與實測值，人工分析對比或計算其目標函數，再調整參數，重復計算，直至達到最優參數即為所求。人工調試可根據參數的性質不同而側重不同，如產流參數主要決定于時段內水量平衡和水源比例分配，而匯流參數主要決定于洪水過程的形狀。人工調試最優參數簡單實用，可以充分利用人們的知識技能和實踐經驗，有利于模型的應用，至今仍是各種模型調試參數所采用的主要方法。

自動優選法采用數學優化方法，自動求解參數的最優值，又可統稱為搜索技術。此種方法可以系統地找到一組參數，使給定的目標函數達到最優，常用的優化方法有單純形法、轉軸法、懲罰函數法等。但自動優選參數卻存在以下問題：由于水文模型的復雜性，增加了參數優選的難度。同時，自動優選如不加約束，常會得出離奇的參數值，即使加了約束，又會遇到各式各樣的困難。近些年一些新的優化方法如遺傳算法（GAS）、人工神經網絡（ANN）應用于參數優化，效果不錯。參數自動優選軟件的研制是一個高難度課題，某些預報方法已有較成熟的自動優化軟件，稍加改進即可投入實際應用，但更多的預報模型的參數自動優選軟件，需根據流域實際情況研制開發。

應用實踐表明，模型參數的調試，應該是人機結合。如何在機器優選中體現人工調試經驗，這是模型參數自動優選的發展方向。

2.5 實時洪水預測

洪水預測是基于已建立的洪水預測方案，根據當前最新實時雨水情，對未來一段時間內的洪水過程做出預測。充分考慮工作人員的習慣和預測經驗，其主要功能包括：實時資料分析處理、自動預報、人工交互預報、歷史對比分析、區域管理。實時資料分析處理主要用于獲取實時雨水情信息并處理成可供預測方案直接使用的數據格式，包括降水量、河道水情、水庫水情、閘壩水情等。該功能模塊應自動對實時水情數據庫進行預處理，生成預報使用的水情數據，具有一定的數據插補糾錯功能；應充分利用雷達測雨信息彌補降雨信息的不足；具有預見期降雨預報的處理接口，

洪水預測系統是實時防洪調度系統中最重要的、 技術難度最大、通用性最差的系統，其難度主要體現在系統要求洪水預測精度盡可能高、預見期盡可能長、受系統環境影響盡可能小和動態跟蹤能力盡可能強。實時洪水預測的設計與開發，重點要考慮如下幾方面的問題：流域水文預報模型選擇；觀測資料誤差動態監控分析與實時抗差性研究；系統自適應動態跟蹤與誤差實時修正；系統遇不正常情況的修復與處理；軟件容錯性設計；模塊標準化設計與子系統集成。

3 小結

中小河流洪水預測系統是流域防洪調度決策支持系統的關鍵組成部分，是實現防洪調度系統科學、高效、可靠決策的基礎。洪水預報系統基于實時水情數據庫、預報專用數據庫，采用規范、標準、先進的構件化、開放性結構，建立常用預報模型和方法庫，能方便地加入新的預報模型，快速地構造多種類的預報方案，具有人工試錯和自動優選相耦合的模型率定功能，結合現有的生產實際經驗，基于規范化、標準化的軟硬件環境和數據庫管理系統，采用模塊化結構，研究開發一套具有通用性強、功能全面、操作簡便的洪水預報系統?？梢钥闯觯ㄓ没呛樗A報系統的發展方向。

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