相應流量自動化實時報汛技術研究

林 偉（河南省駐馬店水文水資源勘測局，河南駐馬店463000）

相應流量自動化實時報汛技術研究

林 偉（河南省駐馬店水文水資源勘測局，河南駐馬店463000）

為了對相應流量計算模型進行研究，本文分析了相應流量計算模型的精度及適用區域，以單值化模型、經驗繩套模型、單一線模型、動態差分模型為主進行具體分析，另外對于各個流量的計算方式，采用人機交互技術相結合的模式，來構建出相應流量計算模型。

相對流量；自動化；實時報汛技術；研究

1 傳統相應流量技術與現代相應流量自動化技術的對比

在以前的人工報汛中，判斷和分析相應流量主要依賴于測站水位流量的變化，由外推插值得到相應信息。針對關系簡單的測站，比較容易實現相應流量的自動報汛，但是水位流量繁雜的區域，就比如長江中下游地段，應用傳統方法就不容易做到相應流量的報汛和計算。現在構建的水情自動測報系統已經基本解決了雨量和水位報汛和自動采集問題，可是在相應流量這一項中它的防汛水文自動報汛問題還未得到有效的處理。一些系統選擇簡單的水位流量關系來對流量插值后進行報汛，或者是在傳送流量信息上，達不到防汛需求。例如長江水文局站點在自動報汛時以人工報汛經驗為主，選擇經驗繩套方法和單值模型對復雜繩套水位流量之間的關系進行處理，在相應流量自動化實時報汛技術上有一定的研究，并獲得了較好成績。我們從傳統研究結果的分析和總結的前提下，依照相應流量計算模型的特征，提出改進方法和建議，同時運用模型自動計算和交互處理結合的方法對流量進行實時報汛，使其精度提高，下面我們具體分析它的實現機制及報汛軟件，使水情自動測報系統得到完善。

2 分析相應流量自動化報汛技術

現在，獲得相應流量的方法主要依靠分析測站斷面水位流量的關系，進而找到與本站特點類似的水位及流量轉換相適應關系，依照直接得到的水位觀測值對相應流量進行計算。伴隨著水位流量關系研究和分析工作的不斷加深，各類水位流量關系優化計算方法和擬合方法不斷產生，例如最小二乘混沌算法、自適應加速遺傳算法、蟻群算法及免疫進化算法等，它們的曲線擬合結果有優點也有缺點，通常很少被應用于實際報汛工作中。主要應用在生產方面同時獲得顯著成果，就比如單值化模型、經驗繩套模型、單一線模型和差分模型。

2.1 分析單值化模型

通過單值化技術可以有效的解決水位流量繩套曲線，并且參證站在相應流量模擬上應用單值化模型進行計算實現了自動報汛。在單值化模型中經常會用到落差指數模型，這種方法自動化程度較高，比較簡便，使用的范圍較廣。現在在相應流量自動報汛觀測站中應用單值化模型主是運用它的整編資料的效果。在有繩套水位流量關系的站點中，對應的水位流量通常不是單一的，可是卻能夠找到一個及N個證點，可以把Q看作流量，q看作單值流量，而α看作其落差指數，它與本站的落差看作F，于相同水位下，得到公式為：

進而得到落差指數的模型公式為：

在公式當中，β代表校正系數，而模型參數通常是常數，在一些站點與時期和水位有關系，F代表的綜合落差在各站中的計算方式是有所區別的。

在實際使用當中，依照已率定好的水位和單值化關系來計算相應流量。由于α、F和β參數的獲取不但與實際水位有關系，并且與時間段和水位漲落趨勢有直接關系。所以，把單值化處理應用于落差指數模型當中時，要從全面進行考慮。

2.2 分析經驗繩套模型

在應用經驗繩套模型方面，主要由相關人員依照測站的實測信息資料、代表性的洪水繩套線和站點往年平均繩套線的軸線，再與計算機交互技術相結合，運用人工交互方法來定制和改動水位流量關系的臨時曲線，并且以此為參照進行自動報汛。通常在人工報汛精度和模型精度相差太大時，會用到此種方法。

2.3 分析單一線模型

相應水位點與測站的實測流量可以由單一曲線來示意，這個單一線可用任意曲線和直線來擬合，用公式表示為：

公式當中時刻用t表示，最高指數用P表示，流量用Qr代表，水位用Hr代表，其中αo為常數，αi為系數。依據理論原則，把水位流量的單一線法轉化為更標準的單一線模型，同時與特制的計算機軟件結合，就是在得到實測流量點之后，讓計算機自主完成線型的優化選擇，也可以直接應用定制的單一線，根據實測點進行校核，再對相應流量進行插值計算。在應用單一水位流量關系的時候，通常更傾向于使用臨時線和多條單一線，所以需要把單一線擴展為變動綜合線，也就是說先參照以往的實測資料，建立起各年的平均單一線，之后再依照各年份的實測流量分布趨勢，以綜合線為根據進行改正，進而構建出臨時單一線，用其對水位流量進行轉換。從相關研究可以看出，這些方法能夠降低應用固定單一線出現的差錯，使相應流量報汛的精度得到提高。

2.4 分析差分模型

假如把流量和水位看成某個系統的輸出和輸入，直接應用輸出及輸入的關系，同時把漲差因素的水位站看成參證，再結合站點的水位流量，就可以構建出差分方程模型，對水位和流量關系的繩套曲線進行模擬。方程式如下：

在公式中流量用 Q表示，系數由 a、b表示，n、m、k= 1，2，3，…，站點外的一個參證水尺由H2表示，它可以是落差F及多組的，本站水位由H1表示，由式4擴展為水位轉換流量的差分模型，如下面公式所示：

在水位流量關系中應用差分模型進行短期的動態預測的時候，可以利用水位流量資料對參數進行追蹤，參數的適應力很強，有著校正功能和自動學習的功能。所以，應用差分方程進行預測時必需借助準確的相應流量的報汛資料，如果報汛出現錯誤，則會直接影響到差分模型的準確率。這也是差分模型在建模中精度較高，可是在實際應用中卻不能令人滿意原因所在。對于這一問題，我們提出了人工交互修正和繪制臨時繩套線的功能，把報汛流量值由人工校核的流量值來代替，成為模型的輸入，進行流量與參數遞推的計算，來處理相應流量的誤差。

3 開發相應流量自動化報汛系統

在對流量及水位轉換關系進行研究的時候，應當構建于數學模型的前提之下，以開放式結構和模塊化模式對水位流量轉換系統進行開發，此外還對相應流量的自動計算接口進行了研究，并結合了有報文的轉發和生成系統。水位流量轉換模型對相應處理模塊進行了編制，它經接口來調配水位流量轉換模型，做到了水文站與系統水位流量轉換的無關性，能夠靈活的更改水文站相應流量的計算方法。另外，通過自動查算接口，給新研制的水位流量轉換模型提供了便利，使系統的靈活性和通用性得到了提高。

相應流量報汛系統除了做到了自動報汛外，還實現了交互校正水位流量的關系、經驗繩套模型臨時線生成及維護系統轉換模型的參數等功能。在相應流量查算之前必須完成預報臨時繩套線和水位流量關系交互分析，所以，相應流量自動報汛要與此模塊分開，保持獨立。此外要把臨時繩套線的預報狀況存到數據庫內，給自動報汛提供參考依據。這樣做不但確保了相應流量的時效性和自動性計算，又使相應流量的計算根據更加合理。

4 結束語

綜上所述，我們分析了相應流量常用模型的計算方法，同時還提出了相應流量自動化實時報汛精度提高的辦法。通過對單值化模型、經驗繩套模型、單一線模型和差分模型的具體研究，使水位流量關系得到校正和修改，進而讓自動化報汛系統的精度得到提高。

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P338

A

2095-2066（2016）33-0124-02

2016-11-12

林 偉（1976-），男，助理工程師，大專，主要從事雨量觀測、水情預報、汛期大水期間閘門開啟流量的報訊工作。