一种水文预报经验相关图实现程序化查算方法与流程

本发明涉及水文预报
技术领域：
，具体涉及一种水文预报经验相关图实现程序化查算方法。
背景技术：
：水文经验相关图预报方法是一种传统的洪水水文预报方法，是最早出现在我国洪水预报上的最常用、研究最多的实用型经验方法，也是最原始的水文预报技术手段之一，具有操作直观、信息量大、使用灵活方便、精度较高、高度概化流域洪水特征等特点。它以经验点据定线，是对大量的各种各样错综复杂情况下水文监测数据的统计分析和科学归纳，以及大量预报经验的积累和运用，既具有一定的理论依据，又以大量实测水文资料为基础，并能充分结合本流域的河流水文特性，而且当下垫面等流域特性发生改变时，还可根据实际发生的情况随时进行方案修订，是我国水文预报人员长期实践工作经验的总结和凝练，是一种行之有效、预报精度较高的常用洪水作业预报方法。其成果表现形式和种类繁多，多以图表形式展示，通常是单象限或多象限与单一线条或多线簇组合成图，汇编装订成各种纸质图册。在过去相当长的时间里，因受查算工具的限制，水文预报人员在使用纸质方案图集时，一直处于手工查算、眼睛估读的原始状态，存在工作效率低下、人为主观任意性较大的弊端。人工查线读数对于单一线图来说问题不大，但如果是单象限多线簇图，而且数据点在两线条之间，目估本身就存在一定的视觉误差，人为主观任意性大，特别在查读多象限多线簇复杂相关图预报方案时，人工查线读数就十分地吃力，这种原始的人工查线读数方法极大地限制了水文预报经验相关图方法的发展使用。技术实现要素：根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种水文预报经验相关图实现程序化查算方法，提出采用单象限三变数查算法、象限分割旋转关联法和公用轴线虚拟刻度法三步耦合的方法，将纸质版的水文经验相关图预报方案图集实现人工精确快速查算以及计算机程序化查算的通用解决方法。一种水文预报经验相关图实现程序化查算方法，包括：获取水文经验相关图，并根据所述水文经验相关图，建立水文经验相关图的直角坐标系，建立所述直角坐标系的公用轴线，分别为x轴和y轴；根据直角坐标系，以所述x轴和所述y轴为分界线，将水文经验相关图划分为多个象限，分别为第一象限、第二象限、第三象限和第四象限；分别赋予x轴和y轴虚拟数值刻度，且保持所述第一象限、第二象限、第三象限和第四象限中任意相邻的两个象限公用轴线虚拟数值刻度不变；以x轴和y轴的交点为旋转中心分别将第二象限逆时针旋转270°、第三象限逆时针旋转180°、第一象限逆时针旋转90°，依次将第二象限、第三象限和第四象限旋转至第一象限的位置；建立第一象限的三变数函数r＝f(p，pa)，其中p为自变量且对应第一象限y轴的虚拟刻度值，pa为参变量且对应曲线条顶端端点值，r为因变量且对应第一象限x轴的虚拟刻度值，对第一象限进行节点数值化处理，取第一象限内某点m点在第一象限中所在位置由自变量p值和参变量pa按不同情况、不同比例插值求出因变量r值，即m点对应的第一象限x轴的虚拟刻度值；建立旋转至第一象限处的第四象限的三变数函数r＝f(p，pa)，以m点的r值作为第四象限y轴的虚拟刻度值p值，结合第四象限的参变量pa，求出对应的第四象限x轴的虚拟刻度值r值；建立旋转至第一象限处的第三象限的三变数函数r＝f(p，pa)，以所述对应的第四象限x轴的虚拟刻度值r值作为第三象限y轴的虚拟刻度值p值，结合第三象限的参变量pa，求出对应的第三象限x轴的虚拟刻度值r值，即为所需的预报值。可选的，所述节点线平行于x轴，且数量为多条。可选的，当所述m点在曲线条pa1上即pa＝pa1时：若m点与曲线条pa1某个节点b重合即p＝p1，则m点r＝rb；若m点p已知在曲线条两邻近节点b、a之间即p1<p<p2时，由p1、p、p2按直线比例内插出m点r值，即可选的，当所述m点在两邻近曲线条pa1～pa2之间即pa1<pa<pa2时：若m点在某条节点线p1上即p＝p1，由pa1、pa、pa2按直线比例内插出m点r值，即若m点在两邻近节点线p1～p2之间即p1<p<p2，先根据m点p值在曲线条pa1上找出两邻近节点a(p2，ra)、b(p1，rb)，由p1、p、p2按直线比例内插出一个e点，得到e点坐标(pa1，re)，然后再根据m点p值在曲线条pa2上也找出两邻近节点d(p2，rd)、c(p1，rc)，由p1、p、p2按直线比例内插出一个f点，得到f点坐标(pa2，rf),最后由pa1、pa、pa2按直线比例内插出m点r值，即可选的，获取所述m点对应单一象限的r值需要n次，所述n≦3。可选的，获取所述m点对应多象限的r值需要kn次，所述k为多象限对应的象限数量，所述n≦3。本发明的优点在于：本发明技术提出采用单象限三变数查算法、公用轴线虚拟刻度法和象限分割旋转关联法，将纸质版的水文经验相关图预报方案图集实现计算机程序化查算的通用解决方法，实现了水文经验相关图的预报自动化，使这一传统技术向现代方式转变。经线条节点数值化处理后，连接水文实时水雨情遥测库，依次获取初始值和各象限参变量，可以实现类同水文模型般的自动化洪水预报。本方法不仅可以有效避免目估误差和人为查读的主观任意性，提高预报人员工作效率，将水文经验相关图查线读数由最多四个象限扩展到更多个，不再受限于最多四个参考因子，该技术方案必将推动和促进水文经验相关图预报方法的进一步发展及应用。附图说明图1为本发明具体实施例中以单象限水文经验图为例的示意图；图2为本发明具体实施例中以单象限水文经验图为例采用单象限三变数查算法的流程示意图；图3为本发明具体实施例中以三象限水文经验图为例的示意图。具体实施方式为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。作为一个实施例，本发明提出一种水文预报经验相关图实现程序化查算方法，包括：获取水文经验相关图，并根据所述水文经验相关图，建立水文经验相关图的直角坐标系，建立所述直角坐标系的公用轴线，分别为x轴和y轴；根据直角坐标系，以所述x轴和所述y轴为分界线，将水文经验相关图划分为多个象限，分别为第一象限、第二象限、第三象限和第四象限；分别赋予x轴和y轴虚拟数值刻度，且保持所述第一象限、第二象限、第三象限和第四象限中任意相邻的两个象限公用轴线虚拟数值刻度不变；以x轴和y轴的交点为旋转中心分别将第二象限逆时针旋转270°、第三象限逆时针旋转180°、第一象限逆时针旋转90°，依次将第二象限、第三象限和第四象限旋转至第一象限的位置；建立第一象限的三变数函数r＝f(p，pa)，其中p为自变量且对应第一象限y轴的虚拟刻度值，pa为参变量且对应曲线条顶端端点值，r为因变量且对应第一象限x轴的虚拟刻度值，对第一象限进行节点数值化处理，取第一象限内某点m点在第一象限中所在位置由自变量p值和参变量pa按不同情况、不同比例插值求出因变量r值，即m点对应的第一象限x轴的虚拟刻度值；建立旋转至第一象限处的第四象限的三变数函数r＝f(p，pa)，以m点的r值作为第四象限y轴的虚拟刻度值p值，结合第四象限的参变量pa，求出对应的第四象限x轴的虚拟刻度值r值；建立旋转至第一象限处的第三象限的三变数函数r＝f(p，pa)，以所述对应的第四象限x轴的虚拟刻度值r值作为第三象限y轴的虚拟刻度值p值，结合第三象限的参变量pa，求出对应的第三象限x轴的虚拟刻度值r值，即为所需的预报值。通过该水文预报经验相关图实现程序化查算方法，提出采用单象限三变数查算法、象限分割旋转关联法和公用轴线虚拟刻度法三步耦合的方法，将纸质版的水文经验相关图预报方案图集实现人工精确快速查算以及计算机程序化查算的通用解决方法，经节点数值化处理后，连接水文实时水雨情遥测库，依次获取初始值和各象限参变量，可以实现类同水文模型般的自动化洪水预报；本方法不仅可以有效避免目估误差和人为查读的主观任意性，提高预报人员工作效率，还可以将水文经验相关图查线读数由最多四个象限扩展到更多个，不再受限于最多四个参考因子，有助于推动和促进水文经验相关图预报方法的进一步发展及应用。下面对本发明较佳实现方式进行详细说明。在现代水文预报中，目前国内很多单位已在使用流域水文模型，例如新安江模型、萨克门托模型、水箱模型和陕北模型等，进行自动洪水预报作业，但是，传统的经验性相关图预报方法仍是洪水预报作业中常用的重要工具之一，并没有完全被水文模型所取代，这是因为并不是所有的流域或地区都有建立水文模型的条件，而且相关图预报方法本身有着广泛的应用基础，不少生产单位，尤其是基层水库管理单位，他们在长期的工作实践中，已建立了一套适合于当地实际情况的水文经验性相关图洪水预报方案，比如在那些缺乏实测水文资料的地区采用降雨径流相关图、在无流量控制站的流域采用上下游洪峰水位相关图等来进行短期洪水预报工作。由于水文经验性相关图预报方案参数少,使用简单,有一定经验基础的预报员很容易就能完成一次精度较高的实时洪水作业预报。本实施例就是结合水文经验性相关图，由于水文经验相关图预报方法成果通常是以单象限或多象限与单一线条或多线簇组合成图，利用三步耦合的方法，将水文经验相关图预报方案图集实现精确快速地获得预报结果，以及可以进行计算机程序化查算，实现通用的预报方法。以单象限的水文经验相关图为例，首先介绍对单象限的水文经验相关图的处理步骤，主要是通过单象限三变数查算法进行处理。即建立该单象限三变数的函数r＝f(p,pa)，其中p为自变量，pa为参变量，r为因变量。查算时通过初始值pa与节点数值化摘录表中参变量比较，确定数据点在相关图上的横向位置，再根据数据点所在位置由自变量p值和参变量pa按不同情况、不同比例插值求出因变量r值，最多需插值3次才能得到最后查算结果，这种带有三个变量的插值方法，称为单象限三变数查算法。请参阅图1，该图为降雨径流经验相关图，是由分析计算得到的降雨量、流域蓄水量或前期影响雨量，按相关分析的方法，建立它们与径流深之间的相关图，反映了流域的产流规律，应用此相关图可以由降雨计算出相应的产流量，这种相关图没有固定的数学模型，被称之为降雨径流经验相关图。国内水文普遍使用的是单象限三变数相关图(p～pa～r降雨径流)，由于其结构简单，使用方便，且能满足精度上的要求，所以常被广泛地应用于雨洪径流预报，它主要反映的是产流量r与降雨量p和前期影响雨量pa三者的关系，写成函数是r＝f(p,pa)，其中p为自变量，pa为参变量，r为因变量，具有下列共同特点：(1)当p一定时，pa越大，r也就越大，所以pa等值线呈左小右大；(2)pa＝0线的延线交p的截距为im，pa>0线的延线交p的截距为d(流域土壤缺水量)；(3)在p和r取同一比例时，pa＝im线与横坐标的夹角略大于45度线；(4)由于超渗产流和局部蓄满产流，也就是说，末满足流域平均土壤缺水量就产流，因此曲线下端曲率较大，上端由于土壤渐趋饱和而逐渐趋于直线且与pa＝im平行；(5)在同一流域平均径流深r下，pa越小产流面积就越小，所需的雨量就越大，因此曲线下端的曲率随着pa的减小而增大；(6)在同一pa情况下，p越大，径流系数a越大。具体的，要实现对降雨径流经验相关图的预报值查算，包括以下步骤：s1)根据线簇中曲线条弯曲程度，由低到高用节点线按合理间隔(疏密)依序建立节点线，如图1所示，节点线平行于x轴，且数量为多条，并从左至右提取每条节点线与各曲线条的交点横坐标，建立一个第一行为参变量pa值、第一列为自变量p值(节点线)、其余各行列为对应p值节点线与pa值曲线条交点横坐标r值(因变量)组成的节点数值化摘录表，如下图表1；表1站点p～pa～r节点数值化摘录表p/pair010203040506070809010000.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0100.00.20.50.70.91.21.41.61.92.12.3200.40.91.41.92.53.03.54.04.65.15.6301.01.92.73.54.45.26.06.97.78.59.4402.03.24.35.56.67.88.910.111.212.413.6503.14.66.07.59.010.512.013.414.916.417.9604.36.18.09.811.713.515.417.219.120.922.8807.410.012.515.117.720.222.825.427.930.533.110011.514.818.121.424.728.031.334.637.941.244.512016.320.224.228.132.136.140.044.048.051.955.915024.429.334.339.244.149.053.958.863.768.673.520039.846.152.558.965.271.677.984.390.797.0103.425059.366.874.482.089.597.1104.7112.2119.8127.4135.030080.088.797.4106.2114.9123.6132.3141.1149.8158.5167.2350100.7110.6120.5130.4140.3150.1160.0169.9179.8189.7199.5s2)利用单象限三变数查算法，用该象限内某m点的pa值与节点数值化摘录表中第一行参变量各值比较大小，确认该点(如图1中m点，pa、p己知，求r)在相关图上的横向位置，是在某曲线条pal上(即pa＝pal)还是在两邻近曲线条pal～pa2之间(即pal<pa<pa2)，假如：①在曲线条pal上(即pa＝pal)：若m点与曲线条pal某个节点b重合(即p＝p1)，则m点r＝rb；若m点(p己知)在该曲线条两邻近节点b、a之间(即p1<p<p2)时，b(p1，rb)、a(p2，ra)己知，可由p1、p、p2按直线比例内插出m点r值即②在两邻近曲线条pal～pa2之间(即pal<pa<pa2)：若m点在某条节点线p1上(即p＝p1)，即相当于曲线条pal节点b(pal，rb)、m点(pa己知)、曲线条pa2节点c(pa2，rc)三点在同一条节点线p上，由pa1、pa、pa2按直线比例内插出m点r值即若m点在两邻近节点线p1～p2之间(即p1<p<p2)，此时有pal<pa<pa2和p1<p<p2，需完成3次直线比例内插才能求出m点r值。首先根据m点p值在曲线条pa1上找出两邻近节点a(p2，ra)、b(p1，rb)，由p1、p、p2按直线比例内插出一个e点(p、pa1已知，求)，得到e点坐标(pa1，re)，然后再根据m点p值在曲线条pa2上也找出两邻近节点d(p2，rd)、c(p1，rc)，由p1、p、p2按直线比例内插出一个f点(p、pa2已知，求)，得到f点坐标(pa2，rf),此时即相当于e点(pa1，re)、m点(pa已知)、f点(pa2，rf)三点在同一条虚拟节点线p上，可以由pa1、pa、pa2按直线比例内插出m点r值即完成一个单象限相关图查值最多需插值3次。该步骤同样适合用于其他的单象限水文经验相关图。显然，前期影响雨量pa是影响降雨径流关系最主要的因素，因为流域的产流决定于非饱和带的物理特性，而前期影响雨量的物理含意是土壤含水量，它反映了非饱和带土壤的物理性质，但它不是唯一的因素，在有些情况下，其它因素不可忽略。除了前期影响雨量以外，季节、降雨历时、流域平均雨强等也不同程度地影响着降雨径流关系。因此，降雨径流经验关系曲线有各种形式，同样地可以建立函数关系，例如产流量r＝f(次雨量p，前期影响雨量pa，季节，温度)、r＝f(前期影响雨量pa，洪水起涨流量q0)和考虑雨强的超渗式关系曲线形式，还可建立多变数相关图。多变数相关图在水文预报相关图中是以多象限水文相关图形式表达，要实现多象限相关图程序化查算，可采用单象限三变数查算法、象限分割旋转关联法和公用轴线虚拟刻度法三步耦合来完成。象限分割旋转关联法:在实现多象限图的程序化查算前，要将多象限图分割成多个单象限图，并逐个将各象限图旋转至第一象限位置后再做节点数值化处理，最后通过公用轴线将相邻两个象限图关联起来。这种对象限的分割、旋转、关联处理方法，称为象限分割旋转关联法。公用轴线虚拟刻度法：在多象限的水文经验相关图中，所有的公用轴线通常没有任何物理代表意义而没有赋予相应的数值刻度，在进行象限的节点数值化处理时，我们就要赋予每个公用轴线一个虚拟数值刻度(如方格纸每大格线代表10个单位，小格线代表1个单位)，且保持相邻两个象限公用轴线虚拟数值刻度不变，这种对每个公用轴线都赋予一个虚拟数值刻度来传输中间变量的处理方法，称为公用轴线虚拟刻度法。请参阅图3，该图为某处站点的洪峰水位预报图，要实现对该站点的洪峰水位预报图的预报值查算，具体的，包括以下步骤：s1)建立该水文经验相关图的直角坐标系，建立直角坐标系的公用轴线，分别为x轴和y轴；s2)根据直角坐标系，以x轴和y轴为分界线，将水文经验相关图划分为多个象限，分别为第一象限、第二象限、第三象限和第四象限，对于多象限水文经验相关图而言，有几个象限就分为几个；s3)利用公用轴线虚拟刻度法，分别赋予x轴和y轴虚拟数值刻度，且保持第一象限、第二象限、第三象限和第四象限中任意相邻的两个象限公用轴线虚拟数值刻度不变；s4)利用象限分割旋转关联法，以x轴和y轴的交点为旋转中心分别将第二象限逆时针旋转270°、第三象限逆时针旋转180°、第一象限逆时针旋转90°，依次将第二象限、第三象限和第四象限旋转至第一象限的位置；s5)利用单象限三变数查算法，建立第一象限的三变数函数r＝f(p，pa)，其中p为自变量且对应第一象限y轴的虚拟刻度值，pa为参变量且对应曲线条顶端端点值，r为因变量且对应第一象限x轴的虚拟刻度值，对第一象限进行节点数值化处理，取第一象限内某点m点在第一象限中所在位置由自变量p值和参变量pa按不同情况、不同比例插值求出因变量r值，即m点对应的第一象限x轴的虚拟刻度值；s6)建立旋转至第一象限处的第四象限的三变数函数r＝f(p，pa)，以m点的r值作为第四象限y轴的虚拟刻度值p值，结合第四象限的参变量pa，求出对应的第四象限x轴的虚拟刻度值r值；s7)建立旋转至第一象限处的第三象限的三变数函数r＝f(p，pa)，以对应的第四象限x轴的虚拟刻度值r值作为第三象限y轴的虚拟刻度值p值，结合第三象限的参变量pa，求出对应的第三象限x轴的虚拟刻度值r值，即为所需的预报值，等于说是以某第一、第二象限公用轴线的虚拟刻度值作为初始值结合第一参变量按单象限三变数相关图查算方法获得第一、四象限图公用轴线的虚拟刻度a值，同样以a值结合第二参变量获得第四、三象限图公用轴线的虚拟刻度b值，以b值结合第三参变量获得第二、第三象限图的虚拟刻度b值c值，即得所求预报值，完成一个多象限相关图查算最多需关联kn次插值，k为多象限对应的象限数量，述n≦3。依次类推，对于单象限的水文经验图，也是采用上述步骤，只是省去了s4、s6和s7对应的步骤，而对于出现最多四个象限扩展到更多个的多象限水文经验相关图，也可以通过此步骤实现查算预报值。综上所述，本发明的优点在于：本发明技术提出采用单象限三变数查算法、公用轴线虚拟刻度法和象限分割旋转关联法，将纸质版的水文经验相关图预报方案图集实现计算机程序化查算的通用解决方法，实现了水文经验相关图的预报自动化，使这一传统技术向现代方式转变。经线条节点数值化处理后，连接水文实时水雨情遥测库，依次获取初始值和各象限参变量，可以实现类同水文模型般的自动化洪水预报。本方法不仅可以有效避免目估误差和人为查读的主观任意性，提高预报人员工作效率，将水文经验相关图查线读数由最多四个象限扩展到更多个，不再受限于最多四个参考因子，该技术方案必将推动和促进水文经验相关图预报方法的进一步发展及应用。需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。当前第1页12