水文实时预报系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种水文实时预报系统，包括数据输入模块、模型库和数据输出模块，模型库包括栅格单元的产流模块、子流域内的汇流模块、流域的河道汇流模块、实时校正模块。本系统可利用预报过程中得到的最新信息，恰当地调整下一步预报中推算采用的数值或参数，即每次进行预报时，考虑包括现时段在内的以前一系列预报误差信息，根据自动控制理论的跟踪技术，对未来预报值进行校正，提高了水文预报精度。另外，本系统采用基于栅格的分布式新安江模型为基础，相比于传统模型，可以在数据量较少的流域运行。同时，本系统具有可视化界面，操作实用性更强。
【专利说明】
水文实时预报系统
技术领域
[0001] 本发明涉及水文预报技术领域，更具体地，涉及一种水文实时预报系统。
【背景技术】
[0002] 水文预报指是指根据前期或现时的水文气象资料，对某一水体、某一地区或某一 水文站在未来一定时间内的水文情况作出定性或定量的预测，为防汛抗旱、水库的施工调 度、水资源的有效利用等提供依据。
[0003] 目前水文预报主要以水文模型为基础。流域水文模型的研究大约始于本世纪50年 代，70年代至80年代中期开始蓬勃发展，按照建模原理来分类，流域水文模型可以分为概念 性水文模型和系统理论水文模型，而对于概念性水文模型，根据对流域空间的离散程度，又 可细分为集总式概念性水文模型和分布式水文模型。新安江模型是中国在世界范围内最具 影响力的水文模型，一般分为二水源和三水源等类型。然而，一般传统基于新安江模型的水 文预报存在以下问题：
[0004] ①传统的新安江模型为集总式物理水文模型，这类模型的基本特征是在模拟其径 流的形成过程时将流域作为一个整体，一般通过将模型中的变量和参数取为平均值，简化 整个流域。这样导致模型忽略了水文过程的空间分布差异，不能反映下垫面特性对降雨径 流过程的影响。
[0005] ②过去由于技术的限制，许多流域信息、特征不能及时准确地获得，虽然随着数字 高程模型(DEM)、3S技术和雷达测雨技术的不断发展，降雨、地形数据等可以更方便地获得， 但由于这类数据多基于数字高程模型，为特定大小的栅格形式，采用传统水文模型不能充 分利用这些新技术提供的大量数据，使得模型运行缺乏实用性。
[0006] ③水文模型主要采用观测到的历史水文实测资料等构建，其确定好的模型参数以 及相关曲线等，反映的是以往情况下的相对最优取值或关系，用于未来的洪水预报时，实际 状况大多与过去方案偏离，主要原因是在实际应用中，水文预报受到雨量资料、水文资料、 设备、模型等带来的误差影响，并非一般性规律所能涵盖，实际应用中模型参数并非固定参 数，而应是时变参数。用固定参数的水文模型进行水文预报时，预报结果必然发生偏差。同 时，由于我国地域辽阔、河流众多、地形复杂，洪水灾害频繁发生且复杂多变，其造成的损失 巨大，传统水文预报难以达到预报调度快速、准确的要求，因此，将"实时"的概念引入水文 预报当中对水文预报模型进行校正，能够提高洪水预报的精度，其意义巨大。
[0007] ④水文预报系统应以实用性为主，而无可视化界面的系统对操作人员技术要求较 高的同时不易于录入及读取数据，实用性较弱。
【发明内容】
[0008] 本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种精度高、实时性强的 水文实时预报系统。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
[0010] 水文实时预报系统，所述系统包括：
[0011] 数据输入模块:用于输入数据，输入数据包括降雨和蒸发数据，输入数据还包括产 流参数、河道汇流参数；
[0012] 模型库:模型库包括四个模块，栅格单元的产流模块、子流域内的汇流模块、流域 的河道汇流模块、实时校正模块；
[0013] 数据输出模块：用于输出洪水预报信息，所述洪水预报信息包括但不限于洪峰流 量、洪峰出现时间、洪水涨落过程、下一时段流量。
[0014] 在一种优选的方案中，所述栅格单元的产流模块中用于计算产流和蒸发情况，采 用新安江模型的蓄满产流原理与三层蒸发模型，先将流域划分为透水面积和不透水面积， 不透水面积雨水直接产流，透水的区域按照蓄水容量曲线进行划分，将雨水划分为产流与 土壤蒸发用水;蒸发计算采用三层蒸发模型，即上层、下层和深层;蒸发规则是:在上层土壤 的水分蒸发完后，下层的土壤水分开始蒸发；当下层土壤水分蒸发完后，深层水分开始蒸 发。
[0015] 在一种优选的方案中，所述子流域内的汇流模块用于计算各个子流域的地面径 流、壤中流和地下水的出流情况;地面径流采用等流时线的方法进行汇流，其由许多条线组 成，每条线上的栅格产流都会在同一时间到达子流域的出口断面;壤中流计算则是将所有 子流域内的壤中流加总后，按照一个固定的消退系数KKSS进行规律地出流，以壤中流消退 系数控制壤中流的出流的速度;地下水计算与壤中流的类似，采用地下水消退系数KKG。
[0016] 在一种优选的方案中，所述流域的河道汇流模块根据马斯京根法和流域出口的位 置进行洪水演算，其中马斯京根法反映了水面比降与流量对槽蓄量的作用。。
[0017] 在一种优选的方案中，所述实时矫正模块利用当前时刻预报值与实测值之差为导 向，以最小二乘法对模型参数进行实时校正，它能最大限度地利用现有的信息来纠正系统 误差，从而提高模型预报的精度。
[0018] 在一种优选的方案中，所述系统还包括主界面，主界面由工具栏，菜单栏，展示界 面三个部分组成。
[0019] 在一种优选的方案中，所述系统还包括参数设置界面，参数设置界面分别为产汇 流参数、河道汇流参数、操作区、图像展示区。
[0020] 在一种优选的方案中，所述系统还包括历史数据查询界面，历史数据查询界面用 于查询历史数据，包括查询选定时间段的降雨、径流、水位、模拟径流、实时模拟径流数据， 也可添加新数据。
[0021] 在一种优选的方案中，所述系统还包括洪水预报功能界面，在洪水预报功能界面 设置好降雨开始与结束时间以及土壤含水量，即可进行洪水实时预报。
[0022] 与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0023] ①针对集总式水文模型对下垫面及降雨不均匀分布忽略的问题，本发明采用基于 栅格的分布式新安江模型作为水文模型。分布式水文模型把流域划分成满足精度的网格， 能有效地解决了集总式模型忽略下垫面和降雨的时空分布不均匀性的问题。新安江模型把 全流域按泰森多边形法分成若干块，每一块称为单元流域。在每块单元流域内至少有一个 雨量站;单元流域大小要适当，使得每块单元流域上的降雨分布相对比较均勾，并尽可能使 单元流域与自然流域的地形、地貌和水系相一致，以便于能充分利用小流域的实测水文资 料以及对某些问题的分析处理。
[0024] ②针对数据获取便利性及实用性问题，采用基于栅格的分布式新安江模型，即在 DEM高程模型的基础上，提取出研究流域的相关信息后，对原始的三水源新安江模型进行改 进所得的分布式水文模型。其将逐个栅格作为一个计算单元，采用新安江计算原理的三层 蒸散发模型、蓄满产流模型分别进行蒸散发计算、产流计算及分水源计算，水源划分，计算 出每个栅格上的蓄水容量，得到栅格单元的产流量和地表径流、壤中流、地下径流三种水 源，再进行汇流计算。确保实时降雨等数据的充分应用，并能够提取水系、流向、流域形状， 地形坡度分布和其他地貌参数等，协助考虑水文要素和各种参数空间变化。
[0025] ③针对固定参数模型预测结果偏差的问题，本发明引入现代控制理论，对系统参 数的变动过程进行追踪，随时以合适的参数进行系统模拟，即实时校正。目前常用的实时校 正方法和技术主要有:水文模型流量预报实时校正算法、卡尔曼滤波算法等。
[0026]水文模型流量预报实时校正算法比较简单，物理意义明确，没有需要率定的参数， 容易编制程序，所有参数在程序中都可以直接计算。但是，由于其数学理论性不强，因此在 使用过程中会出现累计误差，当预见期相对较短时，校正效果较好;若预见期较长，则校正 效果不明显。卡尔曼滤波算法是具有完整和严密理论体系的实时预报方法，在自动控制领 域应用取得了很好的效果。然而由于系统的复杂性，使得在应用卡尔曼滤波方法时难以满 足系统数学模型和噪声统计完全准确的要求，致使其在水文系统实时预报应用中还受到一 定的局限。
[0027]本系统采用最小二乘法进行实时校正，最小二乘是根据最新输入与输出的信息给 现时预报误差一定权重，用以校正模型的参数或校正模型的输出值，从而进行实时校正。相 对于水文模型流量预报实时校正算法以及卡尔曼滤波算法，从目前世界各国的实践来看， 最小二乘法不仅理论完善，方法简单，而且预报结果可靠。
[0028]④结合Arcgis Engine及C#开发平台构建了基于栅格的分布式新安江模型的实时 水文预报系统，具有可视化界面，易于工作人员管理运行，且方便进行数据读取及输入，更 具实际应用性。
【附图说明】
[0029]图1本发明系统结构图。
[0030]图2本发明系统主界面图。
[0031]图3本发明参数设置界面图。
[0032]图4本发明历史查询界面图。
[0033]图5本发明洪水预报界面图。
[0034]图6本发明洪水预报开始界面图。
[0035]图7本发明洪水预报结果界面图。
[0036] 图8本发明数字高程水系模型计算流程图。
【具体实施方式】
[0037] 附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0038]下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0039] 实施例1
[0040]本系统是结合Arcgis Engine及C#开发平台构建的分布式新安江模型实时预报系 统。对流域DEM(数字高程模型）信息提取后构建数字流域，建立了基于DEM栅格的分布式新 安江模型实时预报系统，根据输入的降雨、蒸发数据进行水文预报，为了提高模型模拟的精 度，在模型加入最小二乘法的实时校正。
[0041]如图1所示，本实施例提供一种水文实时预报系统，所述系统包括数据输入模块、 模型库和数据输出模块。
[0042] 数据输入模块:用于输入数据，输入数据包括降雨和蒸发数据，输入数据还包括产 流参数、河道汇流参数。
[0043] 模型库:模型库包括四个模块，栅格单元的产流模块、子流域内的汇流模块、流域 的河道汇流模块、实时校正模块。
[0044] 所述栅格单元的产流模块中用于计算产流和蒸发情况，采用新安江模型的蓄满产 流原理与三层蒸发模型，先将流域划分为透水面积和不透水面积，不透水面积雨水直接产 流，透水的区域按照蓄水容量曲线进行划分，将雨水划分为产流与土壤蒸发用水;蒸发计算 采用三层蒸发模型，即上层、下层和深层;蒸发规则是:在上层土壤的水分蒸发完后，下层的 土壤水分开始蒸发；当下层土壤水分蒸发完后，深层水分开始蒸发。
[0045] 所述子流域内的汇流模块用于计算各个子流域的地面径流、壤中流和地下水的出 流情况;地面径流采用等流时线的方法进行汇流，其由许多条线组成，每条线上的栅格产流 都会在同一时间到达子流域的出口断面;壤中流计算则是将所有子流域内的壤中流加总 后，按照一个固定的消退系数KKSS进行规律地出流，以壤中流消退系数控制壤中流的出流 的速度;地下水计算与壤中流的类似，采用地下水消退系数KKG。
[0046] 所述流域的河道汇流模块根据马斯京根法和流域出口的位置进行洪水演算，其中 马斯京根法反映了水面比降与流量对槽蓄量的作用。
[0047] 所述实时矫正模块利用当前时刻预报值与实测值之差为导向，以最小二乘法对模 型参数进行实时校正，它能最大限度地利用现有的信息来纠正系统误差，从而提高模型预 报的精度。
[0048] 数据输出模块：用于输出洪水预报信息，所述洪水预报信息包括但不限于洪峰流 量、洪峰出现时间、洪水涨落过程、下一时段流量。
[0049] 另外，本系统具有可视化界面，支持输入降雨、蒸发数据，可以进行洪水预报、数据 输入、参数设置和历史查询，同时，可以通过地图选项展示地图。
[0050] ①主界面：系统的主界面见图2,主界面由工具栏，菜单栏，展示界面三个部分组 成，所有界面都可以双击选项卡关掉。
[0051] a.工具栏:主要用于操作地图显示，有选择，放大，放小等工具。
[0052] b.菜单栏:主要有四部分，在model选项，有两部分内容，分别为流域介绍与模型介 绍；在map control选项，可以对地图进行操作，操作同arcgis，在系统里展示了6个图层，分 别为雨量站rainfall station，控制站sect ion，蒸发站evaporation station，河道 River， 子流域SubCatchment，流域边界Upper Nan boundary;Business选项可进行洪水预报、数据 输入、参数设置、历史查询;Map选项用于展示地图。
[0053]②参数设置界面如图3所示，主要分四部分，分别为产汇流参数，河道汇流参数，操 作区，图像展示区。参数部分可进行修改，"region"表示子流域，"Num"表示河道数。图像展 示区将显示实测与模拟结果，在该区右键将弹出菜单，可对图像进行操作。需要设置的参数 有：
[0054] KC一一蒸发系数
[0055] C 深层蒸散发系数
[0056] IMP--不透水面积比重
[0057] WUM--流域平均上层蓄水容量
[0058] WLM一一流域平均下层蓄水容量
[0059] WDM--流域平均深层蓄水容量(WDM=WM-WUM-WLM)
[0060] B一一蓄水容量曲线指数
[0061 ] KKG--地下水日退水系数
[0062] KE--单元河段的马斯京根K值
[0063] XE--单元河段的马斯京根X值
[0064] KG--地下水从自由水舆水库中的出流系数
[0065] KSS--壤中流出流系数
[0066] KKSS一一壤中流消退系数
[0067] SM--自由水蓄水库的容量(即最大蓄量，mm)
[0068] EX一一自由水蓄水容量曲线指数 [0069] V--坡面的水流速度
[0070] Area--子流域面积
[0071 ] BF--基流
[0072] "模拟"按钮表示开始模拟，"导出结果"可将模拟结果导出为txt格式，"保存参数" 可对修改后的参数进行保存，"还原"按钮可还原参数设置为原先设定参数。
[0073] "径流误差"=(实测总径流量一模拟总径流量)/实测总径流量
[0074] "确定性系数"：用来评估模拟效果，越接近1效果越好。
[0075] ③历史数据查询界面:如图4所示，可以查询数据库中的历史数据，可以查询选定 时间段的降雨、径流、水位、模拟径流、实时模拟径流数据，也可添加新数据进入数据库。
[0076] ④洪水预报功能界面：如图5所示，双击业务选项下的洪水预报，就会出现图6界 面，设置好降雨开始与结束时间以及土壤含水量，勾选实时预报则会进行实时预报，若无勾 选实时预报则进行模拟预报。点击0K后结果将在展示界面图7显示，包括流量过程线和数据 展示，"Observed"表示实际输入数据，"Simulated"表示没有使用实时校正功能的预报结 果."3h forecast"和"6h forecast"表示实时校正后的模拟结果。
[0077] 本发明水文实时预报系统的运行包括以下几个步骤：
[0078] (1)运用DEM资料对研究流域进行流域信息提取并且构建数字流域：识别和处理 DEM数据;确定各个栅格水流流向；根据流向识别各个栅格的积水区域;生产累积流;根据累 积流数据，设定合适的阈值生成河道;加入流向数据及出口断面，获取流域边界;将流域划 分为若干子流域，对子流域和河道进行编号，确定拓扑关系。其主要流程图见图8。
[0079] (2)运用栅格等流速方法以及等流实线法等，在栅格上应用新安江产流原理计算 产流量的基础上，按照一定流速流向以及子流域出口点，根据栅格产流汇集至流域出口的 时间，计算出子流域的等流时间分布。
[0080] (3)根据马斯京根法和各个子流域出口的位置，进行洪水演算。
[0081] (4)最小二乘法实时跟踪误差变化，对演算结果进行实时校正。
[0082]结合泰国楠河流域实例，介绍本系统进行洪水预报的具体步骤，数据以1990.1.1_ 2003.12.31之间的140场洪水率定参数，以2005.1.1-2010.3.1中94场洪水验证模型：
[0083]步骤一、流域信息提取及数字流域构建
[0084]首先识别原始DEM数据并进行预处理，然后确定出每个栅格点的水流方向，由此生 成累积流，再根据上游集水区的高程，确定水系范围，生成集水面积，然后根据水流方向数 据由水系的源头开始搜索出整个水系，最后，进行子流域的划分，并对子流域与河网进行编 码，构建河网结构拓扑关系。
[0085] 步骤二、用户登录
[0086] 登录用户名为NAN，密码为zsdx，然后按login登陆系统。
[0087]步骤三、数据输入及参数设置
[0088]系统需要输入的数据:面平均雨量、量测的蒸发器观测值。
[0089] 参数设置:各参数中，WUM，WLM，WDM参照实测数据设定，KE，XE初值设定根据模型的 时间步长(3小时）、汇流河段长度及特征河长确定，然后根据模拟结果及实测值的对比进行 调整，其余参数根据水文预报相关统计经验确定。参数率定选用人工试错法，即根据操作者 经验，根据初始化参数云子那个后的模拟结果好坏修正各参数直至模拟结果达到要求为 止。系统界面见图3。
[0090] 步骤四、洪水预报及实时矫正
[0091] 输入数据及参数设置完毕后，分别选择实时矫正及无实时矫正两种方式进行洪水 预报。系统界面见图5、图6、图7。按照水文预报的相关标准，洪峰的许可相对误差为观测洪 峰的20 %，此外，确定性系数（DC)高于70 %，其模拟结果有效。将DC分为四个等级，超过 90%、80%和70 %分别为一级、二级、三级，验证期内共统计94场洪水的DC值等级及总确定 系数。
[0092]结果显示，实时校正效果明显，如表1所示，在没有实时校正的情况下，率定期的总 确定性系数为77.8%，验证的总确定性系数为82.6%。在运行实时校正的的情况下，预见期 为3小时的总确定性系数率定期上升至99.6%，验证期上升至99.4%，预见期为6小时时，结 果分别为98.7%和98.3%。就单场洪水预报来看，DC等级超过三级的，以3小时为预见期的 有92场，以6小时为预见期的有80场。就洪峰不达标的情况而言，以3小时为预见期的有5场， 以6小时为预见期的有14场，通过率分别为95%和85%。综上所述，本系统模拟结果有效，能 够用于实际预报作业，较非实时校正系统预报精度高。
[0093]表1泰国楠河流域洪水预报总确定性系数统计结果表
[0095]显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对 本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可 以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本 发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求 的保护范围之内。
【主权项】
1. 水文实时预报系统，其特征在于，所述系统包括： 数据输入模块：用于输入数据，输入数据包括降雨和蒸发数据，输入数据还包括产流参 数、河道汇流参数； 模型库：模型库包括四个模块，栅格单元的产流模块、子流域内的汇流模块、流域的河 道汇流模块、实时校正模块； 数据输出模块：用于输出洪水预报信息，所述洪水预报信息包括但不限于洪峰流量、洪 峰出现时间、洪水涨落过程、下一时段流量。2. 根据权利要求1所述的水文实时预报系统，其特征在于，所述栅格单元的产流模块中 用于计算产流和蒸发情况，采用新安江模型的蓄满产流原理与三层蒸发模型，先将流域划 分为透水面积和不透水面积，不透水面积雨水直接产流，透水的区域按照蓄水容量曲线进 行划分，将雨水划分为产流与土壤蒸发用水;蒸发计算采用三层蒸发模型，即上层、下层和 深层；蒸发规则是：在上层土壤的水分蒸发完后，下层的土壤水分开始蒸发；当下层土壤水 分蒸发完后，深层水分开始蒸发。3. 根据权利要求1所述的水文实时预报系统，其特征在于，所述子流域内的汇流模块用 于计算各个子流域的地面径流、壤中流和地下水的出流情况;地面径流采用等流时线的方 法进行汇流，其由许多条线组成，每条线上的栅格产流都会在同一时间到达子流域的出口 断面;壤中流计算则是将所有子流域内的壤中流加总后，按照一个固定的消退系数KKSS进 行规律地出流，以壤中流消退系数控制壤中流的出流的速度;地下水计算与壤中流的类似， 采用地下水消退系数KKG。4. 根据权利要求1所述的水文实时预报系统，其特征在于，所述流域的河道汇流模块根 据马斯京根法和流域出口的位置进行洪水演算，其中马斯京根法反映了水面比降与流量对 槽蓄量的作用。。5. 根据权利要求1所述的水文实时预报系统，其特征在于，所述实时矫正模块利用当前 时刻预报值与实测值之差为导向，以最小二乘法对模型参数进行实时校正，它能最大限度 地利用现有的信息来纠正系统误差，从而提高模型预报的精度。6. 根据权利要求1所述的水文实时预报系统，其特征在于，所述系统还包括主界面，主 界面由工具栏，菜单栏，展示界面三个部分组成。7. 根据权利要求1所述的水文实时预报系统，其特征在于，所述系统还包括参数设置界 面，参数设置界面分别为产汇流参数、河道汇流参数、操作区、图像展示区。8. 根据权利要求1所述的水文实时预报系统，其特征在于，所述系统还包括历史数据查 询界面，历史数据查询界面用于查询历史数据，包括查询选定时间段的降雨、径流、水位、模 拟径流、实时模拟径流数据，也可添加新数据。9. 根据权利要求1所述的水文实时预报系统，其特征在于，所述系统还包括洪水预报功 能界面，在洪水预报功能界面设置好降雨开始与结束时间以及土壤含水量，即可进行洪水 实时预报。
【文档编号】G06F17/50GK105912770SQ201610218121
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】陈晓宏, 刘丙军, 涂新军, 林凯荣, 张强
【申请人】中山大学