中小河流洪水预测系统的研究与应用

辛达洲　彭进

摘 要：本文介绍了中小河流洪水预测系统发展历程以及研究的目的和意义，分析了目前洪水预测系统存在的哪些问题，分析了洪水预测系统的主要组成部分的应用现状，指出了中小河流洪水预测系统的发展方向。

关键词：中小河流；预测系统；预测模型

洪水预测是人类在与自然斗争的客观需求推动下发展起来的，根据现时掌握的水文、气象资料，预测河水在未来的一定时间内将要出现的流量、过程。根据预报的方法不同可分为水文气象法、降雨径流法和河段洪水演进法三类。传统的洪水预测技术多建立在经验相关的基础上，随着生产的发展和科学技术的进步，洪水预测在信息处理技术上取得了突猛的发展，明显的增强了预测的精度和时间长度。本文在对洪水预测系统进行简单介绍的基础上对中小河流洪水预测系统的应用于研究进行简单的探讨。

1 中小河流洪水预测系统概述

1.1 中小河流洪水预测系统现状

从20世纪70年代开始，随着计算机技术、网络技术和数据库技术的发展，河流洪水预测也得到了迅速的发展。洪水预测系统的发展在国外经历了3个阶段，第一阶段是联机预测作业阶段，将水情信息采集、传输、处理和洪水预测为一体，完成洪水预测作业；第二阶段是实时预测校正阶段，在预测系统中引入现代控制理论，实现实时信息与预测结果的实时校正；第三阶段是交互式洪水预测阶段，利用图形交互处理技术对洪水预测的中间环节进行人工干预，充分利用专家知识和经验，有效提高洪水预测水平。而我国目前洪水预测还停留在第一阶段，低水平的重复研究现象比较严重，与发达国家有很大的差距。国外先进的洪水预测系统完全采用模块化结构，建立独立的预报模型库，可以根据用户需要选择相应的模型，且数据处理能力强，使用标准化、通用化的模块设计思路，各个河流站点可以独立的预测，也可以一个地区整体预测，范围广泛。

1.2 中小河流洪水预测系统研究主要内容

现代洪水预测涉及信息采集和传送系统、水文预报模型开发、模型参数率定、模型检验、实时预报滤波和校正技术等。水文模型是洪水预测系统的研究的重点部分，全世界洪水预测模型有两百多种，都是针对不同的情况提出的。其模型大致分为水文物理和水文数学模型两大类。其中水文物理模型主要通过实验和现场观测来确定流域相关参数，并用这些参数来描述流域的特性，计算可能的洪水参数。水文数学模型可分为线性模型、非线性模型、时变模型与非时变模型等。

洪水预测模型的发展将为洪水预报系统的完善提供支撑条件，不断的根据中小河流所在流域的新的水文、气象。地理特性及有关水文资料，论证选用适合于该流域水文特性的洪水预报模型，完成洪水预报模型的参数率定及预报方案编制，使洪水预报误差尽可能小，结果更接近于实测值。

1.3 洪水预测系统存在的问题

我国幅员辽阔，各地区水文气候条件、自然地理、人文活动差异很大，建立通用化的河流洪水预测系统难度很大。国内现有预报方案构建技术、洪水预报系统均是针对特定的问题、特定的对象或特定的需求而开发建设的，目前仍没有一套预报系统能很好地解决洪水预报工作中一些普遍问题比如一般预报员需要修改系统软件才能加入新的预测模型，不能通过图形界面任意选择预测模型构建预报方案，还不能通过人工试错和自动优选方便完成多模型、多参数的模型率定，只能完成一种的河系水文预测预报。因此，当前我国的洪水预报现状在预报方案构建上总体上处于发展时期，在实际应用上仍然存在着许多问题。由于缺乏统一的指导和管理，导致全国各地在洪水预报系统建设上不同程度地低水平重复开发、重复研制，新技术应用起点低，预报方案、预报系统五花八门，系统功能不全，应用不便，扩充性不强，时效性差，不方便推广应用。

2 洪水预测系统的组成

河流洪水预测系统是将洪水预报数学模型的计算分析、预报信息的分布服务联为一体。通过分析研究洪水特点及流域地形地貌特征，采用水文学、水力学、河流动力学等相结合的方法，建立实用的洪水预报经验方案和数学预报模型。在实际应用中，以实时雨情、水情、工情、气象等各类实时信息作为输入，通过启动预报模型和方法，对洪峰水位（流量）、洪水过程、洪量等洪水要素进行实时预测，为防汛减灾指挥部门提供决策依据。

河流洪水预测系统是在计算机上实现洪水预测系统，集信息处理和查询、历史实时数据处理、模型率定、实时洪水预报和交互式修正为有机整体。系统软件要有一套较强的学习和自适应修正功能，使得软件使用时间越长，越了解流域的水文特点和工情特点，预测的精度越准。

2.1 系统运行环境

河流洪水预测系统在Windows XP环境下开发，数据库采用关系型数据库SQL Server，采用面向对象的开发语言VS和ASP.NET。本软件设计坚持实用性、可靠性、先进性、开放性的原则。系统做到通用性强，接口标准，操作简单；系统应保证正常运行，能够处理各种数据，功能模块经过严格的测试，具有良好的容错和自诊断能力，实现实时信息和浏览器/服务器（B/S）环境，可以在任何联网计算机上面完成洪水预报作业。

2.2 预测模型的选择

经过水文学家几十年的努力，国内外已建立了大量的洪水预测模型，其中应用最多的有Stanford模型、萨克拉门托模型、水箱模型和中国的新安模型。虽然模型众多，在模拟技巧方面是一致的，有些模型的结构将超渗与蓄满两种不同的产流方法兼容于同一模型，模型的复杂程度与模型的精确之间没有必然的联系，有些简单的模型精度更高，在生產实践中往往根据对模型的认识、评价和多年预报实践经验，结合本流域的特性，挑选相适应的模型。

我国现存的洪水预测模型多为经验相关模型和概念性模型，作为集总式模型，它们对流域空间特性进行了概化，因此不能反映实际暴雨洪水产汇流的空间分布特性，无法全面地刻画水文系统分散输入集中输出的产汇流规律，也就给洪水预测带来误差，影响了洪水预测的精度。1969年，Freeze和Harlan提出了分布式水文物理模型的概念和框架，开始了分布式水文模型的研究历程。20世纪90年代，计算机技术，地理信息系统（GIS），数字高程模型（DEM）和遥感（RS）技术迅速发展，为研制和建立分布式水文模型提供了强大和及时的技术支撑。故从提高精度和增长预见期的要求出发，应开放分布式水文模型。

2.3 预报方案

软件平台应具备预报方案构建功能，包括历史资料分析处理、预报方案构建、模型参数率定、预报方案管理等功能。预报方案构建功能通过人机界面构建相关图预报方案、水文模型预报方案，通过人机界面输入、定制预报方案的各要素值。历史资料处理功能用于输入、转录、检查、修改用于制作洪水预报方案的历史水文资料。模型参数率定功能可通过人工试错和自动优选相耦合的率定子系统，对任何预报模型单值参数进行参数率定，以完成系统建模工作。

2.4 模型参数率定

优选参数是参数率定的重要环节，通常采用确定性系数作为目标函数进行参数优选。当目标函数选定后，常用的优选方法有人工试错法、自动优选法及人与计算机联合优选3种。人工试错法的基本原则是设定一组参数，在计算机上运算，比较模拟值与实测值，人工分析对比或计算其目标函数，再调整参数，重复计算，直至达到最优参数即为所求。人工调试可根据参数的性质不同而侧重不同，如产流参数主要决定于时段内水量平衡和水源比例分配，而汇流参数主要决定于洪水过程的形状。人工调试最优参数简单实用，可以充分利用人们的知识技能和实践经验，有利于模型的应用，至今仍是各种模型调试参数所采用的主要方法。

自动优选法采用数学优化方法，自动求解参数的最优值，又可统称为搜索技术。此种方法可以系统地找到一组参数，使给定的目标函数达到最优，常用的优化方法有单纯形法、转轴法、惩罚函数法等。但自动优选参数却存在以下问题：由于水文模型的复杂性，增加了参数优选的难度。同时，自动优选如不加约束，常会得出离奇的参数值，即使加了约束，又会遇到各式各样的困难。近些年一些新的优化方法如遗传算法（GAS）、人工神经网络（ANN）应用于参数优化，效果不错。参数自动优选软件的研制是一个高难度课题，某些预报方法已有较成熟的自动优化软件，稍加改进即可投入实际应用，但更多的预报模型的参数自动优选软件，需根据流域实际情况研制开发。

应用实践表明，模型参数的调试，应该是人机结合。如何在机器优选中体现人工调试经验，这是模型参数自动优选的发展方向。

2.5 实时洪水预测

洪水预测是基于已建立的洪水预测方案，根据当前最新实时雨水情，对未来一段時间内的洪水过程做出预测。充分考虑工作人员的习惯和预测经验，其主要功能包括：实时资料分析处理、自动预报、人工交互预报、历史对比分析、区域管理。实时资料分析处理主要用于获取实时雨水情信息并处理成可供预测方案直接使用的数据格式，包括降水量、河道水情、水库水情、闸坝水情等。该功能模块应自动对实时水情数据库进行预处理，生成预报使用的水情数据，具有一定的数据插补纠错功能；应充分利用雷达测雨信息弥补降雨信息的不足；具有预见期降雨预报的处理接口，

洪水预测系统是实时防洪调度系统中最重要的、 技术难度最大、通用性最差的系统，其难度主要体现在系统要求洪水预测精度尽可能高、预见期尽可能长、受系统环境影响尽可能小和动态跟踪能力尽可能强。实时洪水预测的设计与开发，重点要考虑如下几方面的问题：流域水文预报模型选择；观测资料误差动态监控分析与实时抗差性研究；系统自适应动态跟踪与误差实时修正；系统遇不正常情况的修复与处理；软件容错性设计；模块标准化设计与子系统集成。

3 小结

中小河流洪水预测系统是流域防洪调度决策支持系统的关键组成部分，是实现防洪调度系统科学、高效、可靠决策的基础。洪水预报系统基于实时水情数据库、预报专用数据库，采用规范、标准、先进的构件化、开放性结构，建立常用预报模型和方法库，能方便地加入新的预报模型，快速地构造多种类的预报方案，具有人工试错和自动优选相耦合的模型率定功能，结合现有的生产实际经验，基于规范化、标准化的软硬件环境和数据库管理系统，采用模块化结构，研究开发一套具有通用性强、功能全面、操作简便的洪水预报系统。可以看出，通用化是洪水预报系统的发展方向。

参考文献

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