相应流量自动化实时报汛技术研究

2016-12-23河南省驻马店水文水资源勘测局河南驻马店463000

低碳世界 2016年33期

关键词：单值差分水位

林伟（河南省驻马店水文水资源勘测局，河南驻马店463000）

相应流量自动化实时报汛技术研究

林伟（河南省驻马店水文水资源勘测局，河南驻马店463000）

为了对相应流量计算模型进行研究，本文分析了相应流量计算模型的精度及适用区域，以单值化模型、经验绳套模型、单一线模型、动态差分模型为主进行具体分析，另外对于各个流量的计算方式，采用人机交互技术相结合的模式，来构建出相应流量计算模型。

相对流量；自动化；实时报汛技术；研究

1 传统相应流量技术与现代相应流量自动化技术的对比

在以前的人工报汛中，判断和分析相应流量主要依赖于测站水位流量的变化，由外推插值得到相应信息。针对关系简单的测站，比较容易实现相应流量的自动报汛，但是水位流量繁杂的区域，就比如长江中下游地段，应用传统方法就不容易做到相应流量的报汛和计算。现在构建的水情自动测报系统已经基本解决了雨量和水位报汛和自动采集问题，可是在相应流量这一项中它的防汛水文自动报汛问题还未得到有效的处理。一些系统选择简单的水位流量关系来对流量插值后进行报汛，或者是在传送流量信息上，达不到防汛需求。例如长江水文局站点在自动报汛时以人工报汛经验为主，选择经验绳套方法和单值模型对复杂绳套水位流量之间的关系进行处理，在相应流量自动化实时报汛技术上有一定的研究，并获得了较好成绩。我们从传统研究结果的分析和总结的前提下，依照相应流量计算模型的特征，提出改进方法和建议，同时运用模型自动计算和交互处理结合的方法对流量进行实时报汛，使其精度提高，下面我们具体分析它的实现机制及报汛软件，使水情自动测报系统得到完善。

2 分析相应流量自动化报汛技术

现在，获得相应流量的方法主要依靠分析测站断面水位流量的关系，进而找到与本站特点类似的水位及流量转换相适应关系，依照直接得到的水位观测值对相应流量进行计算。伴随着水位流量关系研究和分析工作的不断加深，各类水位流量关系优化计算方法和拟合方法不断产生，例如最小二乘混沌算法、自适应加速遗传算法、蚁群算法及免疫进化算法等，它们的曲线拟合结果有优点也有缺点，通常很少被应用于实际报汛工作中。主要应用在生产方面同时获得显著成果，就比如单值化模型、经验绳套模型、单一线模型和差分模型。

2.1 分析单值化模型

通过单值化技术可以有效的解决水位流量绳套曲线，并且参证站在相应流量模拟上应用单值化模型进行计算实现了自动报汛。在单值化模型中经常会用到落差指数模型，这种方法自动化程度较高，比较简便，使用的范围较广。现在在相应流量自动报汛观测站中应用单值化模型主是运用它的整编资料的效果。在有绳套水位流量关系的站点中，对应的水位流量通常不是单一的，可是却能够找到一个及N个证点，可以把Q看作流量，q看作单值流量，而α看作其落差指数，它与本站的落差看作F，于相同水位下，得到公式为：

进而得到落差指数的模型公式为：

在公式当中，β代表校正系数，而模型参数通常是常数，在一些站点与时期和水位有关系，F代表的综合落差在各站中的计算方式是有所区别的。

在实际使用当中，依照已率定好的水位和单值化关系来计算相应流量。由于α、F和β参数的获取不但与实际水位有关系，并且与时间段和水位涨落趋势有直接关系。所以，把单值化处理应用于落差指数模型当中时，要从全面进行考虑。

2.2 分析经验绳套模型

在应用经验绳套模型方面，主要由相关人员依照测站的实测信息资料、代表性的洪水绳套线和站点往年平均绳套线的轴线，再与计算机交互技术相结合，运用人工交互方法来定制和改动水位流量关系的临时曲线，并且以此为参照进行自动报汛。通常在人工报汛精度和模型精度相差太大时，会用到此种方法。

2.3 分析单一线模型

相应水位点与测站的实测流量可以由单一曲线来示意，这个单一线可用任意曲线和直线来拟合，用公式表示为：

公式当中时刻用t表示，最高指数用P表示，流量用Qr代表，水位用Hr代表，其中αo为常数，αi为系数。依据理论原则，把水位流量的单一线法转化为更标准的单一线模型，同时与特制的计算机软件结合，就是在得到实测流量点之后，让计算机自主完成线型的优化选择，也可以直接应用定制的单一线，根据实测点进行校核，再对相应流量进行插值计算。在应用单一水位流量关系的时候，通常更倾向于使用临时线和多条单一线，所以需要把单一线扩展为变动综合线，也就是说先参照以往的实测资料，建立起各年的平均单一线，之后再依照各年份的实测流量分布趋势，以综合线为根据进行改正，进而构建出临时单一线，用其对水位流量进行转换。从相关研究可以看出，这些方法能够降低应用固定单一线出现的差错，使相应流量报汛的精度得到提高。

2.4 分析差分模型

假如把流量和水位看成某个系统的输出和输入，直接应用输出及输入的关系，同时把涨差因素的水位站看成参证，再结合站点的水位流量，就可以构建出差分方程模型，对水位和流量关系的绳套曲线进行模拟。方程式如下：

在公式中流量用 Q表示，系数由 a、b表示，n、m、k= 1，2，3，…，站点外的一个参证水尺由H2表示，它可以是落差F及多组的，本站水位由H1表示，由式4扩展为水位转换流量的差分模型，如下面公式所示：

在水位流量关系中应用差分模型进行短期的动态预测的时候，可以利用水位流量资料对参数进行追踪，参数的适应力很强，有着校正功能和自动学习的功能。所以，应用差分方程进行预测时必需借助准确的相应流量的报汛资料，如果报汛出现错误，则会直接影响到差分模型的准确率。这也是差分模型在建模中精度较高，可是在实际应用中却不能令人满意原因所在。对于这一问题，我们提出了人工交互修正和绘制临时绳套线的功能，把报汛流量值由人工校核的流量值来代替，成为模型的输入，进行流量与参数递推的计算，来处理相应流量的误差。

3 开发相应流量自动化报汛系统

在对流量及水位转换关系进行研究的时候，应当构建于数学模型的前提之下，以开放式结构和模块化模式对水位流量转换系统进行开发，此外还对相应流量的自动计算接口进行了研究，并结合了有报文的转发和生成系统。水位流量转换模型对相应处理模块进行了编制，它经接口来调配水位流量转换模型，做到了水文站与系统水位流量转换的无关性，能够灵活的更改水文站相应流量的计算方法。另外，通过自动查算接口，给新研制的水位流量转换模型提供了便利，使系统的灵活性和通用性得到了提高。

相应流量报汛系统除了做到了自动报汛外，还实现了交互校正水位流量的关系、经验绳套模型临时线生成及维护系统转换模型的参数等功能。在相应流量查算之前必须完成预报临时绳套线和水位流量关系交互分析，所以，相应流量自动报汛要与此模块分开，保持独立。此外要把临时绳套线的预报状况存到数据库内，给自动报汛提供参考依据。这样做不但确保了相应流量的时效性和自动性计算，又使相应流量的计算根据更加合理。