API 模型参数交互式率定的设计与实现

董家根，罗俐雅，司存友

（江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029）

0 引言

随着中小河流水文监测系统的大建设，江苏省面临大批新建流量站洪水预警系统的建设任务，需编制大量的洪水预报方案，而对于已有方案的站点，由于下垫面环境的变化需要对已有方案进行进一步的调整完善。目前江苏省各地市方案使用模型以 API 模型居多，API 模型中场次洪水降水量P、前期影响雨量Pa、径流深R三要素及单位线的推求计算比较复杂，而降雨径流相关图的制作主要是人工定点绘线，耗时较长而且精度取决于分析人员对流域产汇流机理的认识和经验水平，成果可能不同程度的因人而异。

本研究基于 JAVA 语言开发的江苏省中小河流洪水预报系统[1]研究 API 模型参数交互式率定的程序化设计，实现相关参数的自动推求及图形的自动拟合。

1 设计框架

使用 JAVA 开发基于 B/S 架构的江苏省中小河流洪水预报系统自下而上分为数据层、应用支撑层、业务支撑层和表现层。数据层提供数据支持，包括洪水预报所涉及的数据库，主要有实时水雨情数据库、基础水文库、预报专用库、地理信息数据库、气象降雨预报数据库。应用支撑层提供统一的技术架构和运行环境，为资源整合和信息共享提供运行平台。内容包括统一的用户管理、数据访问、监控管理和标准管理，以及图形工具及 GIS 服务分析。业务支撑层提供后台数据处理计算，主要包括曲面拟合[2]、曲线拟合、等时段处理、插值算法、泰森多边形、分布式计算等。表现层提供用户交互界面，实现洪水预报系统个性化定制。系统框架如图1所示。

API 模型构建作为洪水预报系统中的一个子菜单，便是基于这种统一的框架和标准进行设计开发的。由于 API 模型多涉及图标计算展示，为了更好地实现与用户的交互，采用了 Amcharts 图表和华表 Cell 组件。AmCharts 支持柱状图、条形图、线形图、面积图、烛台图、雷达等基本图形，完全满足相关图形的展示及编辑。华表 Cell 组件实现报表自定义、报表显示、打印预览、打印、图表、公式、自定义函数、资源本地化等强大功能，能够完全读写 Excel 文件。

2 功能实现

运用 JAVA 语言实现 API 模型的交互式设计，最关键的难点在于实现预报员分析判断的思维过程，需要对业务员的业务思维、操作习惯等方面进行细致的考虑，从而实现相关图模型的交互，因此从业务流程方面考虑 API 交互界面的设计，主要包括资料处理、降雨径流相关图定线、单位线制作及方案评定等内容， 具体流程如图2 所示。

图1 设计框架图

系统录入流域历史水文数据和基本资料后，预报员从数据查错、处理开始，逐步率定各模型参数[3–5]和单位线[6]生成，直到模型检验、精度评定、成果打印等工作全部在计算机上完成，不需要任何机下作业，模型建立的全过程实现面向用户的人机交互，提高预报员的工作效率和成果质量。API 模型构建功能如图3 所示。

图3 API 模型构建功能

产汇流误差评定参照 GBT 22482—2008《水文情报预报规范》规定，精度低于乙等（合格率＜ 70%），需要重新计算。精度高于等于乙等（合格率≥ 70%），方案可用于作业预报。

2.1 资料处理

资料处理包括历史数据管理及时段数据生成。

1）历史数据管理。包括对洪水水文要素摘录、逐日平均水位、逐日平均流量、降水量摘录、逐日降水量及水面蒸发量等 6 类历史数据的查询，编辑，导入，导出。支持 xls，zip 及 rar 文件格式的导入，数据可按照水文年鉴的格式进行数据的展示，同时支持数据的添加、删除、修改等编辑。

2）时段数据生成。降水量和洪水水文要素摘录资料非等时段，在推求单位线计算过程中后台可自动对摘录资料进行插值，将摘录资料插值为 1，3，6 h 等时段的数据。

2.2 降雨径流相关图制作

降水径流相关图制作较为复杂，主要包括洪水场次选择、基流及退水分割、产流三要素计算、相关图定线。

1）洪水场次选择。绘制降雨产流相关图时需使用选择的洪水样本，系统通过图形交互技术实现洪水场次的在线选择。用户可选择时间段查看洪水流量过程线，通过按住鼠标拖拽进行洪水场次的选择。功能界面如图4 所示。

2）基流及退水分割。 系统可根据基流值及退水曲线自动计算前次和本次洪水未退完径流量。设定基流值和退水曲线数值后，系统可自动判别起涨和结束流量与退水曲线中最相近的值，然后根据退水曲线求得前次和本次洪水未退完水量。

图4 洪水场次选择及计算界面

3）产流三要素计算。a. 降雨量P计算。流域雨量站确定后，可通过算术平均法及泰森多边形法自动计算求得面雨量。b. 前期影响雨量Pa计算。设置最大初损及初始Pa后，以本次降雨前 30 d 作为计算值的预热期，系统自动逐日往后计算至本次降雨开始这一天的Pa值，就是本次降雨的Pa值。c. 径流深计算。扣除基流值计算得到的径流深减去前次和本次洪水的未退完水量，即为本次洪水的径流深，这一计算过程系统可在后台自动计算完成。

4）相关图定线。利用选择的场次洪水计算得到的P，Pa，R值基于最小二乘法、改进的遗传算法、人工蜂群、混合蛙跳等算法进行相关图定线。其中最小二乘法包括曲面拟合及利用蓄满产流方法拟合。曲面拟合可提供多种元次拟合，支持对图形的拖动调整。支持 3 种类型图形，即三象限、四象限及（P+Pa）。功能界面如图5 所示。

图5 API 交互式率定界面

5）相关图调整。通过图形交互技术实现相关图的调整。在用鼠标拉拽移动线条时，设计了成组和单线移动的工作方式，这些充分利用了老预报员在人工定线实践中积累的丰富经验，使计算机定线的合理程度达到与人工作业相同的水平。而且，由于利用了计算机的高速计算性能，在定线过程中，不断地向预报员反馈每一种定线情况下，相关图的误差精度变化的情况，有利于预报员判断参数的合理性，及时调整有关参数。

2.3 单位线制作

1）水源划分。支持按比例及稳定下渗率划分，用户设定比例值和稳定下渗率值后，可自动计算得到地面和地下净雨。

2）次洪单位线分析。单位线推求包括时段、瞬时，以及适用于无资料地区的地貌等单位线的推求。a. 时段单位线推求采用赛德尔迭代法[3]，可设置赛德尔迭代允许误差及最大迭代次数，显示计算得到的 1，10 mm 单位线及模拟的流量值，支持图形查看及数据导出功能；b. 瞬时单位线推求时可根据净雨值和流量值自动计算参数n，k值，通过公式计算得到瞬时单位线，设置时段长可转换成得到 1，10 mm 时段单位线；c. 地貌单位线推求时利用地貌参数及经验公式计算推求得到n，k值，然后计算得到瞬时单位线，设置时段长可转换成得到 1，10 mm 时段单位线。

3）单位线综合。用户可根据不同雨强、暴雨中心等条件选择不同场次洪水计算得到的单位线，然后将这些单位线数值进行平均即得到综合的单位线。蓝色为场次单位线，红色为拟合单位线。

得到的单位线通过图形和表格 2 种形式展示，系统采用图形交互技术实现单位线的调整。用鼠标拖拽修改单位线、平衡水量，修改后的拟合结果可同时在窗口过程线中绘制出来，更为直观、快捷。功能界面如图6 所示。

图6 单位线综合界面

2.4 方案评定

1）产流评定。产流评定是通过读图得到每场次的计算与实测径流深进行比较，得到产流方案的合格率，从而对方案进行评定。降雨径流关系成果表字段包括年份、降雨起讫时间、降雨量、前期影响雨量、实测径流深、计算径流深、误差、许可误差、评定。

2）汇流评定。汇流评定是将计算得到的洪峰流量值和时间与实测值进行比较，误差在许可误差范围内即为合格，推算洪峰流量和时间合格率。汇流评定成果表字段包含年份，降雨起讫时间，实测洪峰值，预见期，预报洪峰时间，预报洪峰值，洪峰流量误差、许可误差、评定，洪峰时间误差、许可误差、评定。

3 结语

1）系统采用 B/S 模式，用户界面将全部是浏览器中呈现的 Web 页面，用户根据 Web 页面信息从浏览器向服务器端提交服务请求，服务器端负责对请求进行处理，并将处理结果通过网络返回浏览器端，省市之间、各地市之间可同时访问系统进行方案的查看会商，避免了信息孤岛。

2）通过系统可直接进行 API 模型相关数据的自动计算、参数的自动推求及图形的人机交互拟合，极大地提高了计算效率和精度。

3）交互式参数率定保留了预报员研制模型的传统技术的精华，始终以预报员的判断指挥数学模型的使用和结果取舍，是一种带有专家经验性质的系统，这是保证率定成果能够满足预报员要求的关键。

参考文献：

[1] 章四龙. 洪水预报关键技术研究[D]. 南京：河海大学，2005.

[2] 李二涛，张国煊，曾虹. 基于最小二乘的曲面拟合算法研究[J]. 杭州电子科技大学学报，2009，29 (2): 48-51.

[3] 李向阳. 水文模型参数优选及不确定性分析方法研究[D].大连：大连理工大学，2006.

[4] 刘承明. 南方湿润地区降水径流关系计算机法参数率定[J]. 长江水利教育，2008 (5): 30-35.

[5] 章四龙. 通用模型参数率定技术研究[J]. 水文，2005，25 (1): 9-12.

[6] 宋来任. 推求谢尔曼单位线的赛德尔迭代法[J]. 长江水利教育，1998，15 (4): 69-70.