洪水預報系統(tǒng)-金水

4.7洪水預報系統(tǒng)綜合考慮招標書中的需求，我們推薦使用“中國洪水預報系統(tǒng)”作為本項目中的洪水預報軟件。“中國洪水預報系統(tǒng)”是在財政部和國家防辦的支持下，由水利部水利信息中心聯(lián)合國內(nèi)其他單位研制開發(fā)的洪水預報軟件。系統(tǒng)結(jié)合我國的實際情況，基于統(tǒng)一的實時水情數(shù)據(jù)庫、預報專用數(shù)據(jù)庫和客戶/服務器環(huán)境，采用規(guī)范、標準、先進的軟硬件環(huán)境及模塊化、開放性結(jié)構(gòu)，建立常用預報模型和方法庫，能方便地加入新的預報模型，快速地構(gòu)造多種類的預報方案，具有人工試錯和自動優(yōu)選相耦合的模型率定系統(tǒng)，可用圖形和表格方式干預任何過程的實時交互預報系統(tǒng)，提供通用的數(shù)據(jù)預處理模塊和常用的實用模塊，以及完整的預報系統(tǒng)管理功能。系統(tǒng)具有通用性強、功能全面、操作簡便等特點，完全可以滿足招標書中關于洪水預報軟件的要求。4.7.1洪水預報關鍵技術要建設方便實用，預報精度滿足要求的洪水預報系統(tǒng)，我們認為需要解決以下關鍵技術：預報模型庫的建立預報模型是預報系統(tǒng)的核心，預報系統(tǒng)各模塊均是圍繞預報模型而開發(fā)，通用的洪水預報系統(tǒng)必具有通用的預報模型庫，目前在實時洪水預報方面，比較實用的是確定性概念模型，按照模擬的對象不同可分為河道匯流模型、流域產(chǎn)流模型、流域匯流模型、經(jīng)驗模型等。預報模型庫要解決以下問題：一是通用的預報模型庫標準數(shù)據(jù)接口。模型所需數(shù)據(jù)包括輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、模型參數(shù)、模型狀態(tài)等，不同種類模型需要不同種類數(shù)據(jù)，能否設計提出一通用的標準數(shù)據(jù)接口是建立預報模型庫的關鍵；二是預報模型庫的管理，主要是預報模型的調(diào)用、運行，以及修改和刪除等功能；三是用戶可任意在預報模型庫中增加所開發(fā)的模型，即預報模型庫具有很強的擴展性。預報方案的構(gòu)建預報方案是對預報目標的具體實現(xiàn)，是預報模型在模擬區(qū)域的具體應用。預報方案應包含預報對象、預報要素、根據(jù)站點、選用模型、模型參數(shù)、方案評定等。由于預報對象所處的河段、流域和洪水千差萬別，根據(jù)站點類別、信息種類不同，造成預報方案因預報對象不同而不同，因此提出一通用的構(gòu)建技術構(gòu)建不同的預報方案是問題的關鍵。通用的模型參數(shù)率定參數(shù)率定好壞直接影響到預報方案的精度。模型參數(shù)率定工作要求的專業(yè)性很強，需要具有深厚的相關理論知識和實踐經(jīng)驗，。解決的關鍵在于開發(fā)出人工試錯和自動優(yōu)選相耦合，多模型、多參數(shù)自動優(yōu)選，友好的率定平臺，使系統(tǒng)能簡便、快捷、高效地完成模型參數(shù)率定工作。實時交互式預報預報員的豐富經(jīng)驗及綜合分析是提高預報精度的保證。實時交互式預報就是把過去只能由預報員人工進行的洪水預報結(jié)果的綜合分析功能納入到洪水預報系統(tǒng)，依據(jù)有經(jīng)驗的預報員的分析、確定預報的思路來建立對預報結(jié)果進行交互分析的基本模式。其關鍵問題在于能否把預報員的各種綜合分析手段以計算機人機交互界面的方式表現(xiàn)，使預報員方便地進行交互分析。“中國洪水預報系統(tǒng)”在涉及時對以上關鍵技術進行了深入研究，并分別實現(xiàn)了有針對性的解決方案。4.7.2洪水預報流程洪水預報流程大體分為兩大步驟：制作預報方案根據(jù)預報任務，及時收集降雨、蒸發(fā)、水位、流量等有關資料，根據(jù)洪水的形成規(guī)律和特點，建立由當前采集的水文信息推算未來洪水大小和出現(xiàn)時間的一整套計算方法，即洪水預報方案，例如降雨徑流預報方法中的產(chǎn)流預報方案和匯流預報方案。為了保證預報精度和可靠性，必須對制作的預報方案按允許誤差標準進行評定和檢驗。進行作業(yè)預報對正在發(fā)生洪水的地區(qū)進行水文氣象觀測，并通過報汛設備傳送到預報中心運行制作好的預報方案分析計算即將發(fā)生的洪水大小、出現(xiàn)時間等，并及時提供給防汛指揮部門、社會公眾，為抗洪減災決策提供科學依據(jù)。為了提高預報制作的時效性和預報成果的精度，常常把遙感、遙測、信息傳輸和計算機運算聯(lián)成一個系統(tǒng)，由計算機根據(jù)實測數(shù)據(jù)直接按存儲的實時預報方案程序自動算出預報結(jié)果?？傮w預報流程如下圖所示：圖4.7.1洪水預報流程圖4.7.3系統(tǒng)功能描述4.7.3.1系統(tǒng)管理系統(tǒng)管理提供用戶管理、模型管理、方案管理、水位流量曲線、自動預報、站點管理、圖層管理、預報數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)庫設置等功能。用戶管理用戶分為系統(tǒng)管理員用戶和預報員兩種角色類型，用戶必須登陸且通過系統(tǒng)認證才能使用本系統(tǒng)。用戶管理提供修改密碼、修改用戶名、增加用戶、刪除用戶等功能，其中增加用戶、刪除用戶只有系統(tǒng)管理員才有權(quán)限進行操作。系統(tǒng)示例界面如下圖所示：

1.a：擇圧捋.站百強報直感們權(quán)出率罡屮1.a：擇圧捋.站百強報直感們權(quán)出率罡屮a協(xié)選瑋改塔加點、嚴翻用戸Iflft；四尸HI悼用戶取洎$凹員I確定I取消圖07.2用戶管理界面示例圖模型管理模型管理用于對預報系統(tǒng)中使用中的模型進行管理，提供增加模型、刪除模型、保存模型等功能。系統(tǒng)支持的模型類型包括流域產(chǎn)匯流模型、流域產(chǎn)流模型、流域匯流模型、河道匯流模型、經(jīng)驗模型五種。系統(tǒng)界面示例如下圖所示：3中國淞水預報至統(tǒng)LAGS選播預振站査預報區(qū)威管:7溟時預報視型率定用戶管理模型菩理方案管理水位眾量齢自動預報站點言理國層菅理預提數(shù)據(jù)訓數(shù)據(jù)庫連接UHB1SBIjK3中國淞水預報至統(tǒng)LAGS選播預振站査預報區(qū)威管:7溟時預報視型率定用戶管理模型菩理方案管理水位眾量齢自動預報站點言理國層菅理預提數(shù)據(jù)訓數(shù)據(jù)庫連接UHB1SBIjKUMjCHE社HDPS25O61P325131Pi26inP411621P411S22Pd11541P411641P412821廣越省花卒文禪「養(yǎng)數(shù)戔系交件圖07.3模型管理界面示例圖方案管理方案管理用于定制洪水預報方案，提供的功能包括：方案修改、方案分配、方案輸出、方案輸入、方案壓縮等。每個預報方案可包括方案說明、預熱期、計

算時段長、預見期、輸出類型、告警水位、告警流量、水位流量關系、是否顯示區(qū)域輸入邊界等屬性，同時還可為方案設置不同的雨量計算方法，設定使用的模型及參數(shù)等。方案構(gòu)建完成后系統(tǒng)提供方案輸出功能，預報員可通過選用不同的方案或通過調(diào)整方案的參數(shù)來獲得多種預報結(jié)果。系統(tǒng)示例界面如下圖所示：圖07.5方案管理示例圖-方案屬性修改4）自動預報系統(tǒng)提供自動預報功能，當將系統(tǒng)設置為自動預報狀態(tài)時，系統(tǒng)將依據(jù)方案管理中所設定的預報方案、預報順序等設置逐時自動啟動預報。系統(tǒng)還提供“是否自動校正”“是否自動發(fā)布”等選項，當設置為自動校正狀態(tài)時，系統(tǒng)將自動按照預報成果和實際發(fā)生的成果進行精度分析，實現(xiàn)預報成果的實時校正；設置為自動發(fā)布狀態(tài)時，系統(tǒng)保存自動預報結(jié)果，則該預報方案在運行完成后，系統(tǒng)

自動發(fā)布預報結(jié)果，結(jié)果發(fā)布時，界面上將顯式區(qū)分預報過程和實測過程。系統(tǒng)界面示例如下圖所示：5）預報數(shù)據(jù)管理預報數(shù)據(jù)管理用于管理中間預報成果、最終預報成果和模型狀態(tài)三類數(shù)據(jù)。6）其他系統(tǒng)管理功能系統(tǒng)提供站點管理、圖層管理、水位流量關系曲線管理等功能，用于對預報涉及到的邊界條件數(shù)據(jù)進行管理。4.7.3.2預報方案制作預報方案制作是中國洪水預報系統(tǒng)的重要組成部分。它包括預報方案構(gòu)建、歷史資料處理、模型參數(shù)率定等功能。預報方案構(gòu)建功能可通過人機界面構(gòu)建相關圖預報方案、水文模型預報方案，通過人機界面輸入、定制預報方案的各要素值。歷史資料處理功能用于輸入、轉(zhuǎn)錄、檢查、修改用于制作洪水預報方案的歷史水文資料。模型參數(shù)率定功能可通過人工試錯和自動優(yōu)選相耦合的率定子系統(tǒng)，對任何預報模型單值參數(shù)進行參數(shù)率定，以完成系統(tǒng)建模工作。預報方案構(gòu)建構(gòu)建預報方案是實施洪水預報作業(yè)的基礎，本系統(tǒng)構(gòu)建預報方案包括定義方案、圈劃流域、確定方案模型、雨量站控制權(quán)重、使用向?qū)У任屙椆δ?。歷史資料處理此功能主要用于錄入、轉(zhuǎn)存、檢查、修改用于模型參數(shù)率定的歷史水文資料，包括洪水摘錄資料、洪水日資料、降雨摘錄資料和降雨日資料等。模型參數(shù)率定此功能主要用于對選定的預報模型中的參數(shù)進行率定。水文模型包括模型結(jié)構(gòu)和模型參數(shù)兩個方面。確定模型結(jié)構(gòu)稱為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)識別，在確定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，率定模型的參數(shù)稱為系統(tǒng)的參數(shù)識別，合稱為系統(tǒng)識別。模型結(jié)構(gòu)就是模型的計算步驟與方法，，模型參數(shù)是代表具體流域的水文特性，是模型結(jié)構(gòu)程序中待定的常數(shù)。有了結(jié)構(gòu)和參數(shù)之后，流域的水文規(guī)律和水文特性就完整地描述出來了。模型參數(shù)率定是通過對歷史資料的模擬分析，確定預報方案各輸入所采用的概念性模型的參數(shù)，以用于實時預報。參數(shù)率定的目標是尋求模擬客觀系統(tǒng)的最滿意的模型和最佳參數(shù)，參數(shù)率定是模型識別的主要環(huán)節(jié)。洪水預報模型的參數(shù)大體上可分為以下兩類：(1)過程參數(shù)。模擬水文過程的數(shù)學方程式中的待定常數(shù)，已見的如土壤蓄水容量、蒸散發(fā)能力、穩(wěn)滲率、壤中流及地下水的蓄泄系數(shù)、河槽匯流系數(shù)等。這些參數(shù)有明確的物理意義，大多可由水文、氣象、地理、地質(zhì)等資料分析初定，有的必須優(yōu)選確定。（2）地理參數(shù)。表示地理特征或量度的一些參數(shù)。如面積、高程、地形類別、植被覆蓋、土地利用、地面坡度、河槽坡度及長度，不透水面積等。這些參數(shù)大多可以根據(jù)自然地理資料或地形圖測定。對于采用可率定模型構(gòu)建的洪水預報方案，本系統(tǒng)提供人工試錯、自動優(yōu)選、以及人工試錯和自動優(yōu)選相耦合等三種方法對模型中單值參數(shù)進行參數(shù)率定以最終建立洪水預報方案。系統(tǒng)提供的模型參數(shù)率定界面示例如下圖所示：圖07.8模型參數(shù)率定界面示例如上圖的界面中，可以通過“缺省參數(shù)范圍”，“缺省參數(shù)關系”，“缺省模型狀態(tài)”等功能按鈕恢復模型的缺省值，可通過設置優(yōu)化率定方法、目標函數(shù)類型、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)改善自動優(yōu)選的效果。系統(tǒng)進行參數(shù)率定時可顯示率定進度狀態(tài)。當模型率定或模型檢驗結(jié)束后，在界面右下角的率定結(jié)果欄目中將以過程線形式顯示模擬過程和實測過程對比情況，用戶可通過對此結(jié)果的觀測檢驗模型的適用程度。4.7.3.3實時作業(yè)預報實時作業(yè)預報提供作業(yè)預報、預報成果優(yōu)選、預報誤差統(tǒng)計分析、預報成果輸出等功能。1）作業(yè)預報系統(tǒng)提供單站作業(yè)預報和區(qū)域作業(yè)預報兩種作業(yè)預報方式。單站作業(yè)預報只對當前所選擇的預報斷面和預報方案進行預報。區(qū)域作業(yè)預報既可對單站進行作業(yè)預報，也可同時連續(xù)的從上游往下游對河系各預報斷面進行作業(yè)預報。系統(tǒng)提供的單站作業(yè)預報界面示例如下圖所示：圖07.9單站作業(yè)預報界面示例如上圖所示，整個單站作業(yè)預報控制界面可分為“方案輸入”、“時間設置”、模型信息”、“功能按鈕”、“結(jié)果顯示”等5個區(qū)域。其中時間設置部分用于調(diào)整預報作業(yè)的預熱期和預見期時間，模型信息部分用于顯示或修改預報作業(yè)中使用的模型及模型參數(shù)，結(jié)果顯示部分用雨洪過程線的方式顯示預報結(jié)果。使用“預見期雨量”功能可對實測降雨量值進行修改，也可輸入未來降雨量估計值，如下圖界面所示：?治捕詁(S0II5000)柞確怔眼尹州站廉Jg尹州站廉Jg方集占缸口fiW1139OJ>)?刖扯■EMi&oiisoo&ia)■+益J3LA5.3O戎平IEB叔丁冋?酈□金:嗚IfeKlMi咖USE占平樂1兇&皿50>)I5K占I育鼻:褲出:i聞空#豪|穆理枝戀匕財童面雨掘］即雨盟|時同一KH133MBO113TW^115QW|aowsowE060T3M旳61—SMK-OB-OT<B;DOQ上O.O0-00.00.0孔Dl30CE-OB-07O3：M0.00.00.00?00.00.02005-0&-0620;M0,00,00』0,0①D2WEK巧14：MQ?0Q.QQ.QQ.QQ.V書?02MSP4洶ee：bd0_l1,S0-ttz3.^2SK6-0B-<6陽000.31.3CLO0.03啟SOS0C6P4M20:00o.al.S0』14.13.B孔Ci20C6P&■俑14：007a21.30-00,03.Smo3MHEF<?：MM.8IS.59.13.534.B6A3306-06-05伽：00d■右3.1655.234.6Ou3”*2]0?江□(90113300)江□(90113300)時間ri*|訥訕14;005.007-0720：0Q0-00?-0602;000.007-06嫁加0,0C7-0EIdsiXi1九d.07-0e20:000,407-0002:000-7OT-OPOS：009,7Q7-0R[d：0015.007-0930：W3.507-1002：00乩307-10OSMO19.207-1014：W乩Q07-1020：000.30T-11022M0-307-11CS^iXi0-307-11ldzMi0-007-1120：Ml5,007-1202]M0007-1214:000-007-12S&2000.007-1302:000.0OT-130^：W0u007-1314:000.007-1330:00OuO07-1402:000.0K.OD2D.IKK.OOsmT/TTJ*7/LS■11—S^rEffi丄gfc肝間77, 4/11站藪..-.-i—?；"：圖07.10進行作業(yè)預報時降雨量模擬示例系統(tǒng)提供的實時校正功能可依據(jù)預報時間前的預報過程和實測過程的誤差系列，對預報時間后的預報過程進行實時校正。2)預報成果優(yōu)選是在多預報員、多單位的預報成果基礎上，結(jié)合專家經(jīng)驗選出最優(yōu)的預報成果，以供對外發(fā)布。如下圖所示：

界面上以圖形方式顯示實測過程（圖中黑色