狄艷艷,李林霞,許珂艷,陶 新

(1.黃河水利委員會水文局,河南鄭州450004;2.黃河萬家寨水利樞紐有限公司北京沙源水利水電工程資詢有限公司,河南鄭州450004)

1 概 述

VisualRFS是美國Tashan公司研制開發(fā)的基于微機視窗操作系統(tǒng)下的水文預(yù)報軟件產(chǎn)品,該系統(tǒng)提供了較好的本地化用戶界面,以幫助預(yù)報員在運行過程中對預(yù)報結(jié)果進行決策。系統(tǒng)圖形用戶界面部分是采用國際化的界面來設(shè)計的,并運行于微機窗口平臺。與其它常規(guī)預(yù)報系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)通過可視化窗口使得用戶能很方便地與系統(tǒng)互動,可以建立自己的預(yù)報方案,處理不同類型的原始數(shù)據(jù),方便地執(zhí)行實時洪水預(yù)報,對模型狀態(tài)或參數(shù)、時間序列數(shù)據(jù)進行修正,可加入中長期徑流預(yù)報模塊。預(yù)報結(jié)果可視化,系統(tǒng)將預(yù)報結(jié)果分別以圖形和表格的形式輸出,系統(tǒng)操作很容易掌握。

VisualRFS中所有模型都是美國國家天氣局河流預(yù)報系統(tǒng)(NWSRFS)中的模型。經(jīng)過美國國家天氣局20多年的實際檢驗,這些模型及其軟件非常可靠,這些模型和軟件已全天候地運行在美國天氣局河流預(yù)報中心。

2 VisualRFS的結(jié)構(gòu)和功能

VisualRFS軟件產(chǎn)品的總體框架如圖1所示。

圖中最底層的水文預(yù)報引擎用于處理河流預(yù)報邏輯。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫、模型及其管理系統(tǒng)構(gòu)成了VisualRFS系統(tǒng)的骨骼。

VisualRFS由系統(tǒng)設(shè)計、信息檢索、模型率定及洪水預(yù)報4個功能模塊組成,主界面如圖2所示。

2.1 信息模塊

信息模塊是一個基于Windows界面的應(yīng)用,它允許普通用戶從底層預(yù)報系統(tǒng)中檢索信息。所檢索的信息可以是靜態(tài)數(shù)據(jù)或動態(tài)的實時觀測數(shù)據(jù),也可以是預(yù)報組的拓撲關(guān)系圖、預(yù)報結(jié)果圖表等等。

圖1 VisualRFS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 設(shè)計模塊

設(shè)計模塊使預(yù)報系統(tǒng)高級授權(quán)用戶用來管理底層預(yù)報系統(tǒng),它的主要功能是:定義站點、流域界限和其他地理信息,計算站點權(quán)重,確定模型和模型參數(shù)、初始狀態(tài),改變流域或站點物理特征等等。

利用設(shè)計模塊建立VisualRFS使用的文件體系,為用戶提供如時區(qū)、用戶名字、密碼等信息,確定數(shù)據(jù)類型、本地設(shè)置、地理范圍、站點、流域和地區(qū)、水位流量關(guān)系曲線等,在此基礎(chǔ)上確定每一個站點所用的預(yù)報模型,設(shè)計預(yù)報組中各節(jié)點的拓樸關(guān)系,構(gòu)建預(yù)報組。

2.3 率定模塊

率定模塊提供一種用來降低試錯率定程序難度的工具,包括手工率定和自動優(yōu)化兩種方法。

(1)手工率定:水文曲線以圖的形式顯示在屏幕上,使率定員能夠更容易的看到模擬水文曲線和觀測水文曲線之間的差異,從而更快的重設(shè)參數(shù)值,重新運行模擬程序,以求得到最滿意的結(jié)果。

(2)參數(shù)自動優(yōu)化:參數(shù)自動優(yōu)化程序能夠使用戶進一步微調(diào)以前通過手動率定程序得到的參數(shù)估計值。目前系統(tǒng)中的優(yōu)化算法有模式搜索(PATSERCH)算法、適應(yīng)性隨機搜索(ARS)算法、在異方差誤差(HMLE)情況下最大似然估計、復(fù)合形進化(SCE)算法。

2.4 預(yù)報模塊

預(yù)報模塊為用戶提供了實時作業(yè)預(yù)報的平臺,選定預(yù)報組、預(yù)報時間,與實時數(shù)據(jù)庫相連,即可進行預(yù)報組的實時作業(yè)預(yù)報,最終的結(jié)果以圖表的形式顯示。

預(yù)報模塊能夠使用程序來進行交互式河流預(yù)報,模塊中的交互式預(yù)報的展示工具可根據(jù)它們各自所包含的信息而分為三組:一種展現(xiàn)模型的安裝和模型的模擬運行進程,另一種允許其它的運行時刻修正轉(zhuǎn)換為具體模型輸入數(shù)據(jù),第三種類型顯示輸入和輸出時間序列并允許預(yù)報員對它們進行修正。這樣可以在處理下游子流域之前對上游子流域的預(yù)報進行校準,以減少預(yù)報誤差的傳遞。

3 算 例

3.1 流域概況

黃河小浪底～花園口區(qū)間(簡稱“小花間”)位于東經(jīng) 109°54′～ 113°39′,北緯 33°40′～ 36°56′,流域面積35 883 km2,干流河道河長124 km,是黃河中游最后一段峽谷到黃河下游的過渡段。該區(qū)南北兩面為山,北面有中條山、太岳山、太行山,南面有秦嶺、伏牛山,其走向自西向東逐漸散開。大小支流沿南北兩翼向黃河干流匯集,呈蝴蝶形流域,其間有伊洛河、沁河兩大支流于花園口以上集中匯入黃河[1]。

本區(qū)暴雨主要是由南北向切變線加低渦或臺風間接影響所致,暴雨歷時短、強度大,干支流洪水遭遇的機會較多,洪峰多為陡漲陡落,峰高歷時短,含沙量較小[2],一次洪水的持續(xù)時間一般多為5 d左右,連續(xù)洪水歷時可達12 d之久。又由于該區(qū)產(chǎn)匯流條件好,匯流時間短,預(yù)見期僅8～10 h左右。該區(qū)洪水的特點是漲勢猛、洪峰高、預(yù)見期短,對黃河下游的威脅最為嚴重[3]。

3.2 模型及代表站選取

VisualRFS中含有大量的降雨徑流模型,根據(jù)黃河小花間的水文氣象特性,產(chǎn)流模型選用薩克拉門托模型,流域匯流選用單位線,河道匯流選用滯后演算法和分層系數(shù)演算法。

選取小花間的東灣、飛嶺、黑石關(guān)和花園口4個站作為代表,東灣站控制流域為南部支流伊河的河源區(qū),受人類活動影響較小,氣象水文資料相對完整;飛嶺站控制流域為北部沁河的河源區(qū),氣象水文相對資料不足;黑石關(guān)為南部支流伊洛河的下游控制站,受伊洛河夾灘地區(qū)的影響;花園口站是整個小花間流域的流域出口[4]。

3.3 資料情況

研究所用的地形、土壤和植被等資料從Internet上免費獲取,水文氣象資料選取了1982年、1996年～2005年的氣象水文資料(1982年汛期洪水較大),利用距離平方反比的方法插補降雨數(shù)據(jù),供模型使用。

3.4 模擬結(jié)果

4個代表站率定的部分洪水過程的精度統(tǒng)計見表1,驗證的部分洪水過程精度統(tǒng)計見表2。預(yù)報精度評定標準根據(jù)《水文情報預(yù)報規(guī)范》(GB/T22482-2008),采用洪峰相對誤差FE和確定性系數(shù)DC作業(yè)評定標準[5]。

表1 率定的洪水精度統(tǒng)計

表1中的率定結(jié)果表明,4個代表站的確定性系數(shù)DC處于0.83～0.99之間,效果較好;洪峰誤差FE最大為黑石關(guān)站1996080208號次洪,為12.88%,初步認為可能的原因是伊洛河夾灘地區(qū)的影響,最小洪峰誤差為飛嶺站1982073008號次洪,為-0.01%;洪量誤差均控制在±20%之內(nèi),最小為0.02%,最大為8.05%。從表2中所列的部分率定洪水精度統(tǒng)計可以看出,峰現(xiàn)時間最小誤差為0,最大為-6h。從這些結(jié)果可以看出,洪水過程模擬結(jié)果較好。

表2 驗證的洪水精度統(tǒng)計

表2中的驗證結(jié)果表明,4個代表站的確定性系數(shù)DC處于0.80～0.96之間,洪峰誤差FE均控制在 ±20%之內(nèi),最小僅 -0.53%,最大為-15.62%;洪量誤差 FE最小為1.53%,最大為18.74%。按照水利部頒發(fā)的“水文情報預(yù)報規(guī)范”方案精度達到乙等,可以用于實時作業(yè)預(yù)報。與率定的結(jié)果相比,驗證的洪水對峰現(xiàn)時間的模擬效果相對有所降低,這是因為洪峰附近時段的流量值相差不大,系統(tǒng)自動統(tǒng)計的峰現(xiàn)時間誤差相對較大。在實際預(yù)報中,預(yù)報員會根據(jù)當時的水情變化對軟件系統(tǒng)提供的峰現(xiàn)時間做出合理判別。

4 結(jié) 論

(1)VisualRFS是一個集多種水文學(xué)和水力學(xué)模型、實時校正技術(shù)、信息處理技術(shù)、可視化軟件技術(shù)于一體的應(yīng)用系統(tǒng)。采用的理論方法先進,技術(shù)成熟可靠,較好解決了數(shù)據(jù)預(yù)處理、預(yù)報模型組合、模型參數(shù)率定、實時洪水預(yù)報、系統(tǒng)信息管理等主要環(huán)節(jié)。

(2)VisualRFS作為實時作業(yè)預(yù)報系統(tǒng),已在世界多個國家運行。其經(jīng)過本地化改造后可用于黃河流域小花區(qū)間的實時洪水作業(yè)預(yù)報,從而提升洪水預(yù)報的技術(shù)手段。

(3)VisualRFS中的設(shè)計模塊使系統(tǒng)具有良好的可擴展性,可用于黃河流域的其它區(qū)域。

[1] 吳學(xué)勤,呂光圻,等.黃河三花間水文概況.黃河水文科技成果與論文選集(二)[M].鄭州:黃河水利出版社,1996.

[2] 吳險峰,劉昌明.黃河小花區(qū)間暴雨徑流過程分布式模擬[J].水科學(xué)進展,2004,15(4):511-516.

[3] 陳 靜,顏亦琪,狄艷艷,等.2004年汛期黃河水情簡析[J].水利與建筑工程學(xué)報,2005,3(2):48-51.

[4] 許珂艷,陶 新,劉龍慶,等.2003年9月洛河洪水產(chǎn)匯流特性分析[J].人民黃河,2004,26(1):22-23.

[5] 中華人民共和國國家標準.GB/T 22482-2008.水文情報預(yù)報規(guī)范[S].北京:中國標準出版社,2008.