董家根，羅俐雅，司存友

（江蘇省水文水資源勘測(cè)局，江蘇 南京 210029）

0 引言

隨著中小河流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的大建設(shè)，江蘇省面臨大批新建流量站洪水預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)任務(wù)，需編制大量的洪水預(yù)報(bào)方案，而對(duì)于已有方案的站點(diǎn)，由于下墊面環(huán)境的變化需要對(duì)已有方案進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整完善。目前江蘇省各地市方案使用模型以 API 模型居多，API 模型中場(chǎng)次洪水降水量P、前期影響雨量Pa、徑流深R三要素及單位線的推求計(jì)算比較復(fù)雜，而降雨徑流相關(guān)圖的制作主要是人工定點(diǎn)繪線，耗時(shí)較長(zhǎng)而且精度取決于分析人員對(duì)流域產(chǎn)匯流機(jī)理的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)水平，成果可能不同程度的因人而異。

本研究基于 JAVA 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的江蘇省中小河流洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)[1]研究 API 模型參數(shù)交互式率定的程序化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的自動(dòng)推求及圖形的自動(dòng)擬合。

1 設(shè)計(jì)框架

使用 JAVA 開(kāi)發(fā)基于 B/S 架構(gòu)的江蘇省中小河流洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)自下而上分為數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支撐層、業(yè)務(wù)支撐層和表現(xiàn)層。數(shù)據(jù)層提供數(shù)據(jù)支持，包括洪水預(yù)報(bào)所涉及的數(shù)據(jù)庫(kù)，主要有實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)水文庫(kù)、預(yù)報(bào)專用庫(kù)、地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、氣象降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)。應(yīng)用支撐層提供統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境，為資源整合和信息共享提供運(yùn)行平臺(tái)。內(nèi)容包括統(tǒng)一的用戶管理、數(shù)據(jù)訪問(wèn)、監(jiān)控管理和標(biāo)準(zhǔn)管理，以及圖形工具及 GIS 服務(wù)分析。業(yè)務(wù)支撐層提供后臺(tái)數(shù)據(jù)處理計(jì)算，主要包括曲面擬合[2]、曲線擬合、等時(shí)段處理、插值算法、泰森多邊形、分布式計(jì)算等。表現(xiàn)層提供用戶交互界面，實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)個(gè)性化定制。系統(tǒng)框架如圖1所示。

API 模型構(gòu)建作為洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的一個(gè)子菜單，便是基于這種統(tǒng)一的框架和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的。由于 API 模型多涉及圖標(biāo)計(jì)算展示，為了更好地實(shí)現(xiàn)與用戶的交互，采用了 Amcharts 圖表和華表 Cell 組件。AmCharts 支持柱狀圖、條形圖、線形圖、面積圖、燭臺(tái)圖、雷達(dá)等基本圖形，完全滿足相關(guān)圖形的展示及編輯。華表 Cell 組件實(shí)現(xiàn)報(bào)表自定義、報(bào)表顯示、打印預(yù)覽、打印、圖表、公式、自定義函數(shù)、資源本地化等強(qiáng)大功能，能夠完全讀寫(xiě) Excel 文件。

2 功能實(shí)現(xiàn)

運(yùn)用 JAVA 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn) API 模型的交互式設(shè)計(jì)，最關(guān)鍵的難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)員分析判斷的思維過(guò)程，需要對(duì)業(yè)務(wù)員的業(yè)務(wù)思維、操作習(xí)慣等方面進(jìn)行細(xì)致的考慮，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)圖模型的交互，因此從業(yè)務(wù)流程方面考慮 API 交互界面的設(shè)計(jì)，主要包括資料處理、降雨徑流相關(guān)圖定線、單位線制作及方案評(píng)定等內(nèi)容， 具體流程如圖2 所示。

圖1 設(shè)計(jì)框架圖

系統(tǒng)錄入流域歷史水文數(shù)據(jù)和基本資料后，預(yù)報(bào)員從數(shù)據(jù)查錯(cuò)、處理開(kāi)始，逐步率定各模型參數(shù)[3–5]和單位線[6]生成，直到模型檢驗(yàn)、精度評(píng)定、成果打印等工作全部在計(jì)算機(jī)上完成，不需要任何機(jī)下作業(yè)，模型建立的全過(guò)程實(shí)現(xiàn)面向用戶的人機(jī)交互，提高預(yù)報(bào)員的工作效率和成果質(zhì)量。API 模型構(gòu)建功能如圖3 所示。

圖3 API 模型構(gòu)建功能

產(chǎn)匯流誤差評(píng)定參照 GBT 22482—2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》規(guī)定，精度低于乙等（合格率＜ 70%），需要重新計(jì)算。精度高于等于乙等（合格率≥ 70%），方案可用于作業(yè)預(yù)報(bào)。

2.1 資料處理

資料處理包括歷史數(shù)據(jù)管理及時(shí)段數(shù)據(jù)生成。

1）歷史數(shù)據(jù)管理。包括對(duì)洪水水文要素摘錄、逐日平均水位、逐日平均流量、降水量摘錄、逐日降水量及水面蒸發(fā)量等 6 類歷史數(shù)據(jù)的查詢，編輯，導(dǎo)入，導(dǎo)出。支持 xls，zip 及 rar 文件格式的導(dǎo)入，數(shù)據(jù)可按照水文年鑒的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的展示，同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)的添加、刪除、修改等編輯。

2）時(shí)段數(shù)據(jù)生成。降水量和洪水水文要素摘錄資料非等時(shí)段，在推求單位線計(jì)算過(guò)程中后臺(tái)可自動(dòng)對(duì)摘錄資料進(jìn)行插值，將摘錄資料插值為 1，3，6 h 等時(shí)段的數(shù)據(jù)。

2.2 降雨徑流相關(guān)圖制作

降水徑流相關(guān)圖制作較為復(fù)雜，主要包括洪水場(chǎng)次選擇、基流及退水分割、產(chǎn)流三要素計(jì)算、相關(guān)圖定線。

1）洪水場(chǎng)次選擇。繪制降雨產(chǎn)流相關(guān)圖時(shí)需使用選擇的洪水樣本，系統(tǒng)通過(guò)圖形交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)洪水場(chǎng)次的在線選擇。用戶可選擇時(shí)間段查看洪水流量過(guò)程線，通過(guò)按住鼠標(biāo)拖拽進(jìn)行洪水場(chǎng)次的選擇。功能界面如圖4 所示。

2）基流及退水分割。 系統(tǒng)可根據(jù)基流值及退水曲線自動(dòng)計(jì)算前次和本次洪水未退完徑流量。設(shè)定基流值和退水曲線數(shù)值后，系統(tǒng)可自動(dòng)判別起漲和結(jié)束流量與退水曲線中最相近的值，然后根據(jù)退水曲線求得前次和本次洪水未退完水量。

圖4 洪水場(chǎng)次選擇及計(jì)算界面

3）產(chǎn)流三要素計(jì)算。a. 降雨量P計(jì)算。流域雨量站確定后，可通過(guò)算術(shù)平均法及泰森多邊形法自動(dòng)計(jì)算求得面雨量。b. 前期影響雨量Pa計(jì)算。設(shè)置最大初損及初始Pa后，以本次降雨前 30 d 作為計(jì)算值的預(yù)熱期，系統(tǒng)自動(dòng)逐日往后計(jì)算至本次降雨開(kāi)始這一天的Pa值，就是本次降雨的Pa值。c. 徑流深計(jì)算?？鄢髦涤?jì)算得到的徑流深減去前次和本次洪水的未退完水量，即為本次洪水的徑流深，這一計(jì)算過(guò)程系統(tǒng)可在后臺(tái)自動(dòng)計(jì)算完成。

4）相關(guān)圖定線。利用選擇的場(chǎng)次洪水計(jì)算得到的P，Pa，R值基于最小二乘法、改進(jìn)的遺傳算法、人工蜂群、混合蛙跳等算法進(jìn)行相關(guān)圖定線。其中最小二乘法包括曲面擬合及利用蓄滿產(chǎn)流方法擬合。曲面擬合可提供多種元次擬合，支持對(duì)圖形的拖動(dòng)調(diào)整。支持 3 種類型圖形，即三象限、四象限及（P+Pa）。功能界面如圖5 所示。

圖5 API 交互式率定界面

5）相關(guān)圖調(diào)整。通過(guò)圖形交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)圖的調(diào)整。在用鼠標(biāo)拉拽移動(dòng)線條時(shí)，設(shè)計(jì)了成組和單線移動(dòng)的工作方式，這些充分利用了老預(yù)報(bào)員在人工定線實(shí)踐中積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，使計(jì)算機(jī)定線的合理程度達(dá)到與人工作業(yè)相同的水平。而且，由于利用了計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算性能，在定線過(guò)程中，不斷地向預(yù)報(bào)員反饋每一種定線情況下，相關(guān)圖的誤差精度變化的情況，有利于預(yù)報(bào)員判斷參數(shù)的合理性，及時(shí)調(diào)整有關(guān)參數(shù)。

2.3 單位線制作

1）水源劃分。支持按比例及穩(wěn)定下滲率劃分，用戶設(shè)定比例值和穩(wěn)定下滲率值后，可自動(dòng)計(jì)算得到地面和地下凈雨。

2）次洪單位線分析。單位線推求包括時(shí)段、瞬時(shí)，以及適用于無(wú)資料地區(qū)的地貌等單位線的推求。a. 時(shí)段單位線推求采用賽德?tīng)柕╗3]，可設(shè)置賽德?tīng)柕试S誤差及最大迭代次數(shù)，顯示計(jì)算得到的 1，10 mm 單位線及模擬的流量值，支持圖形查看及數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能；b. 瞬時(shí)單位線推求時(shí)可根據(jù)凈雨值和流量值自動(dòng)計(jì)算參數(shù)n，k值，通過(guò)公式計(jì)算得到瞬時(shí)單位線，設(shè)置時(shí)段長(zhǎng)可轉(zhuǎn)換成得到 1，10 mm 時(shí)段單位線；c. 地貌單位線推求時(shí)利用地貌參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算推求得到n，k值，然后計(jì)算得到瞬時(shí)單位線，設(shè)置時(shí)段長(zhǎng)可轉(zhuǎn)換成得到 1，10 mm 時(shí)段單位線。

3）單位線綜合。用戶可根據(jù)不同雨強(qiáng)、暴雨中心等條件選擇不同場(chǎng)次洪水計(jì)算得到的單位線，然后將這些單位線數(shù)值進(jìn)行平均即得到綜合的單位線。藍(lán)色為場(chǎng)次單位線，紅色為擬合單位線。

得到的單位線通過(guò)圖形和表格 2 種形式展示，系統(tǒng)采用圖形交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)單位線的調(diào)整。用鼠標(biāo)拖拽修改單位線、平衡水量，修改后的擬合結(jié)果可同時(shí)在窗口過(guò)程線中繪制出來(lái)，更為直觀、快捷。功能界面如圖6 所示。

圖6 單位線綜合界面

2.4 方案評(píng)定

1）產(chǎn)流評(píng)定。產(chǎn)流評(píng)定是通過(guò)讀圖得到每場(chǎng)次的計(jì)算與實(shí)測(cè)徑流深進(jìn)行比較，得到產(chǎn)流方案的合格率，從而對(duì)方案進(jìn)行評(píng)定。降雨徑流關(guān)系成果表字段包括年份、降雨起訖時(shí)間、降雨量、前期影響雨量、實(shí)測(cè)徑流深、計(jì)算徑流深、誤差、許可誤差、評(píng)定。

2）匯流評(píng)定。匯流評(píng)定是將計(jì)算得到的洪峰流量值和時(shí)間與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，誤差在許可誤差范圍內(nèi)即為合格，推算洪峰流量和時(shí)間合格率。匯流評(píng)定成果表字段包含年份，降雨起訖時(shí)間，實(shí)測(cè)洪峰值，預(yù)見(jiàn)期，預(yù)報(bào)洪峰時(shí)間，預(yù)報(bào)洪峰值，洪峰流量誤差、許可誤差、評(píng)定，洪峰時(shí)間誤差、許可誤差、評(píng)定。

3 結(jié)語(yǔ)

1）系統(tǒng)采用 B/S 模式，用戶界面將全部是瀏覽器中呈現(xiàn)的 Web 頁(yè)面，用戶根據(jù) Web 頁(yè)面信息從瀏覽器向服務(wù)器端提交服務(wù)請(qǐng)求，服務(wù)器端負(fù)責(zé)對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)返回瀏覽器端，省市之間、各地市之間可同時(shí)訪問(wèn)系統(tǒng)進(jìn)行方案的查看會(huì)商，避免了信息孤島。

2）通過(guò)系統(tǒng)可直接進(jìn)行 API 模型相關(guān)數(shù)據(jù)的自動(dòng)計(jì)算、參數(shù)的自動(dòng)推求及圖形的人機(jī)交互擬合，極大地提高了計(jì)算效率和精度。

3）交互式參數(shù)率定保留了預(yù)報(bào)員研制模型的傳統(tǒng)技術(shù)的精華，始終以預(yù)報(bào)員的判斷指揮數(shù)學(xué)模型的使用和結(jié)果取舍，是一種帶有專家經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的系統(tǒng)，這是保證率定成果能夠滿足預(yù)報(bào)員要求的關(guān)鍵。

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