樊青松,肖晨旦

(1.溫嶺市水利局，浙江 臺(tái)州 317500；2.浙江中水工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

水庫是防御洪水過程中廣泛采用的一種重要的工程措施。在防洪保護(hù)對(duì)象上游興建水庫攔蓄洪水，通過水庫庫容調(diào)蓄減小下游的洪峰流量，達(dá)到減免洪水災(zāi)害損失的目的。浙江省水庫眾多，大部分為中小型水庫，這些水庫在防洪、供水和灌溉等方面發(fā)揮著重要作用，是浙江省防汛工程體系和水利基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，單位面積上財(cái)產(chǎn)凈值越來越大，緊隨著的防洪任務(wù)越來越重，同時(shí)興利要求越來越高。水庫不僅要滿足日常生活、生產(chǎn)日益增長的水資源需求，還要在改善水環(huán)境、水生態(tài)等方面發(fā)揮重要作用。因此，水庫一方面需要騰出足夠庫容容納可能發(fā)生的洪水，另一方面需要大量蓄水滿足興利需要。

為解決水庫防洪興利之間的矛盾，水利部近年來開展了對(duì)全國重點(diǎn)中小型水庫水雨情自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)工作。在此基礎(chǔ)上，對(duì)一些重要中小河流開展洪水預(yù)報(bào)。

洪水預(yù)報(bào)是根據(jù)現(xiàn)在已經(jīng)掌握的水文、氣象資料，預(yù)報(bào)流域上某一斷面(或水庫)在未來一定時(shí)期內(nèi)(即預(yù)見期)將要出現(xiàn)的流量、水位過程。隨著通信技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，根據(jù)遙測信息開展實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)也進(jìn)一步發(fā)展起來。到目前為止，實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)從洪水預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)報(bào)、與水情信息處理相結(jié)合的實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)階段，發(fā)展到引入實(shí)時(shí)校正技術(shù)的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)階段[1-2]。文章將實(shí)時(shí)校正的洪水預(yù)報(bào)技術(shù)與B/S的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)模型計(jì)算與結(jié)果數(shù)據(jù)瀏覽物理分離，從而隨時(shí)隨地服務(wù)于防洪調(diào)度決策。

2 實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)模型算法

實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)模型采用循環(huán)遞進(jìn)方式給定模型所需的邊界條件，它與洪水演進(jìn)規(guī)劃模型不同，洪水演進(jìn)規(guī)劃模型采用一次性給定邊界過程的方式。但是，兩個(gè)模型的共同之處是模型的核心算法是一致的。

2.1 新安江三水源模型

目前，新安江三水源模型在國內(nèi)洪水預(yù)報(bào)中得到了廣泛應(yīng)用，特別在我國南方濕潤和半濕潤地區(qū)。新安江模型主要用于洪水預(yù)報(bào)，也常被應(yīng)用于水資源評(píng)價(jià)規(guī)劃、洪水管理等。

新安江三水源模型采用流域蓄水曲線考慮下墊面不均勻?qū)Ξa(chǎn)流面積變化的影響，采用三層蒸散發(fā)模型計(jì)算流域蒸散發(fā)量。同時(shí)，新安江模型把總徑流劃分成飽和地面徑流、壤中流和地下水徑流。單元面積的地面匯流一般采用單位線法，壤中流和地下水徑流匯流則采用線性水庫方法。

新安江三水源模型主要由4部分組成：①水源劃分:水源分為地表徑流、壤中流、地下徑流3種形式；②產(chǎn)流計(jì)算:模型產(chǎn)流采用蓄滿產(chǎn)流模型，但流域不透水面積之比增加1個(gè)IMP參數(shù)；③蒸散發(fā)計(jì)算，蒸散發(fā)分為上層、下層和深層；④匯流計(jì)算，匯流分為坡面、河網(wǎng)匯流2個(gè)階段[3-6]。

2.2基于Volterra級(jí)數(shù)濾波器的實(shí)時(shí)校正方法

(1)

本文將采用誤差校正方法進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，令時(shí)間延遲為τ，嵌入維數(shù)為m，根據(jù)重構(gòu)出來的相空間(如式(2))對(duì)其進(jìn)行預(yù)報(bào)。

{x(t),x(t+τ),…,x(t+(m-1)τ)}，t=1,2,…,n-(m-1)τ

(2)

在眾多的非線性預(yù)測方法中，學(xué)者們大量采用基于Volterra級(jí)數(shù)展式的非線性自適應(yīng)濾波器。學(xué)者們認(rèn)為，洪水預(yù)報(bào)殘差系列具有混沌特性，可以用m階截?cái)嗲蠛偷腣olterra級(jí)數(shù)來表達(dá)。

(3)

式(3)包含了線性項(xiàng)和非線性項(xiàng)，屬于參數(shù)辨識(shí)模型。與其他模型比較，它具有更好的非線性模擬性能?？紤]到其本身的求解，一般采用二階Volterra自適應(yīng)濾波器進(jìn)行擬合。為快速求解，本文利用自組織法對(duì)二階Volterra自適應(yīng)濾波器非線性耦合項(xiàng)求解，具體步驟如下：

設(shè)自變量向量X(t)為(x(1),x(2),…,x(n))，y為因變量。任取其中二個(gè)自變量xi，xj構(gòu)成二元多次多項(xiàng)式函數(shù)

(4)

系數(shù)由重構(gòu)好的輸入、輸出數(shù)據(jù)集確定。

在第一層，首先根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)得到各個(gè)中間變量，然后按一定規(guī)則剔除效果較差的，然后，輸入為留下較好的中間變量，輸出仍然為y，以同樣的方法得出第二層的表達(dá)式

(5)

如此繼續(xù)，一層一層地循環(huán)篩選，直到找到近似程度滿意的一層部分表達(dá)式為止。由于兩個(gè)變量的二次多項(xiàng)式以多重迭加的形式，將它們依次代入，就可求得式(3)的形式(如有s層，y就是原來輸入變量的2s次多項(xiàng)式)。

3 B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1所示的B/S模式的優(yōu)點(diǎn)在于不僅可及時(shí)提供信息資源,而且系統(tǒng)升級(jí)時(shí)只需要修改服務(wù)器端軟件,不必更新所有的客戶端軟件。并且隨著移動(dòng)終端的發(fā)展，非常普及的智能手機(jī)大部分都可以實(shí)現(xiàn)瀏覽器的Web服務(wù)器訪問，實(shí)現(xiàn)了信息查看的便捷性(除局域網(wǎng))[7-8]。

洪水預(yù)報(bào)模塊以“.exe”或者“.dll”的形式存放于Web服務(wù)器中，服務(wù)器每隔1 h定時(shí)啟動(dòng)程序進(jìn)行預(yù)報(bào)計(jì)算，同時(shí)模型參數(shù)做實(shí)時(shí)調(diào)整。模塊運(yùn)行所需要的實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。用戶通過Web瀏覽器對(duì)洪水預(yù)報(bào)模塊的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行查詢。

圖1 B/S系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 應(yīng)用實(shí)例

牛角灣預(yù)報(bào)斷面位于龍游靈山港主要支流廟下溪上，牛角灣預(yù)報(bào)斷面以上流域面積71.45 km2，主流長17.6 km，河道平均比降0.02。選擇“20150530”“20150609”“20150618”“20150701”“20150705”“20150809”和“20150815”共7場洪水，根據(jù)實(shí)際降雨過程，對(duì)新安江模型參數(shù)進(jìn)行率定，得到新安江模型各參數(shù)取值如下：

①土壤初始含水量：上層18 mm，下層80 mm，深層20 mm;

②土壤最大含水量：上層20 mm，下層80 mm，深層20 mm;

③流域蒸散發(fā)能力轉(zhuǎn)換系數(shù)：0.65;

④流域深層蒸散發(fā)系數(shù)：0.18;

⑤張力水蓄水容量曲線指數(shù)：0.3;

⑥不透水面積比：0.01;

⑦土壤自由水蓄水容量：20 mm;

⑧土壤自由水蓄水容量曲線指數(shù)：1.0;

⑨地下水日出流系數(shù)：0.3;

⑩壤中流日出流系數(shù)：0.4;

根據(jù)實(shí)際降雨過程，對(duì)新安江模型參數(shù)進(jìn)行率定，并求得該預(yù)報(bào)斷面處的洪水過程，最高水位統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見表1)。從模型率定結(jié)果來看，各場洪水實(shí)測峰現(xiàn)時(shí)間與計(jì)算峰現(xiàn)時(shí)間基本相符，且計(jì)算的洪水過程與實(shí)測洪水過程變化趨勢也基本相符。

表1 歷史洪水最高水位值表 m

該模塊自2015年12月上線運(yùn)行以來，經(jīng)歷了“20160515”“20160603”“20160616”這3場洪水，從預(yù)報(bào)值和實(shí)測值比較來看，無論峰現(xiàn)時(shí)間和峰值預(yù)報(bào)精度均較高(見圖2—4)。

圖2 “20160515”洪水預(yù)報(bào)值和實(shí)測值對(duì)比

圖3 “20160603”洪水預(yù)報(bào)值和實(shí)測值對(duì)比

圖4 “20160616”洪水預(yù)報(bào)值和實(shí)測值對(duì)比

5 結(jié) 論

(1)B/S架構(gòu)的產(chǎn)品有非常方便的特性，網(wǎng)絡(luò)管理人員只需在服務(wù)器端管理B/S架構(gòu)管理軟件，同時(shí)用戶完全通過Web瀏覽器實(shí)現(xiàn)訪問。

(2)水庫標(biāo)準(zhǔn)化管理信息系統(tǒng)都是基于B/S架構(gòu)，本文的基于B/S架構(gòu)的實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)模型可以有效地與該系統(tǒng)兼容。

(3)本文的實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)模型運(yùn)行于服務(wù)器端，根據(jù)用戶需求可以定時(shí)進(jìn)行預(yù)報(bào)，算法本身完成參數(shù)調(diào)整，用戶僅需從IE端查詢預(yù)報(bào)結(jié)果。

(4)本文洪水預(yù)報(bào)模型以新安江模型為基礎(chǔ)，引入基于Volterra級(jí)數(shù)濾波器的實(shí)時(shí)校正方法，模型的預(yù)報(bào)結(jié)果達(dá)到了較高的精度。