洪水预报系统金水

4.7洪水预报系统综合考虑招标书中的需求，我们推荐使用“中国洪水预报系统”作为本项目中的洪水预报软件。“中国洪水预报系统”是在财政部和国家防办的支持下，由水利部水利信息中心联合国内其他单位研制开发的洪水预报软件。系统结合我国的实际情况，基于统一的实时水情数据库、预报专用数据库和客户/服务器环境，采用规范、标准、先进的软硬件环境及模块化、开放性结构，建立常用预报模型和方法库，能方便地加入新的预报模型，快速地构造多种类的预报方案，具有人工试错和自动优选相耦合的模型率定系统，可用图形和表格方式干预任何过程的实时交互预报系统，提供通用的数据预处理模块和常用的实用模块，以及完整的预报系统管理功能。系统具有通用性强、功能全面、操作简便等特点，完全可以满足招标书中关于洪水预报软件的要求。4.7.1洪水预报关键技术要建设方便实用，预报精度满足要求的洪水预报系统，我们认为需要解决以下关键技术：1)预报模型库的建立预报模型是预报系统的核心，预报系统各模块均是围绕预报模型而开发，通用的洪水预报系统必具有通用的预报模型库，目前在实时洪水预报方面，比较实用的是确定性概念模型，按照模拟的对象不同可分为河道汇流模型、流域产流模型、流域汇流模型、经验模型等。预报模型库要解决以下问题：一是通用的预报模型库标准数据接口。模型所需数据包括输入数据、输出数据、模型参数、模型状态等，不同种类模型需要不同种类数据，能否设计提出一通用的标准数据接口是建立预报模型库的关键；二是预报模型库的管理，主要是预报模型的调用、运行，以及修改和删除等功能；三是用户可任意在预报模型库中增加所开发的模型，即预报模型库具有很强的扩展性。2)预报方案的构建预报方案是对预报目标的具体实现，是预报模型在模拟区域的具体应用。预报方案应包含预报对象、预报要素、根据站点、选用模型、模型参数、方案评定等。由于预报对象所处的河段、流域和洪水千差万别，根据站点类别、信息种类不同，造成预报方案因预报对象不同而不同，因此提出一通用的构建技术构建不同的预报方案是问题的关键。3)通用的模型参数率定参数率定好坏直接影响到预报方案的精度。模型参数率定工作要求的专业性很强，需要具有深厚的相关理论知识和实践经验，。解决的关键在于开发出人工试错和自动优选相耦合，多模型、多参数自动优选，友好的率定平台，使系统能简便、快捷、高效地完成模型参数率定工作。4)实时交互式预报预报员的丰富经验及综合分析是提高预报精度的保证。实时交互式预报就是把过去只能由预报员人工进行的洪水预报结果的综合分析功能纳入到洪水预报系统，依据有经验的预报员的分析、确定预报的思路来建立对预报结果进行交互分析的基本模式。其关键问题在于能否把预报员的各种综合分析手段以计算机人机交互界面的方式表现，使预报员方便地进行交互分析。“中国洪水预报系统”在涉及时对以上关键技术进行了深入研究，并分别实现了有针对性的解决方案。4.7.2洪水预报流程洪水预报流程大体分为两大步骤：1)制作预报方案根据预报任务，及时收集降雨、蒸发、水位、流量等有关资料，根据洪水的形成规律和特点，建立由当前采集的水文信息推算未来洪水大小和出现时间的一整套计算方法，即洪水预报方案，例如降雨径流预报方法中的产流预报方案和汇流预报方案。为了保证预报精度和可靠性，必须对制作的预报方案按允许误差标准进行评定和检验。2)进行作业预报对正在发生洪水的地区进行水文气象观测，并通过报汛设备传送到预报中心，运行制作好的预报方案分析计算即将发生的洪水大小、出现时间等，并及时提供给防汛指挥部门、社会公众，为抗洪减灾决策提供科学依据。为了提高预报制作的时效性和预报成果的精度，常常把遥感、遥测、信息传输和计算机运算联成一个系统，由计算机根据实测数据直接按存储的实时预报方案程序自动算出预报结果。总体预报流程如下图所示：图4.7.1洪水预报流程图4.7.3系统功能描述4.7.3.1系统管理系统管理提供用户管理、模型管理、方案管理、水位流量曲线、自动预报、站点管理、图层管理、预报数据管理、数据库设置等功能。1)用户管理用户分为系统管理员用户和预报员两种角色类型，用户必须登陆且通过系统认证才能使用本系统。用户管理提供修改密码、修改用户名、增加用户、删除用户等功能，其中增加用户、删除用户只有系统管理员才有权限进行操作。系统示例界面如下图所示：图07.2用户管理界面示例图2)模型管理模型管理用于对预报系统中使用中的模型进行管理，提供增加模型、删除模型、保存模型等功能。系统支持的模型类型包括流域产汇流模型、流域产流模型、流域汇流模型、河道汇流模型、经验模型五种。系统界面示例如下图所示：图07.3模型管理界面示例图3)方案管理方案管理用于定制洪水预报方案，提供的功能包括：方案修改、方案分配、方案输出、方案输入、方案压缩等。每个预报方案可包括方案说明、预热期、计算时段长、预见期、输出类型、告警水位、告警流量、水位流量关系、是否显示区域输入边界等属性，同时还可为方案设置不同的雨量计算方法，设定使用的模型及参数等。方案构建完成后系统提供方案输出功能，预报员可通过选用不同的方案或通过调整方案的参数来获得多种预报结果。系统示例界面如下图所示：图07.4方案管理示例图-主菜单和界面图07.5方案管理示例图-方案属性修改4)自动预报系统提供自动预报功能，当将系统设置为自动预报状态时，系统将依据方案管理中所设定的预报方案、预报顺序等设置逐时自动启动预报。系统还提供“是否自动校正”、“是否自动发布”等选项，当设置为自动校正状态时，系统将自动按照预报成果和实际发生的成果进行精度分析，实现预报成果的实时校正；设置为自动发布状态时，系统保存自动预报结果，则该预报方案在运行完成后，系统自动发布预报结果，结果发布时，界面上将显式区分预报过程和实测过程。系统界面示例如下图所示：图07.6自动预报界面示例5)预报数据管理预报数据管理用于管理中间预报成果、最终预报成果和模型状态三类数据。6)其他系统管理功能系统提供站点管理、图层管理、水位流量关系曲线管理等功能，用于对预报涉及到的边界条件数据进行管理。下图为水位-流量关系曲线的管理界面示例：图07.7水位流量关系管理界面示例4.7.3.2预报方案制作预报方案制作是中国洪水预报系统的重要组成部分。它包括预报方案构建、历史资料处理、模型参数率定等功能。预报方案构建功能可通过人机界面构建相关图预报方案、水文模型预报方案，通过人机界面输入、定制预报方案的各要素值。历史资料处理功能用于输入、转录、检查、修改用于制作洪水预报方案的历史水文资料。模型参数率定功能可通过人工试错和自动优选相耦合的率定子系统，对任何预报模型单值参数进行参数率定，以完成系统建模工作。1)预报方案构建构建预报方案是实施洪水预报作业的基础，本系统构建预报方案包括定义方案、圈划流域、确定方案模型、雨量站控制权重、使用向导等五项功能。2)历史资料处理此功能主要用于录入、转存、检查、修改用于模型参数率定的历史水文资料，包括洪水摘录资料、洪水日资料、降雨摘录资料和降雨日资料等。3)模型参数率定此功能主要用于对选定的预报模型中的参数进行率定。水文模型包括模型结构和模型参数两个方面。确定模型结构称为系统的结构识别，在确定的系统结构下，率定模型的参数称为系统的参数识别，合称为系统识别。模型结构就是模型的计算步骤与方法，，模型参数是代表具体流域的水文特性，是模型结构程序中待定的常数。有了结构和参数之后，流域的水文规律和水文特性就完整地描述出来了。模型参数率定是通过对历史资料的模拟分析，确定预报方案各输入所采用的概念性模型的参数，以用于实时预报。参数率定的目标是寻求模拟客观系统的最满意的模型和最佳参数，参数率定是模型识别的主要环节。洪水预报模型的参数大体上可分为以下两类：（1）过程参数。模拟水文过程的数学方程式中的待定常数，已见的如土壤蓄水容量、蒸散发能力、稳渗率、壤中流及地下水的蓄泄系数、河槽汇流系数等。这些参数有明确的物理意义，大多可由水文、气象、地理、地质等资料分析初定，有的必须优选确定。（2）地理参数。表示地理特征或量度的一些参数。如面积、高程、地形类别、植被覆盖、土地利用、地面坡度、河槽坡度及长度，不透水面积等。这些参数大多可以根据自然地理资料或地形图测定。对于采用可率定模型构建的洪水预报方案，本系统提供人工试错、自动优选、以及人工试错和自动优选相耦合等三种方法对模型中单值参数进行参数率定，以最终建立洪水预报方案。系统提供的模型参数率定界面示例如下图所示：图07.8模型参数率定界面示例如上图的界面中，可以通过“缺省参数范围”，“缺省参数关系”，“缺省模型状态”等功能按钮恢复模型的缺省值，可通过设置优化率定方法、目标函数类型、循环次数等参数改善自动优选的效果。系统进行参数率定时可显示率定进度状态。当模型率定或模型检验结束后，在界面右下角的率定结果栏目中将以过程线形式显示模拟过程和实测过程对比情况，用户可通过对此结果的观测检验模型的适用程度。4.7.3.3实时作业预报实时作业预报提供作业预报、预报成果优选、预报误差统计分析、预报成果输出等功能。1)作业预报系统提供单站作业预报和区域作业预报两种作业预报方式。单站作业预报只对当前所选择的预报断面和预报方案进行预报。区域作业预报既可对单站进行作业预报，也可同时连续的从上游往下游对河系各预报断面进行作业预报。系统提供的单站作业预报界面示例如下图所示：图07.9单站作业预报界面示例如上图所示，整个单站作业预报控制界面可分为“方案输入”、“时间设置”、“模型信息”、“功能按钮”、“结果显示”等5个区域。其中时间设置部分用于调整预报作业的预热期和预见期时间，模型信息部分用于显示或修改预报作业中使用的模型及模型参数，结果显示部分用雨洪过程线的方式显示预报结果。使用“预见期雨量”功能可对实测降雨量值进行修改，也可输入未来降雨量估计值，如下图界面所示：图07.10进行作业预报时降雨量模拟示例系统提供的实时校正功能可依据预报时间前的预报过程和实测过程的误差系列，对预报时间后的预报过程进行实时校正。2)预报成果优选是在多预报员、多单位的预报成果基础上，结合专家经验，选出最优的预报成果，以供对外发布。如下图所示：图07.11洪水预报结果优先界面示例界面上以图形方式显示实测过程（图中黑色线）和多个预报过程（其他颜色的线条），同时以表格方式显示预报统计指标，包括确定性系数、洪峰误差、洪量误差、峰现误差等，供预报员分析、判断各项预报成果的精度，从中选择最适合的预报成果。3)预报误差统计分析，是对某单位在一段时间内所正式发布的预报成果进行精度评价。图07.12洪水预报结果误差统计分析示例4)预报成果输出。预报成果输出是以报表方式显示预报成果，并可打印输出。4.7.3.4信息查询功能为预报人员提供丰富的实时雨水情和预报结果的查询功能，包括水文过程线，实时历史对比，水位示意图等，查询结果结合图形和表格方式，融合历史、实时和预报信息，为防汛抗旱决策提供全面的数据参考。系统示例如下图所示：图07.13系统提供的信息查询功能示例1图07.14系统提供的信息查询功能示例2