洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)——金水

1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔4.7洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)綜合考慮招標(biāo)書中的需求，我們推薦使用“中國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)”作為本項(xiàng) 目中的洪水預(yù)報(bào)軟件?！爸袊樗A(yù)報(bào)系統(tǒng)”是在財(cái)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(yù)報(bào)軟件。系統(tǒng)結(jié)合我國的實(shí)際情況，基于統(tǒng)一的實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)庫、預(yù)報(bào)專用數(shù)據(jù)庫和客戶/服務(wù)器環(huán)境，采用規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、先進(jìn)的軟硬件環(huán)境及模塊化、開放性結(jié)構(gòu)，建立常用預(yù)報(bào) 模型和方法庫，能方便地加入新的預(yù)報(bào)模型，快速地構(gòu)造多種類的預(yù)報(bào)方案，具 有人工試錯(cuò)和自動(dòng)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(yù)任何過 程的實(shí)時(shí)交互預(yù)報(bào)系統(tǒng)，提供通用的數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊和常用的實(shí)用模塊， 以及完

2、整的預(yù)報(bào)系統(tǒng)管理功能。系統(tǒng)具有通用性強(qiáng)、功能全面、操作簡便等特點(diǎn)，完全 可以滿足招標(biāo)書中關(guān)于洪水預(yù)報(bào)軟件的要求。4.7.1洪水預(yù)報(bào)關(guān)鍵技術(shù)要建設(shè)方便實(shí)用，預(yù)報(bào)精度滿足要求的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，我們認(rèn)為需要解決 以下關(guān)鍵技術(shù)：1）預(yù)報(bào)模型庫的建立預(yù)報(bào)模型是預(yù)報(bào)系統(tǒng)的核心，預(yù)報(bào)系統(tǒng)各模塊均是圍繞預(yù)報(bào)模型而開發(fā)， 通用的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)必具有通用的預(yù)報(bào)模型庫，目前在實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)方面，比較實(shí)用的是確定性概念模型，按照模擬的對(duì)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(yàn)?zāi)Ｐ偷取ｎA(yù)報(bào)模型庫要解決以下問題：一是通用的預(yù)報(bào)模型庫標(biāo)準(zhǔn)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，

3、不同種類模型需要 不同種類數(shù)據(jù)，能否設(shè)計(jì)提出一通用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口是建立預(yù)報(bào)模型庫的關(guān)鍵； 二是預(yù)報(bào)模型庫的管理，主要是預(yù)報(bào)模型的調(diào)用、運(yùn)行，以及修改和刪除等功能； 三是用戶可任意在預(yù)報(bào)模型庫中增加所開發(fā)的模型，即預(yù)報(bào)模型庫具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。2）預(yù)報(bào)方案的構(gòu)建預(yù)報(bào)方案是對(duì)預(yù)報(bào)目標(biāo)的具體實(shí)現(xiàn)，是預(yù)報(bào)模型在模擬區(qū)域的具體應(yīng)用。預(yù)報(bào)方案應(yīng)包含預(yù)報(bào)對(duì)象、預(yù)報(bào)要素、根據(jù)站點(diǎn)、選用模型、模型參數(shù)、方案評(píng) 定等。由于預(yù)報(bào)對(duì)象所處的河段、流域和洪水千差萬別，根據(jù)站點(diǎn)類別、信息種 類不同，造成預(yù)報(bào)方案因預(yù)報(bào)對(duì)象不同而不同， 因此提出一通用的構(gòu)建技術(shù)構(gòu)建 不同的預(yù)報(bào)方案是問題的關(guān)鍵。3）通用的模型參數(shù)率定參數(shù)率定好

4、壞直接影響到預(yù)報(bào)方案的精度。模型參數(shù)率定工作要求的專業(yè) 性很強(qiáng)，需要具有深厚的相關(guān)理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，。解決的關(guān)鍵在于開發(fā)出人 工試錯(cuò)和自動(dòng)優(yōu)選相耦合，多模型、多參數(shù)自動(dòng)優(yōu)選，友好的率定平臺(tái)，使系統(tǒng) 能簡便、快捷、高效地完成模型參數(shù)率定工作。4）實(shí)時(shí)交互式預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)員的豐富經(jīng)驗(yàn)及綜合分析是提高預(yù)報(bào)精度的保證。實(shí)時(shí)交互式預(yù)報(bào)就是把過去只能由預(yù)報(bào)員人工進(jìn)行的洪水預(yù)報(bào)結(jié)果的綜合分析功能納入到洪水預(yù) 報(bào)系統(tǒng)，依據(jù)有經(jīng)驗(yàn)的預(yù)報(bào)員的分析、確定預(yù)報(bào)的思路來建立對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行交 互分析的基本模式。其關(guān)鍵問題在于能否把預(yù)報(bào)員的各種綜合分析手段以計(jì)算機(jī) 人機(jī)交互界面的方式表現(xiàn)，使預(yù)報(bào)員方便地進(jìn)行交互分析?！爸袊樗?/p>

5、預(yù)報(bào)系統(tǒng)”在涉及時(shí)對(duì)以上關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并分別實(shí)現(xiàn)了有針對(duì)性的解決方案。4.7.2洪水預(yù)報(bào)流程洪水預(yù)報(bào)流程大體分為兩大步驟：1）制作預(yù)報(bào)方案根據(jù)預(yù)報(bào)任務(wù)，及時(shí)收集降雨、蒸發(fā)、水位、流量等有關(guān)資料，根據(jù)洪水的 形成規(guī)律和特點(diǎn)，建立由當(dāng)前采集的水文信息推算未來洪水大小和出現(xiàn)時(shí)間的一 整套計(jì)算方法，即洪水預(yù)報(bào)方案，例如降雨徑流預(yù)報(bào)方法中的產(chǎn)流預(yù)報(bào)方案和匯 流預(yù)報(bào)方案。為了保證預(yù)報(bào)精度和可靠性，必須對(duì)制作的預(yù)報(bào)方案按允許誤差標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定和檢驗(yàn)。2) 進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào)對(duì)正在發(fā)生洪水的地區(qū)進(jìn)行水文氣象觀測， 并通過報(bào)汛設(shè)備傳送到預(yù)報(bào)中心， 運(yùn)行制作好的預(yù)報(bào)方案分析計(jì)算即將發(fā)生的洪水大小、出現(xiàn)時(shí)間等，并

6、及時(shí)提供給防汛指揮部門、社會(huì)公眾，為抗洪減災(zāi)決策提供科學(xué)依據(jù)。為了提高預(yù)報(bào)制作 的時(shí)效性和預(yù)報(bào)成果的精度，常常把遙感、遙測、信息傳輸和計(jì)算機(jī)運(yùn)算聯(lián)成一 個(gè)系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)直接按存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)方案程序自動(dòng)算出預(yù)報(bào)結(jié) 果。總體預(yù)報(bào)流程如下圖所示:.才g作任事方餐Z -肪屯宦料勺析也理 9焊It懂業(yè)<21 ”時(shí)尊I宜利賅卑 2 3.昨理荷息峯嫌 4汁尊相網(wǎng)端/? .Tlti(19恫勒*臨彌皓貞逢思 M戲吐IT邊樣罩件咼h i祀期*璉卓±Q國唏AT I堆*酸堆Jit(2 j Al；試忻衲氐進(jìn)I2)*S. tt囉 U)2他熾世審壯抽占盹12 I ITft ftfi .BW亙桿作

7、丘Ffl H -.1. 力時(shí)慨料"新業(yè)理-、<1) ft*, frta. TiHttit 、2.AJt詼*t1廚貞ALS-空町此聲鼻I C 1住來啲ita斤相虐景Ci理/農(nóng)轉(zhuǎn)It毗*貢布，/由1L冉朗一圖4.7.1洪水預(yù)報(bào)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(dòng)預(yù)報(bào)、 站點(diǎn)管理、圖層管理、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)庫設(shè)置等功能。1) 用戶管理用戶分為系統(tǒng)管理員用戶和預(yù)報(bào)員兩種角色類型，用戶必須登陸且通過系統(tǒng)認(rèn)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)

8、管理員才有權(quán)限進(jìn)行操作。系統(tǒng) 示例界面如下圖所示：1虛H甘歩站點(diǎn)«fli Ll*US1 i> * ti *>1 HL* li卻譯弐血.a中也沁就屬抵用FE7T®T» 41£iU£«l 目融開拆2）模型管理甌立 WlfeSJSS 割E斧淫扭JESt削t鶉尸 H*用戶圖07.2用戶管理界面示例圖模型管理用于對(duì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)中使用中的模型進(jìn)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(yàn)?zāi)Ｐ臀宸N。系統(tǒng)界面示例如下圖所示:用尸甘理理塑苦理自詁

9、3;肯理國屋管理數(shù)摳薦屋接甘抿EZ堿營圖07.3模型管理界面示例圖3）方案管理方案管理用于定制洪水預(yù)報(bào)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(gè)預(yù)報(bào)方案可包括方案說明、預(yù)熱期、計(jì) 算時(shí)段長、預(yù)見期、輸出類型、告警水位、告警流量、水位流量關(guān)系、是否顯示 區(qū)域輸入邊界等屬性，同時(shí)還可為方案設(shè)置不同的雨量計(jì)算方法， 設(shè)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(yù)報(bào)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(yù)報(bào)結(jié)果。系統(tǒng)示例界面如下圖所示：圖07.4方案管理示例圖-主菜單和界面圖07.5方案管理示例圖-方案屬性修改4）自動(dòng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供自

10、動(dòng)預(yù)報(bào)功能，當(dāng)將系統(tǒng)設(shè)置為自動(dòng)預(yù)報(bào)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將依據(jù)方案管理中所設(shè)定的預(yù)報(bào)方案、預(yù)報(bào)順序等設(shè)置逐時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)預(yù)報(bào)。系統(tǒng)還提供“是 否自動(dòng)校正”、“是否自動(dòng)發(fā)布”等選項(xiàng)，當(dāng)設(shè)置為自動(dòng)校正狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng) 按照預(yù)報(bào)成果和實(shí)際發(fā)生的成果進(jìn)行精度分析， 實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)成果的實(shí)時(shí)校正；設(shè)置 為自動(dòng)發(fā)布狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)保存自動(dòng)預(yù)報(bào)結(jié)果，則該預(yù)報(bào)方案在運(yùn)行完成后，系統(tǒng) 自動(dòng)發(fā)布預(yù)報(bào)結(jié)果，結(jié)果發(fā)布時(shí)，界面上將顯式區(qū)分預(yù)報(bào)過程和實(shí)測過程。系統(tǒng)界面示例如下圖所示：圖07.6自動(dòng)預(yù)報(bào)界面示例5）預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)管理預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)管理用于管理中間預(yù)報(bào)成果、最終預(yù)報(bào)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(diǎn)管理、圖層管理、水位流量

11、關(guān)系曲線管理等功能，用于對(duì)預(yù)報(bào)涉及到的邊界條件數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。下圖為水位-流量關(guān)系曲線的管理界面示例：圖07.7水位流量關(guān)系管理界面示例4.732預(yù)報(bào)方案制作預(yù)報(bào)方案制作是中國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的重要組成部分。它包括預(yù)報(bào)方案構(gòu)建、歷史資料處理、模型參數(shù)率定等功能。預(yù)報(bào)方案構(gòu)建功能可通過人機(jī)界面構(gòu)建相 關(guān)圖預(yù)報(bào)方案、水文模型預(yù)報(bào)方案，通過人機(jī)界面輸入、定制預(yù)報(bào)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(yù)報(bào)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(cuò)和自動(dòng)優(yōu)選相耦合的率定子系統(tǒng)， 對(duì)任何預(yù)報(bào)模型單值參數(shù)進(jìn)行參數(shù)率定，以完成系統(tǒng)建模工作。1）預(yù)報(bào)方案構(gòu)建構(gòu)建預(yù)報(bào)方案是實(shí)

12、施洪水預(yù)報(bào)作業(yè)的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)構(gòu)建預(yù)報(bào)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?xiàng)功能。2）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。3）模型參數(shù)率定此功能主要用于對(duì)選定的預(yù)報(bào)模型中的參數(shù)進(jìn)行率定。水文模型包括模型結(jié)構(gòu)和模型參數(shù)兩個(gè)方面。確定模型結(jié)構(gòu)稱為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)識(shí)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(shí)別， 合稱為系統(tǒng)識(shí)別。模型結(jié)構(gòu)就是模 型的計(jì)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

13、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(duì)歷史資料的模擬分析，確定預(yù)報(bào)方案各輸入所采用的概念性模型的參數(shù)，以用于實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。參數(shù)率定的目標(biāo)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(shí)別的主要環(huán)節(jié)。洪水預(yù)報(bào)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(xué)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

14、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(duì)于采用可率定模型構(gòu)建的洪水預(yù)報(bào)方案，本系統(tǒng)提供人工試錯(cuò)、自動(dòng)優(yōu) 選、以及人工試錯(cuò)和自動(dòng)優(yōu)選相耦合等三種方法對(duì)模型中單值參數(shù)進(jìn)行參數(shù)率定， 以最終建立洪水預(yù)報(bào)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(guān)系”，“缺省模 型狀態(tài)”等功能按鈕恢復(fù)模型的缺省值， 可通過設(shè)置優(yōu)化率定方法、目標(biāo)函數(shù)類 型、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)改善自動(dòng)優(yōu)選的效果。 系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)率定時(shí)可顯示率定進(jìn)度 狀態(tài)。當(dāng)模型率定或模型檢驗(yàn)結(jié)束后，在界面右下角的率定結(jié)果欄目

15、中將以過程 線形式顯示模擬過程和實(shí)測過程對(duì)比情況，用戶可通過對(duì)此結(jié)果的觀測檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?的適用程度。4.733實(shí)時(shí)作業(yè)預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)作業(yè)預(yù)報(bào)提供作業(yè)預(yù)報(bào)、預(yù)報(bào)成果優(yōu)選、預(yù)報(bào)誤差統(tǒng)計(jì)分析、預(yù)報(bào)成 果輸出等功能。1）作業(yè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供單站作業(yè)預(yù)報(bào)和區(qū)域作業(yè)預(yù)報(bào)兩種作業(yè)預(yù)報(bào)方式。單站作業(yè)預(yù)報(bào) 只對(duì)當(dāng)前所選擇的預(yù)報(bào)斷面和預(yù)報(bào)方案進(jìn)行預(yù)報(bào)。區(qū)域作業(yè)預(yù)報(bào)既可對(duì)單站進(jìn)行 作業(yè)預(yù)報(bào)，也可同時(shí)連續(xù)的從上游往下游對(duì)河系各預(yù)報(bào)斷面進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào)。系統(tǒng)提供的單站作業(yè)預(yù)報(bào)界面示例如下圖所示：r時(shí)間設(shè)置iflni14WQ囲起皓罰間14: M熾州鮎頂朮方壬迪詢毎1皈0) BSK平牙 恥KH|h樹斗3、區(qū)鶴 laoii&voiir

16、9£tp» 理顧國ijw帕!HI站199I15DBD?忤業(yè)用崔*t*»vina* «9»4H功能按扭方賓輸扎D8OLU0» B01133W :'JM?；Er JPARA_TAfiLB p -0,151r：Kf=fi丘示內(nèi)零r術(shù)惶 應(yīng)a B：'*fl> snlTtOCOU占：t；平他咖¥刪)- Wf圖07.9單站作業(yè)預(yù)報(bào)界面示例如上圖所示，整個(gè)單站作業(yè)預(yù)報(bào)控制界面可分為“方案輸入”、“時(shí)間設(shè)置”、“模型信息”、“功能按鈕”、“結(jié)果顯示”等5個(gè)區(qū)域。其中時(shí)間設(shè)置部分用于調(diào) 整預(yù)報(bào)作業(yè)的預(yù)熱期和預(yù)見期時(shí)間，模

17、型信息部分用于顯示或修改預(yù)報(bào)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(yù)報(bào)結(jié)果。使用“預(yù)見期雨量”功能可對(duì)實(shí)測降雨量值進(jìn)行修改，也可輸入未來降雨量估計(jì)值，如下圖界面所示：圖07.10進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào)時(shí)降雨量模擬示例系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)校正功能可依據(jù)預(yù)報(bào)時(shí)間前的預(yù)報(bào)過程和實(shí)測過程的誤差 系列，對(duì)預(yù)報(bào)時(shí)間后的預(yù)報(bào)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。2）預(yù)報(bào)成果優(yōu)選是在多預(yù)報(bào)員、多單位的預(yù)報(bào)成果基礎(chǔ)上，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn), 選出最優(yōu)的預(yù)報(bào)成果，以供對(duì)外發(fā)布。如下圖所示：圖07.11洪水預(yù)報(bào)結(jié)果優(yōu)先界面示例界面上以圖形方式顯示實(shí)測過程（圖中黑色線）和多個(gè)預(yù)報(bào)過程（其他顏 色的線條），同時(shí)以表格方式顯示預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，包括確定性系數(shù)、洪峰誤差、 洪量誤差、峰現(xiàn)誤差等，供預(yù)報(bào)員分析、判斷各項(xiàng)預(yù)報(bào)成果的精度，從中選擇最 適合的預(yù)報(bào)成果3）預(yù)報(bào)誤差統(tǒng)計(jì)分析，是對(duì)某單位在一段時(shí)間內(nèi)所正式發(fā)布的預(yù)報(bào)成果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)圖07.12洪水預(yù)