美国可视化河流预报系统在黄河流域的应用

狄艳艳,李林霞,许珂艳,陶 新

(1.黄河水利委员会水文局,河南郑州450004;2.黄河万家寨水利枢纽有限公司北京沙源水利水电工程资询有限公司,河南郑州450004)

1 概 述

VisualRFS是美国Tashan公司研制开发的基于微机视窗操作系统下的水文预报软件产品,该系统提供了较好的本地化用户界面,以帮助预报员在运行过程中对预报结果进行决策。系统图形用户界面部分是采用国际化的界面来设计的,并运行于微机窗口平台。与其它常规预报系统相比,该系统通过可视化窗口使得用户能很方便地与系统互动,可以建立自己的预报方案,处理不同类型的原始数据,方便地执行实时洪水预报,对模型状态或参数、时间序列数据进行修正,可加入中长期径流预报模块。预报结果可视化,系统将预报结果分别以图形和表格的形式输出,系统操作很容易掌握。

VisualRFS中所有模型都是美国国家天气局河流预报系统(NWSRFS)中的模型。经过美国国家天气局20多年的实际检验,这些模型及其软件非常可靠,这些模型和软件已全天候地运行在美国天气局河流预报中心。

2 VisualRFS的结构和功能

VisualRFS软件产品的总体框架如图1所示。

图中最底层的水文预报引擎用于处理河流预报逻辑。该系统的数据库、模型及其管理系统构成了VisualRFS系统的骨骼。

VisualRFS由系统设计、信息检索、模型率定及洪水预报4个功能模块组成,主界面如图2所示。

2.1 信息模块

信息模块是一个基于Windows界面的应用,它允许普通用户从底层预报系统中检索信息。所检索的信息可以是静态数据或动态的实时观测数据,也可以是预报组的拓扑关系图、预报结果图表等等。

图1 VisualRFS系统结构

2.2 设计模块

设计模块使预报系统高级授权用户用来管理底层预报系统,它的主要功能是:定义站点、流域界限和其他地理信息,计算站点权重,确定模型和模型参数、初始状态,改变流域或站点物理特征等等。

利用设计模块建立VisualRFS使用的文件体系,为用户提供如时区、用户名字、密码等信息,确定数据类型、本地设置、地理范围、站点、流域和地区、水位流量关系曲线等,在此基础上确定每一个站点所用的预报模型,设计预报组中各节点的拓朴关系,构建预报组。

2.3 率定模块

率定模块提供一种用来降低试错率定程序难度的工具,包括手工率定和自动优化两种方法。

(1)手工率定:水文曲线以图的形式显示在屏幕上,使率定员能够更容易的看到模拟水文曲线和观测水文曲线之间的差异,从而更快的重设参数值,重新运行模拟程序,以求得到最满意的结果。

(2)参数自动优化:参数自动优化程序能够使用户进一步微调以前通过手动率定程序得到的参数估计值。目前系统中的优化算法有模式搜索(PATSERCH)算法、适应性随机搜索(ARS)算法、在异方差误差(HMLE)情况下最大似然估计、复合形进化(SCE)算法。

2.4 预报模块

预报模块为用户提供了实时作业预报的平台,选定预报组、预报时间,与实时数据库相连,即可进行预报组的实时作业预报,最终的结果以图表的形式显示。

预报模块能够使用程序来进行交互式河流预报,模块中的交互式预报的展示工具可根据它们各自所包含的信息而分为三组:一种展现模型的安装和模型的模拟运行进程,另一种允许其它的运行时刻修正转换为具体模型输入数据,第三种类型显示输入和输出时间序列并允许预报员对它们进行修正。这样可以在处理下游子流域之前对上游子流域的预报进行校准,以减少预报误差的传递。

3 算 例

3.1 流域概况

黄河小浪底～花园口区间(简称“小花间”)位于东经 109°54′～ 113°39′,北纬 33°40′～ 36°56′,流域面积35 883 km2,干流河道河长124 km,是黄河中游最后一段峡谷到黄河下游的过渡段。该区南北两面为山,北面有中条山、太岳山、太行山,南面有秦岭、伏牛山,其走向自西向东逐渐散开。大小支流沿南北两翼向黄河干流汇集,呈蝴蝶形流域,其间有伊洛河、沁河两大支流于花园口以上集中汇入黄河[1]。

本区暴雨主要是由南北向切变线加低涡或台风间接影响所致,暴雨历时短、强度大,干支流洪水遭遇的机会较多,洪峰多为陡涨陡落,峰高历时短,含沙量较小[2],一次洪水的持续时间一般多为5 d左右,连续洪水历时可达12 d之久。又由于该区产汇流条件好,汇流时间短,预见期仅8～10 h左右。该区洪水的特点是涨势猛、洪峰高、预见期短,对黄河下游的威胁最为严重[3]。

3.2 模型及代表站选取

VisualRFS中含有大量的降雨径流模型,根据黄河小花间的水文气象特性,产流模型选用萨克拉门托模型,流域汇流选用单位线,河道汇流选用滞后演算法和分层系数演算法。

选取小花间的东湾、飞岭、黑石关和花园口4个站作为代表,东湾站控制流域为南部支流伊河的河源区,受人类活动影响较小,气象水文资料相对完整;飞岭站控制流域为北部沁河的河源区,气象水文相对资料不足;黑石关为南部支流伊洛河的下游控制站,受伊洛河夹滩地区的影响;花园口站是整个小花间流域的流域出口[4]。

3.3 资料情况

研究所用的地形、土壤和植被等资料从Internet上免费获取,水文气象资料选取了1982年、1996年～2005年的气象水文资料(1982年汛期洪水较大),利用距离平方反比的方法插补降雨数据,供模型使用。

3.4 模拟结果

4个代表站率定的部分洪水过程的精度统计见表1,验证的部分洪水过程精度统计见表2。预报精度评定标准根据《水文情报预报规范》(GB/T22482-2008),采用洪峰相对误差FE和确定性系数DC作业评定标准[5]。

表1 率定的洪水精度统计

表1中的率定结果表明,4个代表站的确定性系数DC处于0.83～0.99之间,效果较好;洪峰误差FE最大为黑石关站1996080208号次洪,为12.88%,初步认为可能的原因是伊洛河夹滩地区的影响,最小洪峰误差为飞岭站1982073008号次洪,为-0.01%;洪量误差均控制在±20%之内,最小为0.02%,最大为8.05%。从表2中所列的部分率定洪水精度统计可以看出,峰现时间最小误差为0,最大为-6h。从这些结果可以看出,洪水过程模拟结果较好。

表2 验证的洪水精度统计

表2中的验证结果表明,4个代表站的确定性系数DC处于0.80～0.96之间,洪峰误差FE均控制在 ±20%之内,最小仅 -0.53%,最大为-15.62%;洪量误差 FE最小为1.53%,最大为18.74%。按照水利部颁发的“水文情报预报规范”方案精度达到乙等,可以用于实时作业预报。与率定的结果相比,验证的洪水对峰现时间的模拟效果相对有所降低,这是因为洪峰附近时段的流量值相差不大,系统自动统计的峰现时间误差相对较大。在实际预报中,预报员会根据当时的水情变化对软件系统提供的峰现时间做出合理判别。

4 结 论

(1)VisualRFS是一个集多种水文学和水力学模型、实时校正技术、信息处理技术、可视化软件技术于一体的应用系统。采用的理论方法先进,技术成熟可靠,较好解决了数据预处理、预报模型组合、模型参数率定、实时洪水预报、系统信息管理等主要环节。

(2)VisualRFS作为实时作业预报系统,已在世界多个国家运行。其经过本地化改造后可用于黄河流域小花区间的实时洪水作业预报,从而提升洪水预报的技术手段。

(3)VisualRFS中的设计模块使系统具有良好的可扩展性,可用于黄河流域的其它区域。

[1] 吴学勤,吕光圻,等.黄河三花间水文概况.黄河水文科技成果与论文选集(二)[M].郑州:黄河水利出版社,1996.

[2] 吴险峰,刘昌明.黄河小花区间暴雨径流过程分布式模拟[J].水科学进展,2004,15(4):511-516.

[3] 陈 静,颜亦琪,狄艳艳,等.2004年汛期黄河水情简析[J].水利与建筑工程学报,2005,3(2):48-51.

[4] 许珂艳,陶 新,刘龙庆,等.2003年9月洛河洪水产汇流特性分析[J].人民黄河,2004,26(1):22-23.

[5] 中华人民共和国国家标准.GB/T 22482-2008.水文情报预报规范[S].北京:中国标准出版社,2008.