基于B/S架构的实时校正洪水预报模型研究

樊青松,肖晨旦

(1.温岭市水利局，浙江 台州 317500；2.浙江中水工程技术有限公司，浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

水库是防御洪水过程中广泛采用的一种重要的工程措施。在防洪保护对象上游兴建水库拦蓄洪水，通过水库库容调蓄减小下游的洪峰流量，达到减免洪水灾害损失的目的。浙江省水库众多，大部分为中小型水库，这些水库在防洪、供水和灌溉等方面发挥着重要作用，是浙江省防汛工程体系和水利基础设施的重要组成部分。随着经济社会快速发展，单位面积上财产净值越来越大，紧随着的防洪任务越来越重，同时兴利要求越来越高。水库不仅要满足日常生活、生产日益增长的水资源需求，还要在改善水环境、水生态等方面发挥重要作用。因此，水库一方面需要腾出足够库容容纳可能发生的洪水，另一方面需要大量蓄水满足兴利需要。

为解决水库防洪兴利之间的矛盾，水利部近年来开展了对全国重点中小型水库水雨情自动监测系统的建设工作。在此基础上，对一些重要中小河流开展洪水预报。

洪水预报是根据现在已经掌握的水文、气象资料，预报流域上某一断面(或水库)在未来一定时期内(即预见期)将要出现的流量、水位过程。随着通信技术和电子计算机技术的快速发展，根据遥测信息开展实时洪水预报也进一步发展起来。到目前为止，实时洪水预报系统从洪水预报经验模型预报、与水情信息处理相结合的实时洪水预报阶段，发展到引入实时校正技术的洪水预报系统阶段[1-2]。文章将实时校正的洪水预报技术与B/S的网络架构技术相结合，实现模型计算与结果数据浏览物理分离，从而随时随地服务于防洪调度决策。

2 实时洪水预报模型算法

实时洪水预报模型采用循环递进方式给定模型所需的边界条件，它与洪水演进规划模型不同，洪水演进规划模型采用一次性给定边界过程的方式。但是，两个模型的共同之处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国内洪水预报中得到了广泛应用，特别在我国南方湿润和半湿润地区。新安江模型主要用于洪水预报，也常被应用于水资源评价规划、洪水管理等。

新安江三水源模型采用流域蓄水曲线考虑下垫面不均匀对产流面积变化的影响，采用三层蒸散发模型计算流域蒸散发量。同时，新安江模型把总径流划分成饱和地面径流、壤中流和地下水径流。单元面积的地面汇流一般采用单位线法，壤中流和地下水径流汇流则采用线性水库方法。

新安江三水源模型主要由4部分组成：①水源划分:水源分为地表径流、壤中流、地下径流3种形式；②产流计算:模型产流采用蓄满产流模型，但流域不透水面积之比增加1个IMP参数；③蒸散发计算，蒸散发分为上层、下层和深层；④汇流计算，汇流分为坡面、河网汇流2个阶段[3-6]。

2.2基于Volterra级数滤波器的实时校正方法

(1)

本文将采用误差校正方法进行实时校正，令时间延迟为τ，嵌入维数为m，根据重构出来的相空间(如式(2))对其进行预报。

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

(2)

在众多的非线性预测方法中，学者们大量采用基于Volterra级数展式的非线性自适应滤波器。学者们认为，洪水预报残差系列具有混沌特性，可以用m阶截断求和的Volterra级数来表达。

(3)

式(3)包含了线性项和非线性项，属于参数辨识模型。与其他模型比较，它具有更好的非线性模拟性能。考虑到其本身的求解，一般采用二阶Volterra自适应滤波器进行拟合。为快速求解，本文利用自组织法对二阶Volterra自适应滤波器非线性耦合项求解，具体步骤如下：

设自变量向量X(t)为(x(1),x(2),…,x(n))，y为因变量。任取其中二个自变量xi，xj构成二元多次多项式函数

(4)

系数由重构好的输入、输出数据集确定。

在第一层，首先根据输入输出数据得到各个中间变量，然后按一定规则剔除效果较差的，然后，输入为留下较好的中间变量，输出仍然为y，以同样的方法得出第二层的表达式

(5)

如此继续，一层一层地循环筛选，直到找到近似程度满意的一层部分表达式为止。由于两个变量的二次多项式以多重迭加的形式，将它们依次代入，就可求得式(3)的形式(如有s层，y就是原来输入变量的2s次多项式)。

3 B/S架构设计

图1所示的B/S模式的优点在于不仅可及时提供信息资源,而且系统升级时只需要修改服务器端软件,不必更新所有的客户端软件。并且随着移动终端的发展，非常普及的智能手机大部分都可以实现浏览器的Web服务器访问，实现了信息查看的便捷性(除局域网)[7-8]。

洪水预报模块以“.exe”或者“.dll”的形式存放于Web服务器中，服务器每隔1 h定时启动程序进行预报计算，同时模型参数做实时调整。模块运行所需要的实时水雨情数据存放于数据库服务器中。用户通过Web浏览器对洪水预报模块的计算结果进行查询。

图1 B/S系统架构图

4 应用实例

牛角湾预报断面位于龙游灵山港主要支流庙下溪上，牛角湾预报断面以上流域面积71.45 km2，主流长17.6 km，河道平均比降0.02。选择“20150530”“20150609”“20150618”“20150701”“20150705”“20150809”和“20150815”共7场洪水，根据实际降雨过程，对新安江模型参数进行率定，得到新安江模型各参数取值如下：

①土壤初始含水量：上层18 mm，下层80 mm，深层20 mm;

②土壤最大含水量：上层20 mm，下层80 mm，深层20 mm;

③流域蒸散发能力转换系数：0.65;

④流域深层蒸散发系数：0.18;

⑤张力水蓄水容量曲线指数：0.3;

⑥不透水面积比：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线指数：1.0;

⑨地下水日出流系数：0.3;

⑩壤中流日出流系数：0.4;

根据实际降雨过程，对新安江模型参数进行率定，并求得该预报断面处的洪水过程，最高水位统计结果(见表1)。从模型率定结果来看，各场洪水实测峰现时间与计算峰现时间基本相符，且计算的洪水过程与实测洪水过程变化趋势也基本相符。

表1 历史洪水最高水位值表 m

该模块自2015年12月上线运行以来，经历了“20160515”“20160603”“20160616”这3场洪水，从预报值和实测值比较来看，无论峰现时间和峰值预报精度均较高(见图2—4)。

图2 “20160515”洪水预报值和实测值对比

图3 “20160603”洪水预报值和实测值对比

图4 “20160616”洪水预报值和实测值对比

5 结 论

(1)B/S架构的产品有非常方便的特性，网络管理人员只需在服务器端管理B/S架构管理软件，同时用户完全通过Web浏览器实现访问。

(2)水库标准化管理信息系统都是基于B/S架构，本文的基于B/S架构的实时洪水预报模型可以有效地与该系统兼容。

(3)本文的实时洪水预报模型运行于服务器端，根据用户需求可以定时进行预报，算法本身完成参数调整，用户仅需从IE端查询预报结果。

(4)本文洪水预报模型以新安江模型为基础，引入基于Volterra级数滤波器的实时校正方法，模型的预报结果达到了较高的精度。