CN105320827B - 降雨径流预报系统 - Google Patents

Abstract

本发明采用了创新的降雨径流预报技术方案，可实现短中长期降雨径流预报，并可在预报中展现实时洪水预报过程，有利于准确估计洪水的洪峰、洪量、洪水过程，可以预报过程中模拟出库和水位过程，实现用户包括实时洪水预报在内的短中长期径流预报调度，解决现今大多径流预报软件预报过程太短，中长期预报功能简陋的问题。本系统包括水情数据库、用户参数配置模块、降雨径流预报演算模块、预报成果统计模块、预报图形模块。本系统有自动修正预报功能，没有水位站，也可实现实时降雨洪水预报，大大降低系统软硬件成本，解决了大多中小水库、水电站及一些大中型水电站缺少中长期预报的问题。

Description

降雨径流预报系统

技术领域

本发明涉及降雨径流预报技术领域，尤其涉及一种能同时进行短期、中期、长期及实时的降雨径流预报方法。

背景技术

径流预报是防汛抗旱和有效利用水资源以及水利调度、管理等的重要依据，预报调度管理其发电效益及社会效益显著高于不利用预报信息的调度管理模式，现今的径流预报系统主要依据水位监测和雨量监测采集的数据进行短期的降雨径流预报和河段洪水预报及考虑实时修正的实时洪水预报，现今社会上的中长期预报方法目前尚不够成熟，中长期降雨径流预报系统国内仅少数大型水库有所应用，并不具备推广普及条件。水位或流量监测的遥测站点一般要设水位井或监测站，成本少说几万到几十万，一般小水库、小水电站这些基础设施投入较少，自动化程度低，与之配套的径流预报系统更是几乎没有，径流预报系统软硬件开发成本高，基础设施投入大，维护费用昂贵，或有的中长期降雨径流预报从理论到实现过程复杂，不利于推广，这些因素都是中小水库、水电站提高水资源利用的瓶颈，例如截至2010年底，福建全省已建成农村水电站6606座，相对而言拥有径流预报系统的水库、水电站寥寥无几，许多大型水库、水电厂也只有短期径流预报系统、缺少中长期径流预报系统。这些中小水库、水电站因为缺少实时洪水预报及中长期径流预报盲目运用水资源而损失的效益数以千万计，更是有的中小水库、水电站因为缺少中长期径流预报，对洪水灾害估计不足而未做好充分准备或因预见期太短来不及做好应急准备而造成人员伤亡和财产损失。

发明内容

本发明之一目的在于新发明的降雨径流预报系统是在根本算法上加以创新的，仅依靠测量降雨过程就可同时进行实时降雨洪水预报和短中长期径流预报，大大降低径流预报系统运用的硬件和基础设施成本；

本发明之另一目的在于仅运用代表性、可靠性、一至性高的实测历史洪水资料就可以推求降雨径流预报系统参数，且系统的软件的开发成本低、时间短，解决降雨径流预报系统的推广瓶颈限制；

本发明之再一目的在于在短中长期降雨径流预报中展现实时洪水预报过程，有利于准确估计洪水的洪峰、洪量、洪水过程，可以在预报过程中模拟出库和水位过程，实现用户包括实时洪水预报在内的短中长期径流预报调度，解决现今大多径流预报软件预报过程太短，中长期预报功能缺少洪峰、洪量预报的问题。

本发明的主要目的是通过下述技术方案得以实现的：

一种降雨径流预报系统，首先确定降雨产流计算方法，本发明提供了一种降雨产流计算方法做为降雨径流预报技术方案，实施过程如下：

本发明的降雨产流计算方法如下：所述参数包括，Q为流量（立方米每秒），Q_地下为地下径流预报流量，Q_地面为地面径流预报流量，Q_预报j为j时刻预报流量，j为某预报时刻（时），m为河道汇流时间长度（小时），n为产流汇流时间长度（小时），i=1时、2时、…、n时，P_j-m-n+i为j-m-n+i时刻某预报流域降雨（毫米），α_j-m为j-m时刻流域的径流系数，F为流域面积(平方公里)，降雨产流计算函数为Q_预报j =∑ⁿ _i=1P_j-m-n+iα_j-mF×1000/(3600秒×n＋3600秒×i)，用以描述在j时某流域出口m小时前流域n小时降雨产生相应于m小时前径流系数对应的预报断面流量，下述洪水过程指预报时段内较大的径流过程；

退水率获取，由典型洪水资料，划分不同层面的退水率，包括近洪峰段、表层径流、地下径流、基流，近洪峰段对应退水过程退水较快的上段，表层径流对应洪水过程中段紧接近洪峰段之后，退水明显变缓，地下径流对应洪水过程下段，这个过程较长期平缓退水，基流这个过程在相当长的时期内维持在主要洪水过程结束后一个退水率变化极小的过程。由此方法比较多场典型洪水过程可获得不同层面径流或洪水的退水率代入多场典型洪水调方案试算并调整，当预报洪水退水过程与实测洪水退水过程越相近，各分层退水率取值就越好；

依据降雨过程和降雨产流计算函数计算未来时段预报的地下径流Q_地下；并根据涨水和退水情况对预报结果进行修正，若Q_地下j小于上一时段Q_地下j－1，Q_地下j根据所处退水层面的退水率进行修正；

依据降雨过程和降雨产流计算函数计算未来时段预报的地面径流Q_地面；由Q_地下和Q_地面之和计算得未来时段的预报断面流量Q_预报j，并根据涨水和退水情况对预报结果进行修正，若Q_预报j小于上一时段Q_预报j－1，Q_预报j根据所处地面径流退水层面的退水率进行修正；

由实测降雨过程、及后续预报降雨过程，计算得各未来时段的预报断面流量……Q_预报j－2、Q_预报j－1、Q_预报j、Q_预报j＋1、Q_预报j＋2、……，当时间滚动，雨量更新，覆盖假拟的预报雨量，则可实现实测与假拟预报的无缝对接预报；

为提高精度，也可用太泰森多边形法或等流时线法，将流域面积分块，分块预报相应雨量对应预报断面的流量过程，再用叠加的原理将流域各部分块在预报断面的预报流量过程相叠加，合成全流域在预报断面的预报流量过程。

一种降雨径流预报系统，包括：

水雨情数据库，存储降雨径流预报演算模块所需的时间、水位、雨量、流量数据，并可根据用户需要设置末来时段假拟数据，用于实时降雨洪水预报，短中长期降雨径流预报；

用户参数配置模块，存储和计算降雨径流预报所需参数及降雨径流资料供降雨径流预报演算模块调用，用于用户设置、调整预报参数，调整预报精度；

降雨径流预报演算模块根据水雨情数据库提供的水雨情数据及用户参数配置模块提供的配置参数，对未来的径流过程进行预报，并根据涨水和退水情况对预报结果进行修正；

降雨径流预报成果统计模块，根据降雨径流预报演算模块的预报过程，对主要径流或洪水过程进行统计评估，统计评估的内容包括，短期、中期、长期预报的洪峰、洪量、峰现时间、及洪峰洪量精度；

降雨径流预报图形模块，预报图有短期降雨径流预报图、中期降雨径流预报图、长预降雨径流预报，预报图中有时段雨量柱形图及各水位过程线、实测流量过程线、预报流量过程线、出库流量过程线。

所述的降雨径流预报系统，运用的降雨产流计算函数是Q_预报j=∑ⁿ _i=1P_j-m-n+iα_j-m F×1000/(3600秒×n＋3600秒×i)，函数内时段参数并非局限于小时，也可是若干分钟或若干小时、若干天，取决于洪水资料、径流资料或观测数据的密度，及对预报的精度要求。

所述的降雨径流预报系统，依据降雨过程和降雨产流计算函数计算未来时段预报的地面径流Q_地下，若Q_地下j小于上一时段Q_地下j－1，Q_地下j根据所处退水层面的退水率进行修正；由Q_地下和Q_地面之和计算得未来时段的预报断面流量Q_预报j，并根据涨水和退水情况对预报结果进行修正，若Q_预报j小于上一时段Q_预报j－1，根据所处退水层面的退水率进行修正，通过数据库的实时数据和假拟数据，实现实时洪水预报或短中长期径流预报。

所述的降雨径流预报演算模块从用户参数配置模块同时引入前期影响时长、产流汇流时间、河道汇流时间、前期基础径流调整系数，用户可以根据前期预报情况通过调整这四个参数提高后续降雨径流预报的预报精度。

降雨径流预报系统所述的降雨径流预报的组合过程由地面径流涨水段、地下径流涨水段、地面径流退水段、地下径流退水段分别拟合计算组合而成，降雨径流预报演算模块以每小时或更短时间为一时段长实现降雨径流预报系统拟合洪水过程的洪峰、洪量、洪水过程。

所述的降雨径流预报系统根据降雨径流预报演算模块的预报过程统计数据，对主要径流或洪水过程进行统计评估，统计内容包括短期、中期、长期预报径流过程及相应实测径流过程的洪峰、洪量、峰现时间、峰现时间误差，评估预报洪峰、洪量的精度。

所述的降雨径流预报系统的降雨径流预报图根据降雨径流预报演算模块统计的各时段库水位、降雨量、实测断面流量、预报断面流量、出库流量、发电流量、泄水流量为降雨径流预报图数据源的值，以各相互连续的实测时段和预报时段为分类轴标志，根据分类轴时间长短生成短期降雨径流预报图、中期降雨径流预报图、长期降雨径流预报图。

因而本发明具有如下有益效果：

本发明有益效果之一在于本系统是以过程降雨为基础实现同时进行实时降雨洪水预报和短中长期降雨径流预报，大大降低降雨径流预报系统运用的软硬件成本和基础设施投入，丰富了径流预报手段；

本发明有益效果之二在于仅运用代表性、可靠性、一至性高的实测历史洪水资料就可以推求降雨径流预报系统参数，且降雨径流预报系统软件的开发成本低，时间短，为降雨径流预报迅速推广应用，形成社会效益、经济效益提供便利条件；

本发明有益效果优点之三在于径流预报的组合过程由地面径流涨水段、地下径流涨水段、地面径流退水段、地下径流退水段分别拟合计算组合而成，减小计算误差范围，并以每小时或更短时长为一时段长有利于降雨径流预报系统拟合洪水过程的洪峰、洪量、洪水形态，增强了预报功能的实时性；

本发明有益效果之四在于在降雨径流预报过程中同时引入前期影响时长、产流汇流时间、河道汇流时间、前期径流系数调整，用户可以根据前期预报情况通过调整这四个参数提高后续降雨径流预报的预报精度，增加了预报的灵活性；

本发明有益效果之五在于在降雨径流预报过程中可通过假拟预见期内未来时段的降雨量、泄水流量、发电流量、出库流量实现实时洪水调度方案模拟，非常方便的假拟短中长期预报中各时段的降雨、出库、水位等过程，便于制定水库调度及发电计划。

附图说明

图1 为本发明降雨径流预报系统结构框图；

图2 为本发明降雨径流预报演算模块结构框图；

图3 为本发明用户参数配置模块结构框图；

图4 为本发明水雨情数据库结构框图；

图5 为本发明降雨径流预报成果统计模块结构框图；

图6 为本发明降雨径流预报图形模块结构框图 。

具体实施方式

本发明之目的、优点和特色由以下某水库实施实例之详细说明及图式当可更加明白，该等实施实例是做为实施方式之举例说明，其目的是为方便详加说明本发明，而非用以限定本发明。本发明降雨径流预报系统之系统图请参阅图1。本发明的系统主要包括五大结构：降雨径流预报演算模块、用户参数配置模块、水雨情数据库、降雨径流预报成果统计模块、降雨径流预报图形模块，本系统结构精简、运行环境要求低，最小本系统在类似WPS表格或excel表格中就可以实现，扩展也可通过access、SQL、VB、C++等通用的数据库及编程实现，下面就本系统的主要实现方法及实施过程举例说明。

降雨径流预报演算模块请参阅图2，实施过程如下：

降雨产流计算函数为Q_预报j=∑ⁿ _i=1P_j-m-n+iα_j-m F×1000/(3600秒×n＋3600秒×i)

所述参数包括，Q为流量（立方米每秒），Q_地下为地下径流预报流量，Q_地面为地面径流预报流量，Q_预报j为j时刻预报流量，j为某预报时刻（时），m为河道汇流时间长度（小时），n为产流汇流时间长度（小时），i=1、2、…、n，P_j-m-n+i为j-m-n+i时刻流域降雨（毫米），α_j-m为j-m时刻流域的径流系数，F为流域面积(平方公里)，下述洪水也属径流，洪水过程这里指预报过程中的最大径流过程。

某流域径流过程如表1（为检查预报精度，设预报降雨过程与实测降雨过程同等）：

表1；

时段	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													降雨	2.79	2.95	9.00	12.5	7.42	5.95	7.26	5.37	2.80	2.0	3.0	2.16
时段	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
													入库	4570	4958	4349	5622	6732	5792	5679	5641	5735	5681	5645	5503

地下径流过程计算，地下径流计算函数为Q_地下j＝∑ⁿ _i=1P_j-m-n+iα_地下j-m F×1000/(3600秒×n＋3600秒×i)，设河道汇流时间m为7小时，产流汇流时间n为8小时，预报末来流域出口断面流量时间j时为17时，流域面积为7907平方公里，设9时至12时的地面径流系数分别为0.261、0.264、0.267、0.270，α_地下j-m＝0.264，Q_地下17=∑ⁿ _i=1P_2+i×0.264×7907×1000/(3600×n＋3600×i)＝2603立方米每秒，同理可求得16时至19时的地下径流为2452、2603、2739、2495立方米每秒；

地下径流退水过程修正，设由洪水资料分析得基流之上退水率0.985,基流之下退水率0.995，基流上限为500立方米每秒，如Q_地下j≥Q_地下j-1,是则Q_地下j不变，否如Q_地下j-1＞基流，是则基流之上退水计算为Q_地下j＝Q_地下j－1×0.985，否基流退水为Q_地下j＝Q_地下j－1×0.995；Q_地下j≥（Q_地下j-1＝2452）；

因为Q_地下j≥（Q_地下j-1＝2572），所以j时刻的地下径流流量为地下径流退水过程修正值为2603立方米每秒。

地面径流过程计算，地面径流计算函数为Q_地面j＝∑ⁿ _i=1 P_j-m-n+iα_地面j-m F×1000/(3600秒×n＋3600秒×i)，设9时至12时的地面径流系数分别为0.394、0.407、0.420、0.431，α_地面j-m＝0.407，Q_地面17＝∑ⁿ _i=1 P_3+i×0.407×7907×1000/(3600×n＋3600×i)＝4013立方米每秒，同理可求得16时至19时的地面径流为3702、4013、4309、3983立方米每秒。

预报径流过程计算Q_预报j＝Q_地下j+Q_地面j，求得16时至19时的预报径流过程为6154、6616、7048、6478立方米每秒；

预报径流退水过程修正，地面径流退水过程修正包含在预报径流退水过程的修正中，设近洪峰段之上退水率为0.945, 表层径流之上退水率为0.965,地下径流之上退水率为0.985,设近洪峰段下限为预报洪峰值7048二分之一为3524立方米每秒，表层径流下限为洪峰值三分之一为2349立方米每秒，地下径流上限为洪峰值五分之一为1410立方米每秒,如Q_预报j≥Q_预报j-1×0.985,是则Q_预报j不变，否则如Q_预报j>近洪峰段退水，是近洪峰之上退水为Q_{预报 j}＝Q_{预报 j－1}×0.945，否则如Q_{预报 j}>表层径流之上退水，是则表层径流之上退水为Q_预报j＝Q_{预报 j－1}×0.965，否则地下径流退水为Q_预报j＝Q_预报j－1×0.985；

因为 Q_预报j≥（Q_预报j-1＝6154），所以j时刻的预报流量为预报径流过程修正值6616立方米每秒，同理可求得16时至19时的修正的预报径流过程为6154、6616、7048、6660立方米每秒，。

用户参数配置模块请参阅图3，实施过程如下：

建降雨径流系数相关表，如表2，可根据实测典型径流资料、洪水资料，按不同等级降雨设相应的地下径流系数、地面径流系数，径流系数取值以代表性、可靠性、一至性高的典洪水过程为准，再以中长径流资料为参照调整径流系数拟合各级别洪水过程线，取预见期内实测变幅的20％作为许可误差，对比各历史实测典型洪水资料，根据各流域特性调整径流系数，控制各预报精度及预报合格率尽可能逼近100％；

表2；

降雨等级	地下径流系数	地面径流系数	降雨径流系数
				…	…	…	…
90	0.24	0.31	0.55
				100	0.25	0.35	0.60
120	0.26	0.39	0.65
				140	0.27	0.43	0.70
160	0.28	0.47	0.75
				180	0.29	0.51	0.80
…	…	…	…

建径流过程系数表，如表3，各时段的地下径流系数、地面径流系数为根据各时段m小时前期降雨量查降雨径流系数相关表的相应值，降雨径流预报过程中的地下径流系数与地面径流系数的取值与径流过程系数表对应；

表3；

时段地面径流系数	各时段前期降雨量	降雨历时	时段地下径流系数
				…	…	…	…
0.394	149.21	9	0.261
				0.407	150.58	10	0.264
0.420	152.21	11	0.267
				0.431	152.95	12	0.270
0.439	154.37	13	0.272
				0.445	157.84	14	0.274
…	…	…	…

设置水位库容关系曲线，可根据水量平衡计算含预报的各时段出入库水量差，加上时段初库水位对应库容，计算下一时段初库容，可根据各时段库容及水位库容关系曲线用直线内插法计算各时段相应水位求得预报水位过程。

用户基本配置参数，包括地面径流退水率，地下径流退水率，产流汇流时间，河道汇流时间，前期基础径流调整系数、前期影响时长、流域面积、基流上限、预报开始日期、预报开始时间，退水率获取由典型洪水资料划分不同层面的退水率，包括近洪峰段、表层径流、地下径流、基流，近洪峰段对应退水过程退水较快的上段，表层径流对应洪水过程中段紧接洪峰之后，退水明显变缓，地下径流对应洪水过程下段，这个过程较长期平缓退水，基流这个过程在相当长的时期内维持在一个退水率变化极小的过程。由此方法比较多场典型洪水过程可获得不同层面径流或洪水的退水率代入多场典型洪水调方案试算并调整，当洪水预报退水过程与洪水实测退水过程越相近，各分层退水率取值就越好；

前期基础径流调整系数用于用户根据当前丰枯情况调径流系数大小，提高后续预报精度，降雨径流系数大小与前期基础径流调整系数相关，产流汇流时间用于设置雨水产生主要径流汇集于河道有效时长，河道汇流时间用于设置主要径流到达流域预报断面的时间，前期影响时长用于设置前期主要影响预报断面流量过程的降雨时长，各时段的前期降雨量就是根据前期影响时长计算累计前时段降雨量。

水雨情数据库请参阅图4，实施过程如下：

包含的字段有：日期、时间、库水位、降雨量、入库流量、发电流量、泄水流量、出库流量；

字段名日期的记录为日期型数据，字段名为库水位、流域降雨、入库流量、发电流量、泄水流量为数值型数据，如表4；

表4；

日期	时间	库水位	降雨量	入库流量	发电流量	泄洪流量	出库流量
								2010-6-15	23时	159.31	2.263	5622	631	0	631
2010-6-16	00时	159.84	0.421	6732	630	0	630
								2010-6-16	01时	160.31	0.316	5792	625	0	625
2010-6-16	02时	160.78	0.632	5679	595	0	595

表4中2010年6月16日0时对应表1时段17，表1时段是为理解方便假拟从时段1开始，估测雨量可置于实测雨量之后，实测雨量更新直接覆盖估测雨量，这样实时预报时，即可实现了实测降雨预报与估测降雨预报的无缝对接，又简化了系统，根据短中长期天气预报，可将相应预测的降雨过程置于数据库相应位置，供降雨径流预报演算模块调用，用户可根据各时期的预报断面流量及控制水位需要设置包括发电流量、泄洪流量等出库流量过程，实现实时洪水调库方案模拟及短中长期的径流预报调度规化。

降雨径流预报成果统计模块请参阅图5，实施过程如下：

这径流过程的预报断面和实测断面为同一断面，相应流量包含在径流预报过程和实测过程中，可通过类似WPS表格或excel表格中的max()函数在所求过程中获取最大的预报断面流量值和实测断面流量值；

根据最大的预报断面流量值和实测断面流量值定位其的出现时间，及计算峰现时间误差，可通过类似WPS表格或excel表格中的match()和max()函数实现；

根据最大的预报断面流量值和实测断面流量值的出现时间确定与之相关的各天洪量，可通过类似WPS表格或excel表格中的sum()、offset()、match()和max()函数实现，一般分别以影响主要预报和实测断面流量过程降雨开始时间为起点，至所求主要相应过程长度末时间结束；

根据最最大的预报断面流量值和实测断面流量值的出现时间确定与之相关的主要降雨过程，可通过类似WPS表格或excel表格中的sum()、offset()、match()和max()函数实现，一般分别以影响主要预报和实测断面流量过程降雨开始时间为起点，至所求主要相应过程长度末时间结束。

根据预报的各天预报与实测的洪峰、洪量、各天降雨、流域面积可确定各天预报和实测的径流系数、洪量精度、洪峰精度；

表5；

长期预报成果表
				预报洪峰	7049	实测洪峰	6732
预报十天洪量	143784	实测十天洪量	147750
				预报当月洪量	266254	实测当月洪量	291671
预报洪峰精度	104.7%	实测十天雨量	221.8
				十天洪量精度	97.3%	实测当月雨量	429.4
当月水量精度	91.3%	峰现时间误差	-1
				预报十天径流系数	0.82	实测十天径流系数	0.84
预报当月径流系数	0.78	实测当月径流系数	0.86
				预报洪峰出现日期	2010-6-16	预报洪峰出现时间	01时
实测洪峰出现日期	2010-6-16	实测洪峰出现时间	00时

如表5所示，就是以某一大型水库历史实测洪水过程预报演算后所得结果做为实例参考。

短期、中期、长期调度方案模拟，通过假拟水情数据库未来时段的降雨、发电流量、泄水流量、出库流量、降雨径流预报演算模块会自动根据这些数据统计各时段相应预报数据，通过调整用户配置参数、水雨情数据库降雨、出库过程和观察各时段相应水位、降雨径流预报成果、预报过程与实测对比，通过对比用户就可以确定各时期控制水位、出库多少及相应水库调度运用过程。

降雨径流预报图形模块请参阅图6，实施过程如下：

降雨径流预报图分类，预报过程在三天及以下为短期降雨径流预报图、预报过程在4到7天为中期降雨径流预报图，预报过程在10天及以上为长期降雨径流预报图；

根据从降雨径流预报演算模块获取的各时段库水位、降雨量、断面流量、出库流量、发电流量、泄水流量、预报流量为降雨径流预报图数据源的值，以各相互连续的实测时段和预报时段为分类轴标志，根据分类轴时间长短生成短期降雨径流预报图、中期降雨径流预报图、长期降雨径流预报图，预报图中有时段雨量柱形图及各水位过程线、实测流量过程线、预报流量过程线、出库流量过程线。

Claims (1)

1.一种降雨径流预报系统，包括：

水雨情数据库，存储降雨径流预报演算模块所需的时间、水位、雨量、流量数据，并根据用户需要设置末来时段假拟数据，用以实时降雨洪水预报，短中长期降雨径流预报；

用户参数配置模块，存储和计算降雨径流预报所需参数及降雨径流资料供降雨径流预报演算模块调用，用于用户设置、调整预报参数，调整预报精度；

降雨径流预报演算模块，根据水雨情数据库提供的水雨情数据及用户参数配置模块提供的配置参数，对未来的径流过程进行预报，并根据涨水和退水情况对预报结果进行修正；

降雨径流预报成果统计模块，根据降雨径流预报演算模块的预报过程，对径流或洪水过程进行统计评估，统计评估的内容包括，短期、中期、长期预报的洪峰、洪量、峰现时间、及洪峰洪量精度；

降雨径流预报图形模块，预报图有短期降雨径流预报图、中期降雨径流预报图、长期降雨径流预报图，预报图中有时段雨量柱形图及各水位过程线、实测流量过程线、预报流量过程线、出库流量过程线。