CN107680339B - 基于双系统平台的新疆中小河流短期洪水预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于双系统平台的新疆中小河流短期洪水预警系统,该系统是由数据获取模块、核心运行模块、流量处理模块和洪水预警模块组成,该系统实现了全疆多条河流同时监测预警,基于Linux系统平台的高效运行速度和基于Windows系统平台可视化界面好的双系统平台,在每日定时更新气象数据的基础上,使得模拟预报流量精度和实时性大大提高,能在一定程度上解决新疆中小河流洪水预警精度不高和实时性不高及目前对于新疆中心河流缺乏全面地洪水监测、分析处理、预报等问题。
Description
技术领域
本发明属于短期洪水预警与计算机技术结合的技术领域,具体涉及新疆中小河流短期洪水预警与两个计算机系统平台结合的技术领域。
技术背景
新疆地处中国西北内陆干旱半干旱区,降雨量少而蒸发量大致使该地区水资源严重短缺。全疆地表水资源总量的大部分分布在山区高海拔地区,融雪融冰径流很大程度上影响下游生产、生活和生态(三生)用水,但也同样受山洪威胁。此外,在全球气候变暖的大背景下,高海拔山区冰川/雪盖已有显著退缩趋势,山洪频次和力度也明显增加。由于新疆地形复杂,气象与水文监测站点难以布设,加之山洪爆发的不确定性使得山洪模拟与预报更加困难,特别是高海拔区域的中小河流。对高海拔中小河流域洪水全面而准确的预警预报,有利于为下游生命财产安全提供保障。
目前新疆中小河流域水文监测大部分处于独立运行状态,且新疆水文水利部门对全疆中小河流洪水状态无法系统地实时预测与预警发布,不能对未来洪水灾害迅速做出灾前准备,及时提出防灾方案与意见,有可能造成重大洪灾损失。为了改善目前新疆水文水利部门对洪灾预警能力,亟待需要一个全新的集全疆中小河流流域水文状态监测、分析、预警的多系统平台的综合系统。
发明内容
本发明目的在于,提供一种基于双系统平台的新疆中小河流短期洪水预警系统,该系统是由数据获取模块、核心运行模块、流量处理模块和洪水预警模块组成,该系统实现了全疆多条河流同时监测预警,基于Linux系统平台的高效运行速度和基于Windows系统平台可视化界面好的双系统平台,在每日定时更新气象数据的基础上,使得模拟预报流量精度和实时性大大提高,能在一定程度上解决新疆中小河流洪水预警精度不高和实时性不高及目前对于新疆中心河流缺乏全面地洪水监测、分析处理、预报等问题。
本发明所述的一种基于双系统平台的新疆中小河流短期洪水预警系统,该系统是由数据获取模块、核心运行模块、流量处理模块和洪水预警模块组成,具体操作按下列步骤进行:
a、数据获取模块:包括历史数据获取模块和未来数据获取模块,是基于Windows系统平台,获取历史气象数据和未来气象数据,与核心运行模块连接;
b、核心运行模块:包括模型运行模块和流量提取模块,基于Linux系统平台,接收数据获取模块更新的历史气象数据和未来气象数据,运行各流域模型,以生成新的未来流量数据,与流量处理模块和洪水预警模块连接;
c、流量处理模块:包括流量查询模块、特征计算模块、流量显示模块和数据输出模块,基于Windows系统平台,根据核心运行模块提供的未来流量数据,对流量数据进行查询、统计、显示和输出,与洪水预警模块连接;
d、洪水预警模块:包括预警分析模块和预警发布模块,基于Windows系统平台,基于流量处理模块提供的未来流量数据,分析判断是否到达洪水警戒线,进行预警并发布相应的洪水预警信号。
步骤a中的历史数据获取模块,基于Windows系统平台,通过获取历史气温和降水数据,更新中小河流模型驱动数据,与核心运行模块连接;未来数据获取模块,基于Windows系统平台,通过抓取网页未来短期天气预报数据,更新中小河流模型气象驱动数据,与核心运行模块连接。
步骤b中的模型运行模块,基于Linux系统平台,利用数据获取模块提供的历史和未来短期驱动数据,同时并行运行多条中小河流分布式水文模型,生成带有各中小河流未来短期流量数据的文件,与流量提取模块连接;流量提取模块,基于Linux系统平台,从模型运行模块运行得到带有未来流量数据的文件中,提取包括历史和未来的特定时间段内的流量数据,与流量查询模块、特征计算模块、流量显示模块、数据输出模块和洪水预警模块连接。
步骤c中的流量查询模型,基于Windows系统平台,根据时间、条件选择流量提取模块提取的流量数据进行筛选查询,与特征计算模块、流量显示模块和数据输出模块连接;特征计算模块,基于Windows系统平台,对查询和提取的流量特征进行计算,包括最大值、最小值、平均值等特征值,与数据输出模块连接;流量显示模块,基于Windows系统平台,对提取的流量数据、历史或未来短期预报的流量数据以不同线型特征进行显示,与数据输出模块连接;数据输出模块,基于Windows系统平台,将提取的流量数据、特征值计算结果和流量显示图片进行相应格式输出。
步骤d中的预警分析模块,基于Windows系统平台,对提取的各河流未来流量的特征进行分析,包括洪峰量、峰现日期、洪水过程,与预警发布模块连接;预警发布模块,基于Windows系统平台,对达到或超过历史洪水警戒水位或水量时,发出警报信息,并将洪水警报相应信息发布给总管理中心人员和各分中心的管理人员,以便及时向地方政府和民众发布洪水预警信息。
本发明所述的一种基于双系统平台的新疆中小河流短期洪水预警系统,该系统具有以下优点和显著效果:
1、本发明利用数据获取模块将新疆中小河流各流域历史和未来的气温、降水数据送至核心运行模块,对新疆多条中小河流流域水文模型同时运行,得到全面的中小河流历史和未来短期的流量数据,利用流量提取模块、流量查询模块、特征计算模块、流量显示模块对各中小河流流量进行查询、检索、计算,利用预警分析模块对流量特征进行分析,判断是否达到或有超过历史警戒线的可能,如果超过,通过预警发布模块将洪水特征信息及时发布到总中心管理人员和相应分中心管理人员手机中,有利于政府和民众迅速做出防灾方案,达到减灾的目的。本发明可实现全疆多条河流同时监测预警,可有效解决目前对于新疆中心河流缺乏全面地洪水监测、分析处理、预报等问题。
2、本发明通过数据获取模块获取每日最新的日最高气温、日最低气温和逐小时降水数据,可以同时对新疆多个中小河流流域模型进行更新,使核心运行模块可以最新的流域模型,在每日更新的模型中提供更加准确的中小河流流量,使得模拟预报流量精度和实时性大大提高。可有效解决新疆中小河流洪水预警精度不高和实时性不高问题。
3、本发明所构建的预警系统由于核心运行模块架在Linux系统平台上,可以同时运行多个中小河流,运行速度快,预警更及时;其他模块在Windows系统平台运行,更便于客户终端使用。可有效解决新疆中小河流洪水预警实时性不高问题。
附图说明
图1为本发明结构框图;
图2为本发明数据获取模块结构框图;
图3为本发明核心运行模块结构框图;
图4为本发明流量处理模块结构框图;
图5为本发明洪水预警模块结构框图;
图6为和布克河模型表现效果图,其中a为模拟流量,b为实测流量;
图7为气象输入标准格式图;
图8为Linux系统平台后台运行图;
图9为流量库的结构图;
图10为流量过程线显示图,其中A为模拟,B为实测。
具体实施方式
以下结合附图进一步描述。
实施例
本发明所述的一种基于双系统平台的新疆中小河流短期洪水预警系统,该系统是由数据获取模块、核心运行模块、流量处理模块和洪水预警模块组成,(图1),为测试本系统的可行性,本发明选择新疆塔城地区一条河流—和布克河为测试河流,以验证系统的可运行性和预报的可实现性;
和布克河位于属于新疆伊犁州管辖的塔城地区的和布克赛尔县境内,位于新疆维吾尔自治区西北部。地理坐标介于东经84°47′-86°50′,北纬46°12′-47°05′之间。流域北部与哈萨克斯坦国及吉木乃县交界,西及西南部与额敏县、托里县、克拉玛依市为邻,东南部为著名的准噶尔盆地,流域面积3413.06平方公里。流域内地形地貌复杂多样,由于受地质构造影响,总的地势由北向南倾斜,流域内最高点海拔3811米;
首先建立和布克河流域模型,利用流域数字高程模型、土壤数据、土地利用/覆被数据和日最高温、日最低温、小时降水量等数据搭建和布克河流域分布式水文模型,并利用2017年5月12日至5月16日逐小时的历史实测数据对模型进行率定和验证,是模型表现效果好,(图6):a代表模拟流量,b代表实测流量,可见模拟效果不错,然后将模型作为该预警系统的核心运行模块的一部分,来对和布克河的洪水进行模拟实时预报;
然后测试运行洪水预警系统,第一步是数据获取模块,包括历史数据获取模块和未来数据获取模块,是基于Windows系统平台,获取历史气象数据和未来气象数据,与核心运行模块连接(图2);
利用数据获取模块从中央气象台官网上获取和布克赛尔县的当日最高温和最低温和预报的次日最高温、日最低温和未来24小时降水量数据,将其转成分布式水文模型所需要的标准化格式(图7),通过与核心运行模块通过系统内部数据通道进行数据读写替换,将格式标准化后的新数据更新进Linux系统平台核心运行模块里的;图7的标准化格式中,气温输入的标准格式为YYYYDDDNNN.NNXXX.XX,其中YYYY为年,DDD为calendar日,NNN.NN为最低温度,XXX.XX为最高温度;降水输入的标准格式为YYYYDDDHH:HHPPP.PP,其中YYYY为年,DDD为calendar日,HH:HH为小时,PPP.PP为降水量;
第二步为核心运行模块,包括模型运行模块和流量提取模块,基于Linux系统平台,接收数据获取模块更新的历史气象数据和未来气象数据,运行各流域模型,以生成新的未来流量数据,与流量处理模块和洪水预警模块连接,(图3);
在Linux系统平台,由shell脚本每日定时执行和布克河流域模型的swat2012可执行程序,因在Linux系统平台上可以多核并行处理,大大加快了运行速度和缩短了运行时间,与流量提取模块通过系统内部数据通道进行数据信息传递,(图8);流量提取模块,通过对模型运行模块运行后得到带有和布克河历史和未来24小时流量数据的文件进行处理,从中提取出该河流整个模拟历史时期及未来24小时的时间序列和对应的流量数据,并进行入库,(图9),与流量查询模块、特征计算模块、流量显示模块、数据输出模块和预警分析模块通过系统内部数据通道进行数据连接;图9中RCH为流域内某段河道所处位置;DAY为calendar日历的日,写法为1-365天;DET为小时,1天24小时,写法为1-24时;AREA为河道的汇水面积;Q为流域出山口断面的每小时瞬时流量,计量单位为m3/s;
第三步为流量处理模块,包括流量查询模块、特征计算模块、流量显示模块和数据输出模块,基于Windows系统平台,根据核心运行模块提供的未来流量数据,对流量数据进行查询、统计、显示和输出,与洪水预警模块连接,(图4);
通过本模块的流量查询模块可以根据时间、条件选择流量提取模块提取的和布克河流量数据进行筛选查询,与特征计算模块、流量显示模块和数据输出模块连接;特征计算模块,可以对上一步查询和提取的流量特征进行计算,包括最大值、最小值、平均值等特征值,与数据输出模块连接;流量显示模块,可以对提取的和布克河流量数据以不同线型特征进行显示,与数据输出模块连接;数据输出模块,可以将提取的和布克河流量数据导出为TXT文本格式,和将流量显示图片进行输出,输出格式包括jpg、tiff、png等,(图10),图10中的A代表模拟流量过程线,B代表实测流量过程线,分历史时期和预报期;
最后一步为洪水预警模块,包括预警分析模块和预警发布模块,基于Windows系统平台,基于流量处理模块提供的未来流量数据,分析判断是否到达洪水警戒线,若达到或超过和布克河历史警戒流量便发布相应的洪水预警信号,(图5);
该模块利用预警分析模块对提取和布克河的未来流量进行分析,对比未来时段的流量峰值是否达到5年一遇、10年一遇、50年一遇、100年一遇的历史洪水警戒流量,与预警发布模块连接;若达到或超过历史洪水警戒水位或水量时,触发预警发布模块,将和布克河洪水警报相应信息发布给总管理中心人员和各分中心的管理人员,以便及时向地方政府和民众发布洪水预警信息。
本发明所述的基于双系统平台的新疆中小河流短期洪水预警系统,该系统可在一定程度上解决目前对于新疆中心河流缺乏全面地洪水监测、分析处理、预报等问题,提高新疆中小河流洪水预警精度和实时性。
Claims (4)
1.一种基于双系统平台的新疆中小河流短期洪水预警系统,其特征在于所述洪水预警系统是由数据获取模块、核心运行模块、流量处理模块和洪水预警模块组成,具体操作按下列步骤进行:
a、数据获取模块:包括历史数据获取模块和未来数据获取模块,是基于Windows系统平台,获取历史气象数据和未来气象数据,与核心运行模块连接;
b、核心运行模块:包括模型运行模块和流量提取模块,基于Linux系统平台,接收数据获取模块更新的历史气象数据和未来气象数据,运行各流域模型,以生成新的未来流量数据,与流量处理模块和洪水预警模块连接;利用流域数字高程模型、土壤数据、土地利用/覆被数据和日最高温数据、日最低温数据、小时降水量数据搭建流域分布式水文模型;
c、流量处理模块:包括流量查询模块、特征计算模块、流量显示模块和数据输出模块,基于Windows系统平台,根据核心运行模块提供的未来流量数据,对流量数据进行查询、统计、显示和输出,与洪水预警模块连接;其中流量查询模型,基于Windows系统平台,根据时间、条件选择流量提取模块提取的流量数据进行筛选查询,与特征计算模块、流量显示模块和数据输出模块连接;特征计算模块,基于Windows系统平台,对查询和提取的流量特征进行计算,包括最大值特征值、最小值特征值和平均值特征值,与数据输出模块连接;流量显示模块,基于Windows系统平台,对提取的流量数据、历史或未来短期预报的流量数据以不同线型特征进行显示,与数据输出模块连接;数据输出模块,基于Windows系统平台,将提取的流量数据、特征值计算结果和流量显示图片进行相应格式输出;
d、洪水预警模块:包括预警分析模块和预警发布模块,基于Windows系统平台,基于流量处理模块提供的未来流量数据,分析判断是否到达洪水警戒线,进行预警并发布相应的洪水预警信号。
2.根据权利要求1所述的基于双系统平台的新疆中小河流短期洪水预警系统,其特征在于步骤a中的历史数据获取模块,基于Windows系统平台,通过获取历史气温和降水数据,更新中小河流模型驱动数据,与核心运行模块连接;未来数据获取模块,基于Windows系统平台,通过抓取网页未来短期天气预报数据,更新中小河流模型气象驱动数据,与核心运行模块连接。
3.根据权利要求1所述的基于双系统平台的新疆中小河流短期洪水预警系统,其特征在于步骤b中的模型运行模块,基于Linux系统平台,利用数据获取模块提供的历史和未来短期驱动数据,同时并行运行多条中小河流分布式水文模型,生成带有各中小河流未来短期流量数据的文件,与流量提取模块连接;流量提取模块,基于Linux系统平台,从模型运行模块运行得到带有未来流量数据的文件中,提取包括历史和未来的特定时间段内的流量数据,与流量查询模块、特征计算模块、流量显示模块、数据输出模块和洪水预警模块连接。
4.根据权利要求1所述的基于双系统平台的新疆中小河流短期洪水预警系统,其特征在于步骤d中的预警分析模块,基于Windows系统平台,对提取的各河流未来流量的特征进行分析,包括洪峰量、峰现日期、洪水过程,与预警发布模块连接;预警发布模块,基于Windows系统平台,对达到或超过历史洪水警戒水位或水量时,发出警报信息,并将洪水警报相应信息发布给总管理中心人员和各分中心的管理人员,以便及时向地方政府和民众发布洪水预警信息。
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