CN108491664A - 一种分布式水文预报模型聚合系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种分布式水文预报模型聚合系统，属于水文预报模型聚合技术领域。它包含数据准备层、数据处理层、模型运行层、模型验证与校核层；所述数据准备层中设有土壤数据单元、植被数据单元、水利工程图单元、降水、气温和风速数据单元、数据属性链接表单元；所述模型运行层中设有划分流域及提供水系单元、根据土壤、植被和坡度划分水文响应单元、生成模型运行文件和运行模型单元；所述划分流域及提供水系单元、根据土壤、植被和坡度划分水文响应单元、生成模型运行文件和运行模型单元之间相互对应；自动分析查找历史洪水资料，并根据历史降雨资料构建数字雨量模型，同时计算该场洪水的前期影响雨量；进行分布式流域产汇流计算、河道演算及水库调蓄演算，对模型演算结果进行分析。

Description

一种分布式水文预报模型聚合系统
技术领域
本发明涉及一种分布式水文预报模型聚合系统，属于水文预报模型聚合技术领域。
背景技术
水文预报按水情特点和预报内容分:主要预测河流、湖泊、水库汛期洪水的洪水预报，预报内容有洪水位、洪水流量和洪水过程;主要预测枯季水位、流量和河网蓄水量的枯水预报。主要预测水体冻结和消融过程的冰情预报，预报内容包括封冻日期、冰厚、解冻日期和流冰。
主要预报入海河口段水量剧增、水位猛升情况的台风暴潮预报;预测河流含沙量和水库泥沙冲淤情况的沙量预报。按预见期分:预见期为数小时至数天的短期预报;预见期在2--5天以上，10天以内(或15天以内)的中期预报;一般认为预见期在15天以上，1年之内的为长期水文预报;预见期在一年以上的称超长期水文预报。水文预报一般运用经验和半经验方法、水文模型方法和统计预报方法。
目前，我国针对山洪灾害的技术研究还处于起步阶段，监测预警系统尚未建立。无资料中小流域洪水模拟是山洪灾害预警预报的基础，由于缺乏实测水文资料，传统方法难以进行山丘区小流域暴雨洪水规律研究更难以进行山洪灾害实时预警预报，急需新的理论和先进技术解决山洪灾害预警预报的关键技术问题。随着计算机和等技术的发展，特别是的应用水文预报技术由传统的集总式模型向分布式模型、数字水文模型发展由大尺度水文模型向中小尺度水文模型发展。
水文集合预报前处理也称为气象集合预报后处理，主要处理定量降水/温度预报。现有的水文气象耦合技术虽然已取得了很大的发展，但仍然存在许多问题：（1）数值天气预报普遍存在系统偏差，譬如降雨带位置偏离或者降雨量整体偏大（偏小），导致气象预报产品很难直接为水文模型所用；（2）数值气象预报产品精度太低，在时空尺度上无法与水文模型匹配；（3）还需要更好的方法，能够在海量的集合预报产品（如降水平均、离散度或暴雨降水概率等）中，求取最优的概率预报结果。
虽然水文集合预报系统日臻完善，且在欧洲与美国均已开始业务化，但水文集合预报的研究与应用还面临如下挑战。
（1）不确定性的识别。当前的研究更多集中在单个环节不确定性，比如，输入不确定性、模型参数不确定性等，而水文集合预报希望识别水文预报各个环节的不确定性，并最终能够精确地反映到集合预报的产品中。
（2）气象-水文预报耦合研究。目前，数字天气/气象预报的时空尺度与精度难以直接应用到水文预报中，还需要进一步研究气象到水文降尺度及数据同化问题。
（3）水文集合预报的业务化。随着水文集合预报理论研究的成熟，从技术上看，水文集合预报的业务化将水到渠成。但是，习惯了传统确定性预报的用户暂时无法理解概率性集合预报，难以接受水文集合预报产品，更难应用到生产实践中去。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种设计合理、使用方便的分布式水文预报模型聚合系统。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：分布式水文预报模型聚合系统包含数据准备层、数据处理层、模型运行层、模型验证与校核层；所述数据准备层中设有土壤数据单元、植被数据单元、水利工程图单元、降水、气温和风速数据单元、数据属性链接表单元；所述数据处理层包含植被数据参数化单元、土壤数据参数化单元、气象数据参数化单元、农业管理措施参数化单元、水资源利用数据参数化单元；所述数据处理层中设有混合数据库单元；所述混合数据库单元与植被数据参数化单元、土壤数据参数化单元、气象数据参数化单元、农业管理措施参数化单元、水资源利用数据参数化单元的参数化数据单元连接，所述植被数据参数化单元、土壤数据参数化单元、气象数据参数化单元、农业管理措施参数化单元、水资源利用数据参数化单元与数据准备层中的各个单元相互对应；所述模型运行层中设有划分流域及提供水系单元、根据土壤、植被和坡度划分水文响应单元、生成模型运行文件和运行模型单元；所述划分流域及提供水系单元、根据土壤、植被和坡度划分水文响应单元、生成模型运行文件和运行模型单元之间相互对应；所述模型验证与校核层中设有参数优化和敏感性分析单元、调参和验证的单元、输出预报结果单元；其中调参和验证的单元、输出预报结果单元之间设有预报精度要求单元。
作为优选，所述数据准备层中设有水文集合前处理和集合数据同化处理两大模块。
作为优选，所述数据处理层中设有参数集合处理；水文集合后处理两大模块。
作为优选，所述模型运行层中设有虚拟运行模块、小区域运行模块以及相对应的运行结果分析模块；所述运行结果分析模块与模型验证与校核层相互配合。
作为优选，所述模型验证与校核层中调参和验证的单元操作完成后，通过预报精度要求单元进程核准，若符合要求则直接进入输出预报结果单元，若不符合要求，则重返上一层的参数优化和敏感性分析单元，循环。
作为优选，所述混合数据库单元中设有来水资料单元和历史资料单元。
作为优选，所述模型运行层中设有短期策略系统、中期策略系统和长期策略系统，所述短期策略系统、中期策略系统和长期策略系统与划分流域及提供水系单元、根据土壤、植被和坡度划分水文响应单元、生成模型运行文件和运行模型单元均相互对应。
作为优选，所述模型验证与校核层中设有预报系统、实时系统与延时系统，三者之间相互配合。
分布式仿真模拟技术最初用于军事上作战模拟，它可以将各个作战单元作为独立运算单元并和其他单元通过网络进行数据交互，完成模拟。通过该技术可以更真实地模拟客观世界的行为并高效地利用计算资源。在水文模拟系统中，运用该技术以小流域为模拟单元计算，小流域之间按上下游关系进行数据交互，进行大量小流域实时产汇流模拟计算，突破了ＨＥＣ－ＨＭＳ单机版及模拟场次洪水的限制，实现了分布式连续水文模拟计算，满足了山洪灾害预警预报对时效性的要求。
采用上述结构后，本发明有益效果为：本发明所述的一种分布式水文预报模型聚合系统，分析每个小流域的地貌单位线，作为小流域汇流计算的基础；对流域中的水库进行建模，使得本系统支持水库调蓄演算；自动分析查找历史洪水资料，并根据历史降雨资料构建数字雨量模型，同时计算该场洪水的前期影响雨量；进行分布式流域产汇流计算、河道演算及水库调蓄演算，对模型演算结果进行分析；用户可通过调整模型参数重新计算来进行参数交互式率定，同时可使用其他场次洪水对参数进行检验；生成分布式仿真平台运行所需的数据及模型参数；连接实时数据，进行流域洪水预报；暴雨频率分析。由于其采用完全相同的方法进行流域洪水演算，保证了分布式仿真平台的实际运行结果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的系统框图；
图2是本发明中模型验证与校核层的运作框图；
附图标记说明：
数据准备层10、数据处理层20、模型运行层30、模型验证与校核层40
土壤数据单元101、植被数据单元102、水利工程图单元103、降水、气温和风速数据单元104、数据属性链接表单元105
植被数据参数化单元201、土壤数据参数化单元202、气象数据参数化单元203、农业管理措施参数化单元204、水资源利用数据参数化单元205、混合数据库单元206；
划分流域及提供水系单元301、根据土壤、植被和坡度划分水文响应单元302、生成模型运行文件和运行模型单元303；
参数优化和敏感性分析单元401、调参和验证的单元402、输出预报结果单元403、预报精度要求单元404。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
参看如图1和图2所示，本具体实施方式的分布式水文预报模型聚合系统包含数据准备层10、数据处理层20、模型运行层30、模型验证与校核层40；所述数据准备层10中设有土壤数据单元101、植被数据单元102、水利工程图单元103、降水、气温和风速数据单元104、数据属性链接表单元105；所述数据处理层20包含植被数据参数化单元201、土壤数据参数化单元202、气象数据参数化单元203、农业管理措施参数化单元204、水资源利用数据参数化单元205；所述数据处理层中设有混合数据库单元206；所述混合数据库单元206与植被数据参数化单元201、土壤数据参数化单元202、气象数据参数化单元203、农业管理措施参数化单元204、水资源利用数据参数化单元205的参数化数据单元连接，所述植被数据参数化单元201、土壤数据参数化单元202、气象数据参数化单元203、农业管理措施参数化单元204、水资源利用数据参数化单元205与数据准备层10中的各个单元相互对应；所述模型运行层30中设有划分流域及提供水系单元301、根据土壤、植被和坡度划分水文响应单元302、生成模型运行文件和运行模型单元303；所述划分流域及提供水系单元301、根据土壤、植被和坡度划分水文响应单元302、生成模型运行文件和运行模型单元303之间相互对应；所述模型验证与校核层40中设有参数优化和敏感性分析单元401、调参和验证的单元402、输出预报结果单元403；其中调参和验证的单元403、输出预报结果单元403之间设有预报精度要求单元404。
其中，所述数据准备层中设有水文集合前处理和集合数据同化处理两大模块。所述数据处理层中设有参数集合处理；水文集合后处理两大模块。所述模型运行层中设有虚拟运行模块、小区域运行模块以及相对应的运行结果分析模块；所述运行结果分析模块与模型验证与校核层相互配合；所述模型验证与校核层中调参和验证的单元操作完成后，通过预报精度要求单元进程核准，若符合要求则直接进入输出预报结果单元，若不符合要求，则重返上一层的参数优化和敏感性分析单元，循环。所述混合数据库单元中设有来水资料单元和历史资料单元。所述模型运行层中设有短期策略系统、中期策略系统和长期策略系统，所述短期策略系统、中期策略系统和长期策略系统与划分流域及提供水系单元、根据土壤、植被和坡度划分水文响应单元、生成模型运行文件和运行模型单元均相互对应。所述模型验证与校核层中设有预报系统、实时系统与延时系统，三者之间相互配合。
本具体实施方式的分布式仿真模拟技术最初用于军事上作战模拟，它可以将各个作战单元作为独立运算单元并和其他单元通过网络进行数据交互，完成模拟。通过该技术可以更真实地模拟客观世界的行为并高效地利用计算资源。在水文模拟系统中，运用该技术以小流域为模拟单元计算，小流域之间按上下游关系进行数据交互，进行大量小流域实时产汇流模拟计算，突破了ＨＥＣ－ＨＭＳ单机版及模拟场次洪水的限制，实现了分布式连续水文模拟计算，满足了山洪灾害预警预报对时效性的要求。
本具体实施方式所述的一种分布式水文预报模型聚合系统，分析每个小流域的地貌单位线，作为小流域汇流计算的基础；对流域中的水库进行建模，使得本系统支持水库调蓄演算；自动分析查找历史洪水资料，并根据历史降雨资料构建数字雨量模型，同时计算该场洪水的前期影响雨量；进行分布式流域产汇流计算、河道演算及水库调蓄演算，对模型演算结果进行分析；用户可通过调整模型参数重新计算来进行参数交互式率定，同时可使用其他场次洪水对参数进行检验；生成分布式仿真平台运行所需的数据及模型参数；连接实时数据，进行流域洪水预报；暴雨频率分析。由于其采用完全相同的方法进行流域洪水演算，保证了分布式仿真平台的实际运行结果。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种分布式水文预报模型聚合系统，其特征在于：它包含数据准备层、数据处理层、模型运行层、模型验证与校核层；所述数据准备层中设有土壤数据单元、植被数据单元、水利工程图单元、降水、气温和风速数据单元、数据属性链接表单元；所述数据处理层包含植被数据参数化单元、土壤数据参数化单元、气象数据参数化单元、农业管理措施参数化单元、水资源利用数据参数化单元；所述数据处理层中设有混合数据库单元；所述混合数据库单元与植被数据参数化单元、土壤数据参数化单元、气象数据参数化单元、农业管理措施参数化单元、水资源利用数据参数化单元的参数化数据单元连接，所述植被数据参数化单元、土壤数据参数化单元、气象数据参数化单元、农业管理措施参数化单元、水资源利用数据参数化单元与数据准备层中的各个单元相互对应；所述模型运行层中设有划分流域及提供水系单元、根据土壤、植被和坡度划分水文响应单元、生成模型运行文件和运行模型单元；所述划分流域及提供水系单元、根据土壤、植被和坡度划分水文响应单元、生成模型运行文件和运行模型单元之间相互对应；所述模型验证与校核层中设有参数优化和敏感性分析单元、调参和验证的单元、输出预报结果单元；其中调参和验证的单元、输出预报结果单元之间设有预报精度要求单元。
2.根据权利要求1所述的一种分布式水文预报模型聚合系统，其特征在于：所述数据准备层中设有水文集合前处理和集合数据同化处理两大模块。
3.根据权利要求1所述的一种分布式水文预报模型聚合系统，其特征在于：所述数据处理层中设有参数集合处理；水文集合后处理两大模块。
4.根据权利要求1所述的一种分布式水文预报模型聚合系统，其特征在于：所述模型运行层中设有虚拟运行模块、小区域运行模块以及相对应的运行结果分析模块；所述运行结果分析模块与模型验证与校核层相互配合。
5.根据权利要求1所述的一种分布式水文预报模型聚合系统，其特征在于：所述模型验证与校核层中调参和验证的单元操作完成后，通过预报精度要求单元进程核准，若符合要求则直接进入输出预报结果单元，若不符合要求，则重返上一层的参数优化和敏感性分析单元，循环。
6.根据权利要求1所述的一种分布式水文预报模型聚合系统，其特征在于：所述混合数据库单元中设有来水资料单元和历史资料单元。
7.根据权利要求1所述的一种分布式水文预报模型聚合系统，其特征在于：所述模型运行层中设有短期策略系统、中期策略系统和长期策略系统，所述短期策略系统、中期策略系统和长期策略系统与划分流域及提供水系单元、根据土壤、植被和坡度划分水文响应单元、生成模型运行文件和运行模型单元均相互对应。
8.根据权利要求1所述的一种分布式水文预报模型聚合系统，其特征在于：所述模型验证与校核层中设有预报系统、实时系统与延时系统，三者之间相互配合。
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