CN109298468A - 一种降雨径流及河川水位流量预报决策支持系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降雨径流及河川水位流量预报决策支持系统，所述系统包括降雨径流计算模块，用于通过水筒降雨径流模型对不同集水区进行降雨径流演算；数据库，用于存储水筒降雨径流模型的参数、降雨径流计算模块的演算结果，以及不同时刻各雨量站观测的降雨量；实时预报模块，用于实时预报各个时刻的降雨径流及河川水位流量；情景预报模块，用于根据情景调整预报结果。本发明通过水筒降雨径流模型更新降雨径流，模拟降雨径流过程，对降雨径流进行预报，并将降雨径流作为水动力模型的输入条件，计算速度快，程序响应迅速。本发明将降雨径流及河川水位流量计算结果分为实时预报和情景预报，能够为防汛单位提供充分的时间准备防灾事宜。

Description

一种降雨径流及河川水位流量预报决策支持系统

技术领域

本发明涉及降雨径流模拟技术领域，特别涉及一种降雨径流及河川水位流量预报决策支持系统。

背景技术

洪水预报是防洪非工程措施(Non-Structural Measurement)之一，它是一项水利科学理论与实务的整合应用，需要利用数学、物理、数值分析、水文学、计算程序设计等理论，且需充分了解流域的水文水理、河道整治等实务状况。洪水预报的作业方式，是在洪水期间藉由实时降雨观测及预测等数据通过降雨径流等模型，计算各河道断面位置的水位及流量，以提供防汛作业的参考依据。

现有技术中以河道水动力模型为核心，利用分布型降雨径流模型，将实时降雨观测及预报数据，计算各子集水区出流量，再取得水库泄洪及出海口的潮汐预报等数据，模拟并预报全流域的水文水理现象。

然而，现有的降雨径流模型中，计算过程复杂，程序响应缓慢，难以应对突发降雨造成的洪水灾害，洪水预警效率低，影响防灾决策的时效，缺乏充分的时间准备防灾事宜。

因此，为了解决上述技术问题，需要一种降雨径流计算快、程序响应迅速的降雨径流及河川水位流量预报决策支持系统及降雨径流预报方法。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种降雨径流及河川水位流量预报决策支持系统，所述系统包括降雨径流计算模块，用于通过水筒降雨径流模型对不同集水区进行降雨径流演算；

数据库，用于存储水筒降雨径流模型的参数、降雨径流计算模块的演算结果、各个时刻河川水位流量，以及不同时刻各雨量站观测的降雨量；

实时预报模块，用于实时预报各个时刻的降雨径流及河川水位流量；

情景预报模块，用于根据情景调整预报结果。

优选地，所述水筒降雨径流模型包括上层水筒和下层水筒，

所述上层水筒开设上层第一孔口，上层第二孔口和上层筒底孔口，所述下层水筒开设下层第一孔口，下层第二孔口和下层筒底孔口。

优选地，通过水筒降雨径流型对不同集水区进行降雨径流演算过程包括如下指令：

(1)获取水筒降雨径流模型的参数、初始水筒水深和集水区面积；

(2)根据集水区降雨量更新水筒水深、上层水筒各个孔口的出流量和下层水筒各个孔口的出流量，将更新后的降雨径流演算结果存储至数据库；

(3)判断是否完成所有时刻的降雨径流演算，若否，则返回步骤(2)进行下一时刻的降雨径流演算，若是，则完成降雨径流演算。

本发明的另一个方面在于提供一种降雨径流实时预报方法，所述方法包括如下方法步骤：

a)设定降雨预报的起始时刻T和降雨预报的时数D，

b)从数据库中读取T-1时刻的水筒各层水深和各个水筒孔口的出水量，以及T时刻的雨量站的观测雨量；

c)通过水筒降雨径流模型对集水区进行降雨径流演算，生成时刻T至时刻T+D每一时刻的水筒各层水深和各个水筒孔口的出水量，将演算结果存入数据库中；

d)将步骤c)中得到的演算结果生成相应的曲线，对降雨径流进行实时预报。

优选地，所述水筒降雨径流模型包括上层水筒和下层水筒，

所述上层水筒开设上层第一孔口，上层第二孔口和上层筒底孔口，所述下层水筒开设下层第一孔口，下层第二孔口和下层筒底孔口。

优选地，通过水筒降雨径流型对不同集水区进行降雨径流演算包括如下步骤：

(1)获取水筒降雨径流模型的参数、初始水筒水深和集水区面积；

(2)根据集水区降雨量更新水筒水深，更新水筒水深、上层水筒各个孔口的出流量和下层水筒各个孔口的出流量，将更新后的降雨径流演算结果存储至数据库；

(3)判断是否完成所有时刻的降雨径流演算，若否，则返回步骤(2)进行下一时刻的降雨径流演算，若是，则完成降雨径流演算，水筒降雨径流模型计算结果，将作为河川水动力模型的输入条件。

本发明的再一个方面在于提供一种降雨径流预报方法，所述方法包括如下方法步骤：

1)设定降雨预报时刻T，

2)从数据库中读取T-1时刻的水筒各层水深和各个水筒孔口的出水量，以及T时刻雨量站的观测雨量；

3)通过水筒降雨径流模型对集水区进行降雨径流演算，生成时刻T的水筒各层水深和各个水筒孔口的出水量，将演算结果存入数据库中；

4)将演算结果与观测结果比较，修改该演算结果。

优选地，所述水筒降雨径流模型包括上层水筒和下层水筒，

所述上层水筒开设上层第一孔口，上层第二孔口和上层筒底孔口，所述下层水筒开设下层第一孔口，下层第二孔口和下层筒底孔口。

优选地，通过水筒降雨径流型对不同集水区进行降雨径流演算包括如下步骤：

(1)获取水筒降雨径流模型的参数、初始水筒水深和集水区面积；

(2)根据集水区降雨量更新水筒水深，更新水筒水深、上层水筒各个孔口的出流量和下层水筒各个孔口的出流量，将更新后的降雨径流演算结果存储至数据库；

(3)判断是否完成所有时刻的降雨径流演算，若否，则返回步骤(2)进行下一时刻的降雨径流演算，若是，则完成降雨径流演算，水筒降雨径流模型计算结果，将作为河川水动力模型的输入条件。

本发明通过水筒降雨径流模型更新降雨径流，模拟降雨径流过程，对降雨径流进行预报，计算速度快，程序响应迅速。本发明将降雨径流计算结果分为实时预报和情景预报，能够为防汛单位提供充分的时间准备防灾事宜。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出了本发明一种降雨径流及河川水位流量预报决策支持系统的结构框图。

图2示出了本发明水筒降雨径流模型的结构概念示意图。

图3示出了本发明水筒降雨径流模型进行降雨径流演算的流程图。

图4示出了本发明一种降雨径流实时预报方法的流程图。

图5示出了本发明一种降雨径流预报方法的流程图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例，相关技术术语应当是本领域技术人员所熟知的。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤，除非另有说明。下面通过具体的实施例对本发明的内容进行详细说明，首先对本发明的一种降雨径流及河川水位流量预报决策支持系统进行说明，如图1所示本发明一种降雨径流及河川水位流量预报决策支持系统的结构框图，根据本发明的实施例，一种降雨径流及河川水位流量预报决策支持系统包括降雨径流计算模块101、数据库102、实时预报模块103和情景预报模块104。

降雨径流计算模块101内嵌入水筒降雨径流模型，用于通过降雨径流模型对不同集水区进行降雨径流演算。

数据库102，用于存储水筒降雨径流模型的参数、降雨径流计算模块的演算结果、各个时刻河川水位流量，以及不同时刻各雨量站观测的降雨量。

实时预报模块103，用于实时预报各个时刻的降雨径流及河川水位流量。

情景预报模块104，用于根据情景调整预报结果。如图2所示本发明水筒降雨径流模型的结构概念示意图，本发明将降雨径流的入渗过程和地下水径流过程通过水筒降雨径流模型进行模拟演算，水筒降雨径流模块包括上层水筒200和下层水筒300。

上层水筒200开设上层第一孔口，上层第二孔口和上层筒底孔口，下层水筒300开设下层第一孔口，下层第二孔口和下层筒底孔口。水筒降雨径流模型的参数包括：上层水筒第一孔口高度h1，上层水筒第二孔口高度h2，下层水筒第一孔口高度h3，以及上层第一孔口系数a1，上层第二孔口系数a2，上层筒底孔口系数a3，下层第一孔口系数b1，下层第二孔口系数b2和下层筒孔口系数b3。

如图3所示本发明水筒降雨径流模型进行降雨径流演算的流程图，通过水筒降雨径流型对不同集水区进行降雨径流演算，实施例中以一个集水区为例，通过水筒降雨径流模型进行降雨径流演算过程包括如下指令。

步骤S101、获取水筒降雨径流模型的参数、初始水筒水深和集水区面积。初始水筒水深包括上层水筒水深H1和下层水筒水深H2。

步骤S102、根据集水区降雨量更新水筒水深、上层水筒各个孔口的出流量和下层水筒各个孔口的出流量，将更新后的降雨径流演算结果存储至数据库。

实施例中，雨量站观测的集水区第i时刻的降雨量为Ri，上层水筒在第i时刻的水深更新为Hi＝H1+Ri。

上层水筒第一孔口出水量为Q11＝a1×max(H1’-h1,0)。

上层水筒第二孔口出水量为Q12＝a2×max(H1’-h2,0)。

上层水筒筒底孔口出水量为Q13＝a3×H1’。

对于下层水筒更新后的水深H2’＝H2+Q13。

下层水筒第一孔口出水量为Q21＝b1×max(H2’-h3，0)。

下层水筒第二孔口出水量为Q22＝b2×H2’。

下层水筒筒底孔口的出水量为Q23＝b3×H2’。

经过上述降雨径流演算，完成i时刻降雨径流的更新，即完成了上层水筒水深，下层水筒水深，上层水筒各个出水孔口的出水量和下层水筒各个出水孔口的出水量的更新。完成降雨径流演算更新后，将i时刻的更新结果存储在数据库中，进行下时刻(i+1时刻)的降雨径流演算。

需要说明的是，在i+1时刻降雨径流演算时，水筒上层和水筒下层水深以第i时刻演算结果为基础进行水筒水深更新。

步骤S103、判断是否完成所有时刻的降雨径流演算，若否，则返回步骤S102进行下一时刻的降雨径流演算，若是，则完成降雨径流演算，水筒降雨径流模型计算结果，将作为河川水动力模型的输入条件。完成降雨径流演算后，将每一时刻的演算结果存储在数据库中。河川水动力模型演算完成后，将各个时刻河川水位流量存储在数据库中。

本发明通过上述水筒降雨径流模型进行演算，程序运算过程中只有加减乘三中运算，計算速度极为快速，程序响应非常迅速。而且演算过程没有用到除法，也避免了除法分母为零发散的情况。

根据本发明，降雨径流预报通过实施预报模块103和情景预报模块104对降雨径流分情况进行预报。如图4所示本发明一种降雨径流实时预报方法的流程图，一个实施例中，一种降雨径流实时预报方法所述方法包括如下方法步骤：

步骤S201、设定降雨预报的起始时刻T和降雨预报的时数D。例如计划从午夜0点点开始预报(T＝0)，预报未来24小时(D＝24)的降雨径流。设定起始预报时间T＝0，降雨预报时数D＝24。

步骤S202、从数据库102中读取T-1时刻的水筒各层水深和各个水筒孔口的出水量，以及T时刻的雨量站的观测雨量。从数据库102中读取前一日晚上11点的水筒上层水深、水筒下层水深和各个水筒空口子出水量，以及起始预报时间T＝0时刻的雨量站的观测降雨量，将读取的数据传输至降雨径流计算模块101进行演算。

步骤S203、通过水筒降雨径流模型对集水区进行降雨径流演算，生成时刻T至时刻T+D每一时刻的水筒各层水深和各个水筒孔口的出水量，将演算结果存入数据库中。本实施例中，通过水筒降雨径流演算模型，生成时刻T＝0至时刻T＝T+D＝24期间的每一时刻的水筒各层水深(水筒上层水深和水筒下层水深)和各个水筒孔口的出水量，并将演算结果存储至数据库102。

步骤S204、实时预报模块103从数据库中获取步骤S203中得到的演算结果生成相应的曲线，对降雨径流进行实时预报(24小时)。

对于水筒降雨径流模型以及水筒降雨径流模型的演算过程在上文中已经详细阐释，这里不再赘述。

根据本发明一个实施例中情景预报模块104对降雨径流分情况进行预报，如图5所示本发明一种降雨径流预报方法的流程图，一种降雨径流预报方法包括如下方法步骤：

步骤S301、设定降雨预报时刻T，例如设定预报降雨的时刻为中午12点(T＝12)。

步骤S302、从数据库中读取T-1时刻的水筒各层水深和各个水筒孔口的出水量，以及T时刻雨量站的观测雨量。从数据库102中读取上午11点的水筒上层水深、水筒下层水深和各个水筒空口子出水量，以及起始预报时间T＝12时刻的雨量站的观测降雨量，将读取的数据传输至降雨径流计算模块101进行演算。

步骤303、通过水筒降雨径流模型对集水区进行降雨径流演算，生成时刻T的水筒各层水深和各个水筒孔口的出水量，将演算结果存入数据库中。本实施例中，通过水筒降雨径流演算模型，生成时刻T＝12至时刻的水筒各层水深(水筒上层水深和水筒下层水深)和各个水筒孔口的出水量，并将演算结果存储至数据库102。

步骤S304、情景降雨预报模块104从数据库102中获取T＝12时刻的降雨径流演算结果，将演算结果与观测结果比较，并修改该演算结果。

本发明通过水筒降雨径流模型更新降雨径流，模拟降雨径流过程，对降雨径流进行预报，计算速度快，程序响应迅速。本发明将降雨径流计算结果分为实时预报和情景预报，能够为防汛单位提供充分的时间准备防灾事宜。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (9)

1.一种降雨径流及河川水位流量预报决策支持系统，其特征在于，所述系统包括降雨径流计算模块，用于通过水筒降雨径流模型对不同集水区进行降雨径流演算；

数据库，用于存储水筒降雨径流模型的参数、降雨径流计算模块的演算结果、各个时刻河川水位流量，以及不同时刻各雨量站观测的降雨量；

实时预报模块，用于实时预报各个时刻的降雨径流及河川水位流量；

情景预报模块，用于根据情景调整预报结果。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水筒降雨径流模型包括上层水筒和下层水筒，

所述上层水筒开设上层第一孔口，上层第二孔口和上层筒底孔口，所述下层水筒开设下层第一孔口，下层第二孔口和下层筒底孔口。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，通过水筒降雨径流型对不同集水区进行降雨径流演算过程包括如下指令：

(1)获取水筒降雨径流模型的参数、初始水筒水深和集水区面积；

(2)根据集水区降雨量更新水筒水深、上层水筒各个孔口的出流量和下层水筒各个孔口的出流量，将更新后的降雨径流演算结果存储至数据库；

(3)判断是否完成所有时刻的降雨径流演算，若否，则返回步骤(2)进行下一时刻的降雨径流演算，若是，则完成降雨径流演算，水筒降雨径流模型计算结果，将作为河川水动力模型的输入条件。

4.一种降雨径流实时预报方法，其特征在于，所述方法包括如下方法步骤：

a)设定降雨预报的起始时刻T和降雨预报的时数D，

b)从数据库中读取T-1时刻的水筒各层水深和各个水筒孔口的出水量，以及T时刻的雨量站的观测雨量；

c)通过水筒降雨径流模型对集水区进行降雨径流演算，生成时刻T 至时刻T+D每一时刻的水筒各层水深和各个水筒孔口的出水量，将演算结果存入数据库中；

d)将步骤c)中得到的演算结果生成相应的曲线，对降雨径流进行实时预报。

5.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述水筒降雨径流模型包括上层水筒和下层水筒，

所述上层水筒开设上层第一孔口，上层第二孔口和上层筒底孔口，所述下层水筒开设下层第一孔口，下层第二孔口和下层筒底孔口。

6.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，通过水筒降雨径流型对不同集水区进行降雨径流演算包括如下步骤：

(1)获取水筒降雨径流模型的参数、初始水筒水深和集水区面积；

(2)根据集水区降雨量更新水筒水深，更新水筒水深、上层水筒各个孔口的出流量和下层水筒各个孔口的出流量，将更新后的降雨径流演算结果存储至数据库；

(3)判断是否完成所有时刻的降雨径流演算，若否，则返回步骤(2)进行下一时刻的降雨径流演算，若是，则完成降雨径流演算，水筒降雨径流模型计算结果，将作为河川水动力模型的输入条件。

7.一种降雨径流预报方法，其特征在于，所述方法包括如下方法步骤：

1)设定降雨预报时刻T，

2)从数据库中读取T-1时刻的水筒各层水深和各个水筒孔口的出水量，以及T时刻雨量站的观测雨量；

3)通过水筒降雨径流模型对集水区进行降雨径流演算，生成时刻T的水筒各层水深和各个水筒孔口的出水量，将演算结果存入数据库中；

4)将演算结果与观测结果比较，修改该演算结果。

8.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述水筒降雨径流模型包括上层水筒和下层水筒，

所述上层水筒开设上层第一孔口，上层第二孔口和上层筒底孔口，所述下层水筒开设下层第一孔口，下层第二孔口和下层筒底孔口。

9.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，通过水筒降雨径流型对不同集水区进行降雨径流演算包括如下步骤：

(1)获取水筒降雨径流模型的参数、初始水筒水深和集水区面积；

(2)根据集水区降雨量更新水筒水深，更新水筒水深、上层水筒各个孔口的出流量和下层水筒各个孔口的出流量，将更新后的降雨径流演算结果存储至数据库；

(3)判断是否完成所有时刻的降雨径流演算，若否，则返回步骤(2)进行下一时刻的降雨径流演算，若是，则完成降雨径流演算，水筒降雨径流模型计算结果，将作为河川水动力模型的输入条件。