CN112528462A - 一种基于动态响应曲线对主河道区间入流量修正的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于动态响应曲线对主河道历史时刻区间入流量修正的方法，首先通过传统洪水预报方法得到主河道的区间入流量，并进一步计算得到洪水断面的出流量，将洪水控制断面的计算流量数据和观测流量数据输入动态响应曲线，计算得到历史时刻主河道区间入流量的误差信息，用计算得到的误差信息更新历史时刻主河道的区间入流量，重新进行洪水计算，得到更新后的当前时刻和未来时刻的洪水预报结果。本发明公开了一种运用动态响应曲线修正主河道区间入流量的防洪预报技术，该方法具有一定的物流基础，修正后的预报流量过程稳定且不损失预见期，可以便捷的用于开展防洪预报工作。

Description

一种基于动态响应曲线对主河道区间入流量修正的方法
技术领域
本发明属于水文洪水预报技术领域，具体涉及一种基于动态响应曲线对主河道区间入流量修正的方法，从而提升未来时刻预报精度，具体为一种基于动态响应曲线对主河道区间入流量修正的防洪预报方法。
背景技术
洪水灾害是人类面临的最严重的自然灾害之一，每年洪水灾害的造成的受灾面之广，经济损失之大，严重威胁社会的平稳发展。洪水预报技术作为防洪决策系统的重要一环，承担着保障国计民生的重要作用，如何进一步提升现有的洪水预报精度，更大限度的降低洪水对人民生活财产的危险，迫切的需要不断开展防洪预报新技术的研发和应用。2012年包为民提出基于单位线反演的产流误差修正系统，这一系统可以较好的修正线性预报系统的结果误差。2013年司伟进一步发展了这一理论，并提出了应用于非线性系统产流误差修正的动态系统响应曲线。在洪水预报相关研究中，系统响应曲线在国内众多流域被专家学者所应用，并取得了较好的研究进展，研究成果被应用于水文模型的面平均降雨过程、产流过程、自由水蓄水量过程的误差修正。本发明通过将动态响应曲线这一修正算法，引入分布式水文模型，用于对河网汇流阶段主河道历史时刻区间入流量误差进行修正，从而提高模型整体对于未来时刻洪水的预报精度，从而解决了动态响应曲线在分布式水文模型中应用的关键技术，有助于提升防洪预报的准确性，增强管理机构决策的科学性。
发明内容
为了解决现有技术中洪水预报结果的精度不足，本发明提供一种基于动态响应曲线对主河道区间入流量修正的方法。
本发明的技术方案如下：一种基于动态响应曲线对主河道区间入流量修正的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
步骤1，确定流域主河道历史时刻和当前时刻各个河段的区间入流量的计算值以及防洪控制断面流量的计算值；
步骤2，确定洪水控制断面历史时刻和当前时刻的观测流量；
步骤3，将洪水控制断面的计算值和观测流量数据输入动态响应曲线，运用动态响应曲线方法计算出主河道历史时刻各个河段的区间入流量误差系列，更新历史时刻各个河段的区间入流量；
步骤4，运用更新后的各个河段的区间入流量，重新计算洪水控制断面当前和未来时刻的洪水出流量。
进一步，步骤1包括以下步骤：
A.选用当地验证有效的分布式水文模型；
B.运用分布式水文模型对当地流域进行概化，将主河道划分为多个河段；
C.运用洪水控制断面实测数据率定分布式水文模型的水文参数；
D.运用分布式水文模型计算主河道各个河段历史时刻和当前时刻的区间入流量。
E.运用分布式水文模型计算防洪控制断面历史时刻和当前时刻的出流量。
进一步，步骤2中：洪水控制断面具有洪水流量的实时观测数据，或者具有水位数据的实时观测数据以及相应的水位-流量关系曲线，可以实时换算得到流量数据。
进一步，步骤3中：需要选择动态运用多长的时间序列数据参与计算，以及需要更新多少个历史时刻的主河道的区间入流量误差，参与计算的时间序列数据长度L需要不少于计算后要更新的区间入流量误差序列长度n。应用历史洪水事件进行试算,历史预报过程中，洪水控制断面预报精度最高时对应的区间入流量误差系列长度，即为参加预报时选用的误差系列长度，参与计算的时间序列长度可与误差系列的长度保持一致。
进一步步骤4中：应使用步骤3计算得到的历史时刻主河道各个河段的区间入流量误差系列去更新历史时刻的对应数据，并重新计算水文模型得到洪水控制断面当前时刻和未来时刻的出流量。
本发明的特征在于，将系统响应曲线理论引入分布式模型主河道区间入流误差的修正过程，进一步用更新后的区间入流重新计算防洪控制断面的出流量，可以提高防洪系统对未来时刻的洪水的预报精度。
附图说明
图1为本发明一实施例的技术路线图；
图2为应用系统响应曲线(DSRC)对新安江(XAJ)模型区间入流误差修正前后未来一小时预报结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施示例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种基于动态响应曲线对主河道区间入流量修正的防洪预报方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
步骤1，确定流域主河道历史时刻和当前时刻各个河段的区间入流量的计算值系列以及防洪控制断面流量的计算值，区间入流量对应的计算值数据系列记为Qin,o，真实值系列记为Qin；
步骤2，确定洪水控制断面历史时刻和当前时刻的观测流量系列，对应的实测数据系列记为Q(Qin)，则
Q(Qin)＝f(Qin，X) (1)
式中：X为除了主河道区间入流以外的各系统要素；f(■)为汇流模型系统；
步骤3，运用动态响应曲线方法计算出主河道历史时刻各个河段的区间入流量误差系列，更新历史时刻各个河段的区间入流量，具体计算过程如下：
由水文模型系统对区间入流求微分，则防洪控制断面的流量过程可以表示为：
Figure BDA0002743338430000031
式中：Q(Qin,O)为在Qin,o的条件下防洪控制断面的计算流量；n为时间序列的长度。
假设应用动态系统响应曲线方法的动态系列长度为L，防洪控制断面流量过程的矩阵表达形式如下：
Q(Qin)＝Q(Qin,O)+UΔQin+ξ (3)
式中：Qin＝[Qin,1,Qin,2,Qin,3…Qin,n]T为主河道区间入流过程真实值系列；
Q(Qin)＝[Q1(Qin),Q2(Qin),Q3(Qin)…QL(Qin)]T为防洪控制断面流量观测值系列；
Q(Qin,o)＝[Q1(Qin,o),Q2(Qin,o),Q3(Qin,o)…QL(Qin,o)]T为由区间入流计算值运算得到的防洪控制断面流量计算值系列；
ΔQin＝[ΔQin,1,ΔQin,2,ΔQin,3…ΔQin,n]T为主河道区间入流误差的估计值；
ξ＝[ξ1,ξ2,ξ3…ξL]T为防洪控制断面流量观测值的白噪声随机误差；
U为动态系统响应矩阵。
U的表达式如下：
Figure BDA0002743338430000041
U中的各项微分式Uij可以用在无修正情况下的河段区间入流系列Qi(Qin,1,…,Qin,j,…)，对应j时刻增加一个微小的ΔQin,j，重新计算得到的结果与原先结果的线性差分式近似替代，公式如下：
Figure BDA0002743338430000042
因为j时刻的流量变化只与当前及过去的区间入流有关，所以当i<j时：
Figure BDA0002743338430000043
为简化计算，假定主河道各河段子单元的区间入流误差相等，不再对每一个区间入流流量单独构建系统响应方程，对式(3)作最小二乘估计，则主河道各河段区间入流平均误差如下：
ΔQin＝(UTU)-1UT(Q(Qin)-Q(Qin,O)) (7)
步骤4，运用更新后的各个河段的区间入流量△Qin，重新计算洪水控制断面当前和未来时刻的洪水出流量。
如图1所示，本发明提供了一种基于动态响应曲线(DSRC)对主河道历史时刻区间入流量进行修正，从而提升未来时刻预报精度的技术。任选一个使用分布式水文模型的流域(新吴溪流域)作为范例。
步骤1：确定流域主河道历史时刻和当前时刻各个河段的区间入流量的计算值以及防洪控制断面流量的计算值，包括以下具体步骤。
1)选用当地验证有效的新安江(XAJ)水文模型
2)运用新安江(XAJ)水文模型对当地流域进行概化，将主河道划分为多个河段；
3)运用洪水控制断面实测数据率定分布式水文模型的水文参数；
4)运用新安江模型计算主河道各个河段历史时刻和当前时刻的区间入流量。
5)运用新安江(XAJ)模型计算防洪控制断面历史时刻和当前时刻的出流量。
步骤2，确定洪水控制断面历史时刻和当前时刻的观测流量，新吴溪流域的防洪控制断面为三滩水文站，具有多年实测流量数据。
步骤3，运用动态响应曲线(DSRC)方法计算出主河道历史时刻各个河段的区间入流量误差系列，更新历史时刻各个河段的区间入流量；选用最近6小时的数据序列作为动态数据序列，选用2小时作为各河段区间入流误差的修正时长。应用动态响应曲线(DSRC)方法计算得到主河道各河段区间平均入流误差序列。
步骤4，通过计算得到的区间入流误差序列更新历史时刻的区间入流，应用更新后的各河段区间入流量，重新计算洪水控制断面当前和未来时刻的洪水出流量。
采用本发明技术对修正后的未来6小时预报结果的精度与原始预报结果的精度进行对比，对比数据如下：
应用动态响应曲线修正算法前后洪水预报精度对比一览表
Figure BDA0002743338430000051
通过对比结果可知，运用动态响应曲线方法修正后，平均径流深误差和平均峰现时差在所有预见期情况下均有所减少，平均洪峰误差在预见期为1-4小时情况下均有所减少，同时所有预见期情况下平均纳什效率系数均有所提升，说明修正后预报的精度有所提升。预见期取3小时即对未来3小时的预报结果如图所示，也反映了本发明的技术可以明显提升预报的精度。
以上内容显示与描述了本发明的基本原理、主要特征及其优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例及附图的限制，上述实施例与说明书中所描述内容仅说明本发明的原理，在不脱离本发明精神与范围前提下，本发明会有各种改进与变化，这些改进与变化都落入本发明要求保护的范围内，同时本行业技术人员在不付出创造性劳动前提下可获得更多实施方式，这些不付出创造性劳动的前提下获得的实施方式均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于动态响应曲线对主河道区间入流量修正的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
步骤 1，确定流域主河道历史时刻和当前时刻各个河段的区间入流量的计算值以及防洪控制断面流量的计算值；
步骤 2，确定洪水控制断面历史时刻和当前时刻的观测流量；
步骤 3，将洪水控制断面的计算值和观测流量数据输入动态响应曲线，运用动态响应曲线方法计算出主河道历史时刻各个河段的区间入流量误差系列，更新历史时刻各个河段的区间入流量；
步骤 4，运用更新后的各个河段的区间入流量，重新计算洪水控制断面当前和未来时刻的洪水出流量。
2.如权利要求 1 所述的方法，其特征在于步骤 1 包括以下步骤：
A. 选用当地验证有效的分布式水文模型；
B. 运用分布式水文模型对当地流域进行概化，将主河道划分为多个河段；
C. 运用洪水控制断面实测数据率定分布式水文模型的水文参数；
D. 运用分布式水文模型计算主河道各个河段历史时刻和当前时刻的区间入流量；
E. 运用分布式水文模型计算防洪控制断面历史时刻和当前时刻的出流量。
3.如权利要求 1 所述的方法，其特征在于步骤 2 中：洪水控制断面具有洪水流量的实时观测数据，或者具有水位数据的实时观测数据以及相应的水位-流量关系曲线，可以实时换算得到流量数据。
4.如权利要求 1 所述的方法，其特征在于步骤 3 中，需要选择运用多长的时间序列数据参与计算，以及需要更新多少个历史时刻的主河道的区间入流量误差，参与计算的动态数据序列长度需要不少于计算后要更新的区间入流量误差序列长度，应用历史洪水事件进行试算, 历史预报过程中，洪水控制断面预报精度最高时对应的区间入流量误差系列长度，即为参加预报时选用的误差系列长度， 参与计算的时间序列长度可与误差系列的长度保持一致。
5.如权利要求 1 所述的方法，其特征在于步骤 4 中，使用步骤 3 计算得到
的历史时刻主河道各个河段的区间入流量误差系列去更新历史时刻的对应数据， 并重新计算得到洪水控制断面当前时刻和未来时刻的出流量。
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