分布式洪水预报模型系统及应用_IT168文库

洪水实时校正
水库调度计算
P22
四、密云洪水预报系统
P23
系统功能
雨水情查询
洪水分析
洪水预报 水库调度
P24
雨水情查询
P25
雨水情查询
P26
雨水情查询——反推入库
P27
雨水情查询——趋势分析
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洪水分析
自动挑选洪水
洪水分析
P29
实时洪水预报
P30
历史洪水回顾预报
P31
模型参数优化
EasyDHM 水文模 拟模块 输入 二元水循环模拟 输出 模拟用户界面 模型计算 参数 模拟方案管理 水文气象数 据整编模块 水文预 报数据 库 实时 雨水 情数 据库 整编 雨水 情数 据库 水利工 程信息 数据库 气象 情数 据库 参数 数据 库 模拟 方案 数据 库 实时水文数据管理 工程信息管理 模型参数管理 模拟结果管理 计算单元 参数推求 模块 建 模 用 户 界 面 计算单元 划分模块 基于 DEM 的水 文分 析模 块 水文站 编辑模 块 子流域参 数推求模 块 子流域划 分模块 内存对象 方案信息 水文数据 工程信息 参数 计算结果
分布式洪水预报模型系统 开发及应用
中国水利水电科学研究院 雷晓辉 廖卫红
P1
一、洪水预报系统需求
P2
洪水预报中的实际问题
洪量预报已经不能满足实际需求，需要给出预洪水过程的精细报；
流域情况不断发生变化，旧的参数在实时预报中可能不再满足需求，需
不断率定参数； 流域中水库等拦水建筑物的修建，改变了洪水的天然演进过程，水库的 调度过程主要受人工控制，很难通过参数来反映； 洪水预报有专门的用户对象，随着技术手段的发展和人们需求的增长， 洪水预报系统有很多新的需求，需不断完善…… 为解决上述问题，基于课题组已开发的分布式水文模型，结合用户的 新需求，开发出了一套分布式洪水预报系统，并在密云水库等流域进行 了应用验证。
P13
EasyDHM模型应用案例
• 洪水预报
研究流域、区域 支撑课题
1
2 3 4 5 6 7
嫩江流域
漳卫河流域 太湖流域山丘区 汾河流域 三峡库区 第二松花江项目 密云水库上游流域
横向“嫩江右侧支流洪水预报系统建设”
水利部公益项目“漳卫河” 水利部公益项目“太湖” 山西省防洪体系研究项目 十一五科技支撑计划“三峡” 水利部公益项目“第二松花江” 横向“密云水库防洪调度”
雨洪数据分析
洪水预报主要用于洪水预警，并支撑洪水的调度决策。因此，在进行洪 水预报时应相应给出预报洪水的频率、级别等信息。
历史暴雨、洪水逐年统计分析： 最大一日、三日、五日、七日降雨量； 最大洪峰，一日、三日、五日、七日 洪量； 各统计量趋势分析 各统计量频率分析，PIII曲线参数推求 根据洪水预报结果分析预报洪水的发 生频率及级别
雨情数据：
统计各计算时段的累计降雨，并与日雨量进 行互相校正；
流量数据：
根据实测时段值插值得出各计算时段的流量 值，无时段数据则由日均流量插补；
水库入库数据：
根据出库流量数据及水量平衡关系反推； 气象数据： 采用多年平均值。
P19
降雨自适应空间展布技术
洪水主要由降雨驱动而出，洪水预报 与降雨数据的相关性非常大。应能自动过 滤缺测站点，充分使用已有的信息。
P12 2
1
EasyDHM模型应用案例
• 水文模拟
研究流域、区域 1 2 3 4 5 6 7 8 长江上游流域 汉江流域 中线受水区（海河、淮河、黄河下游） 渭河流域 第二松花江流域 珠江流域（西江、北江） 三峡库区 密云水库上游流域 支撑课题 十一五科技支撑计划“三峡” 十一五科技支撑计划“中线” 十一五科技支撑计划“中线” 十一五科技支撑计划“黄河” 水利部公益项目“二松” 水专项“珠江” 水专项“三峡” 863“自来水”
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水库调度
1. 创建方案： 选择调度水库 选择该水库入库预报或设计入库过程 根据入库序列自动生成调度计算时间 2. 方案配置： 自动读取实时水位、蓄量等初始信 息，无实时数据默认为汛限水位及 相应库容，用户也能自行设置 能选择不同的调度运行方式，支持 用户定制，为不同水库编制不同的 调度运行方式。
参数优化
地下水参数
目标函数：洪峰误差、洪量误差、 峰现时间误差、Nash系数等
汇 流 参 数
序号 1 2 3 4
意义 子流域主河道坡度修正系数 子流域主河道长度修正系数 子流域主河道曼宁糙率系数修正系数 子流域主河道河床底板导水系数修正系数
下限 0.1 0.5 0.1 0.1
上限 10 20 500 10
forDBC
模型计算
方案id 参数
模拟方案管理
forDBC
forDBC
历史水文数据管理 工程信息管理 模型参数管理 模拟结果管理
水文 模拟 数据 库
历史 水文 数据 库
整编 水文 数据 库
水利工 程信息 数据库
气象 情数 据库
参数 数据 库
模拟 方案 数据 库
建 模 用 户 界 面
水 文 气 象 数 据 整 编 模 块
站点 子流域 2 3 1 4 5
Fra Baidu bibliotek
计算效率显著提高！
①计算栅格对站点距离 排序矩阵
站点
子流域 0.29 0.11 0.15 0.38 0.07
②子流域对站点权重 矩阵取代栅格插值
站点
子流域 0.11 0.33 0.49 0.07
保持原有计算精度！
③根据实时站点信息自 适应更新权重矩阵
数据缺失站点
P20
按重现期来区分洪水等级 • 小于5年：小洪水
• 5-20年：中洪水
• 20-50年：大洪水 • 大于50年：特大洪水。
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业务定制
采用模块化的编程思想，模型功能都封装为不同的模 块，可以根据用户的需求定制不同的功能。比如：
雨水情查询系统
历史洪水回顾预报 水文参数自动率定 假拟降水设置 挑选历史洪水 长系列数据整编 数据导入导出 输出报表
0.31
参数优化 过程
复合形交叉
0.3
目标值 Pareto Front
0.29
0.28
枯水流量
0.27
0.26
局部 最优
全局 最优
0.25
0.24
0.23
进化
0.22
0.16
0.18
0.2
0.22
0.24
0.26
0.28
洪峰流量
二目标均衡寻优：Pareto前沿
P11
出版论著
模型主页：www.EasyDHM.net
根据生成的河网划分模型空间单元， 每个小河段的控制范围为一个子流 域，每个水文站独立控制的子流域 合成一个分区，统一率定参数。
P6
空间单元——内部单元划分
子流域边界
主河道
a）子流域
b）子流域内等流时带
c）子流域内等高带
d）子流域内HRU
P7
EasyDHM模型产汇流模拟
蒸腾 降水 冠层截留 蒸发
土壤调蓄 地下调蓄 蒸散发 降雨
实际蒸发 湿度、风速 温度、辐射
产流
冠层截留 植被冠层过程模拟
降雨
冠层截留 地表调蓄 河 网 调 蓄
潜在蒸发计算 积雪/融雪过程模拟
净雨 地表填洼 地表过程模拟 入渗量
地表径流
下渗 壤中流
坡面流
土壤水
分层土壤含水量
径流
土壤水过程模拟 壤中流 土壤温度计算
分层土壤温度 分层土壤冻结水量
河流 基流
地下水
P3
二、分布式水文模型
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分布式水文模型EasyDHM
• 分区 • 子流域 • 内部单元 • 参数推求 • 敏感性分析 • 参数优化
空间 单元 核心 模拟
• 产流模拟 • 汇流模拟 • 水库调度
模型 参数 数据 准备
• 气象数据 • 雨量数据 • 水文数据
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空间单元——河网提取及编码技术
PGSDM方法（Pfafstetter coding system based General Sub-basin Delineation Method）的基础是 Pfafstetter编码。其通用性主要体现在以下几个方面： 适用于各种基于子流域空间离散的分布式水文模 型。 支持多出口点、多入口点的流域，包括：一般的 简单流域、复杂流域、区域等； 实现平原区狭长子流域的加密，从而可以详细的 描述平原区水循环过程； 可以精确定位水文站、水库的位置，从而可以更 加准确的描述这些节点的水文过程； 该子流域划分方法可以实现对海岸线的简化处理 ，从而实现对出口点众多的流域进行快速、准确 的划分。
下限 1 0.1 0.5 0.5 0.5 0 0 10 0.8 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0.4
上限 100 10 3 3 3 2 1 50 100 1.5 1.2 1.5 1.5 1.5 200 1 0.83
参数敏感性分析
地表参数
产 流 参 数
挑选出敏感参数
土壤参数
4 5 6 7 8 1 2 3
P33
水库调度结果展示
调度结果
水库泄流结果
P34
谢谢！
P35
P14
成果应用流域
松花江区
辽河区
北京
西北诸河区
_ ^
海河区 黄河区 西南诸河区 淮河区
已在长江流域、黄河流域、 海河流域、松辽流域、珠江 流域以及新疆马勒斯流域取 得了成功应用。
西南诸河区
长江区 东南诸河
东南诸河 珠江区
珠江区
P15
三、洪水预报系统开发
P16
预报系统的数据流
不同于水文模拟，洪水预报不仅要求足够高的精度，计算效率也尤为重要， 洪水预报系统中降水、水文、气象以及模型参数等数据繁多，设计这些数据在 系统中的存储、转化等流转过程也尤为重要。
冻土/冻融过程模拟 渗漏量 地下水过程模拟
地下径流
汇流 1. 运动波 2. 扩散波 3. 马斯京干法 ……
b）子流域内等流时带
8
地下水位
总径流
P8
模型参数
类型 序号 1 2 3 4 5 6 1 2 3 名称 CN2 UnitSlopeM LaiMaxM DepressM ItcmaxM ImpM Solzcoe(i) Tdrain ConductM(i) PorosityM FieldCapM PoreIndexM RootDpthM Sol_crkM gwdelay alphabf Dep_impM
计算单元 参数推求 模块 计算单元 划分模块 基于 DEM 的水 文分 析模 块 水文站 编辑模 块
子流域参 数推求模 块 子流域划 分模块
土壤数据 处理模块
水库编 辑模块
土地利用 数据处理 模块
P18
雨水情数据实时整编
预报系统能直接读取实时水雨情数据库，并进行数据实时整编，为模型 计算提供数据准备。
P9
RS
敏 1.0 感 度
2.0 3.0
0.0
CH_S2M
CH_L2M CH_N2M
Sno50cov
CN2
LaiMaxM
ItcmaxM Imp M
Dep ressM
敏感参数
FieldCapM
UnitSlopeM
分析参数对模型结果的敏感性 筛选出主参数进行优化
PorosityM CondlyM(1)
土壤数据 处理模块
水库编 辑模块
土地利用 数据处理 模块
P17
数据库版本的开发
随着水利信息化事业的推进，各单位逐步开始使用数据库管理水文相关数 据，因此为配合用户的使用需求和习惯，课题组对原有模型进行了改造，开发 了数据库版本的模拟预报系统。
输入
二元水循环模拟
模拟用户界面
输出
EasyDHM 水文模 拟模块
名称 CH_S2M CH_L2M CH_N2M CH_K2M
意义 土壤处于平均含水量时的 SCS 曲线参数 计算单元坡度修正系数 最大叶面积指数修正系数 地表填洼能力修正系数 最大冠层截留能力修正系数 不透水面积比例修正系数 第 i 层土壤深度占总土壤层 深度比例 土壤水下渗持续时间 第 i 层土壤饱和导水系数 修正系数 土壤空隙率修正系数 土壤田间持水率修正系数 土壤孔隙指数修正系数 根深修正系数 土壤孔隙容量修正系数 全局地下水退水时间 地下基流回归常数 地下隔水层深度修正系数
CondlyM(2)
不同目标函数：
Solzcoe(1)
Gwdelay
SSQ
Qavg
Alp habf Dep _impM
参数敏感性分析技术
P2
方法：LH-OAT
LH抽样点 P1 OAT抽样点
LH：分层抽样
OAT：变化参数值 计算目标敏感度
P10
参数优化技术
多目标优化方法 （MOSCEM-UA）
进化
多目标优化算法可以 同时找到适合不同的 目标要求的模型参数。