（水利水电工程专业论文）盘石头水库洪水预报系统的开发研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 盘石头水库洪水预报系统的开发研究 摘要 洪水预报是根据现时已经掌握的水文、气象资料，预报 河流某一断面在未来一定时间内( 称预见期) 将要出现的流 量、水位过程。开发研究水库实时洪水预报防洪调度决策支 持系统，实现雨情、水情资料的采集、传输、预处理、预报、 调度的自动化，即联机实时洪水预报调度系统，是当前水情自 动测报系统的发展方向。 为了准确预报入库洪水，根据盘石头水库的水文特性， 本文选用了分散型三水源新安江模型作为预报模型，采用马 斯京根法进行河道的演进计算。并且以v b 语言和s q l s e r v e r 2 0 0 0 数据库为基础开发了实用性较强的洪水预报软件，实现 了人机对话的功能。软件具有参数调试、雨洪对照显示、实 时雨量查询、结果查询和打印输出等功能。该系统经在盘石 头水库的运行，证明系统运行基本可靠，洪水预报精度符合 规范要求。 由于水文水资源系统的复杂性和动态性不断加强，研究 广度不断深入，影响因子不断增加，原有的研究方法和途径日 显窘态，单独使用确定性和不确定性方法面临着许多无法妥善 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 解决的问题。为此本研究应用当前国际上非常流行的神经网 络进行盘石头水库的入库流量的模拟。 人工神经网络是目前国际上的前沿性研究领域之一。研 究的目的就是应用软、硬件实现技术，将人工神经网络的智 能化信息处理能力应用到工程实践中，建立适合的人工神经 网络模型，在继承原有方法优点的基础上，有望解决原有方法 难以解决的一些复杂问题。本研究中作者参考了一些近年来 神经网络( b p 模型) 在洪水预报中的应用及其建模规律和要 求，建立了适合于盘石头水库的神经网络模型，即具有时延功 能的神经网络b p 模型进行入库流量的模拟。 在本研究中，作者采用两种模型分别对水库进行模拟计 算，然而不管采用什么样的模型来做洪水预报，其系统误差 总是不可避免的。在论文的最后作者对两种模型进行分析比 较。结果表明：基于神经网络b p 模型的预报径流过程结果 较好，而基于新安江模型的预报结果较差。 关键词：水库，洪水预报，神经网络模型，水文模型，站网布 设 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho f f l o o df o r e c a s t i n gs y s t e mo f p a n s h i t o ur e s e r v o i r a b s t r a c t a c c o r d i n g t oc u r r e n to b t a i n e d h y d r o l o g i c a n d p h e n o m e n a i n f o r m a t i o n ，f l o o df o r e c a s t i n gf o r e c a s tas t r e a mc r o s s s e c t i o n sf l o wa n d s t a g ew h i c ho c c u ri nt h ef u t u r ed e f i n i t i v et i m e ( n a m e d f o r e s e ep e r i o d ) t h e d e v e l o p m e n t r e s e r v o i rr e a l t i m ef l o o d f o r e c a s t i n g a n df l o o d p r o t e c t i o ns c h e d u l i n g d e c i s i o n s u p p o r ts y s t e m ，i m p l e m e n t a t i n g t h e a u t o m a t i co fr a i n f a l l r e g i m e a n dw a t e r - s t a t e i n f o r m a t i o n ，i n c l u d e i n g a c q u i s i t i o n ，t r a n s m i s s i o n ，p r e t r e a t m c n t ，f o r e c a s t i n g ，s c h e d u l i n g ，n a m e d o n - l i n er e a l - t i m ef l o o d f o r e c a s t i n gs c h e d u l i n gs y s t e m ，w h i c h i st h e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o no f w a t e r r e g i m e a u t o m a t i cs u r v e y i n gs y s t e m o nt h eb a s i so f h y d r o l o g i cc h a r a c t e r i s t i ci nt h ep a n s h i t o ur e s e r v o i li n o r d e rt oe x a c ta n dr e a l t i m ef o r e c a s tr e s e r v o i ri n f l o wf l o o d ，s a n s h u i y u a n x i n a n j i a n gd i s t r i b u t e dm o d e lw a ss e l e c t e d a sf o r e c a s tm o d e l ，a p p l y i n g m u s k i n g u m t op r o c e e ds t r e a mc h a n n e l sf l o wc a l c u l a t i o n o nt h eb a s e do f v bl a n g u a g ea n ds q ls e r v e r2 0 0 0d a t a b a s ed e v e l o ph i g hp r a c t i c a b i l i t y f l o o df o r e c a s ts o f t w a r ea n di m p l e m e n tm a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o nf u n c t i o n s o f t w a r eh a v em u c hf u n c t i o n ，s u c ha sd e b u g g i n gp a r a m e t e r , s h o w i n g r a i n f a l l 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 a n df l o o dc o n t r a s t c h a r t ，s h o w i n gr e a l t i m er a i n f a l l ，i n q u i r yc o n s e q u e n c e ， p r i n t i n ga n do u t p u te t c t h es y s t e mh a sb e e no p e r a t e d i nt h ep a n s h i t o u r e s e r v o i r , w h i c hp r o v e st h ms y s t e mo p e r a t i o ni sb a s i c a ls t a b i l i z a t i o n ，f l o o d f o r e c a s t i n gp r e c i s i o ni sf i tf o rt h ec r i t e r i o n b e c a u s eo fc o n t i n u a n c e s t r e n g t h e nc o m p l e x i t y a n d d y n a m i c o f h y d r o l o g y w a t e rr e s o u r c e ss y s t e m ，c o n t i n u a n c ee n l a r g e m e nr e s e a r c hs c a l ea n d i n f l u e n c e f a c t o r ，o r i g i n a l r e s e a r c ht e c h n i q u ea n dp a t h d i s p l a y d e f i n i t i v e d i f f i c u l t y , i n d i v i d u a la p p l i c a t i o nc e r t a i n t ya n du n c e r t a i n t y m e t h o df a c e m a n yq u e s t i o nt h a tc a n tb eg o o ds e t t l e a n ds ot h i sr e s e a r c ha p p l yv e r y p o p u l a r n e r v u sn e t w o r kt h a t p r o c e e d i n f l o wf l o o d s a n a l o g u e i nt h e p a n s h i t o ur e s e r v o i ri ni n t e r n a t i o n a l a r t i f i c i a ln e r v u sn e t w o r kn o wi so n eo ft h ea d v a n c i n gr e s e a r c hf i l e d o ft h ew o r l d t h er e s e a r c hp u r p o s eo fa r t i f i c i a ln e r v u sn e t w o r ki sa p p l y i n g s o f t w a r ea n dh a r d w a r e t o i m p l e m e n t a t i o nt e c h n i q u e ，a n da p p l y i n g t h e i n t e l l i g e n c ei n f o r m a t i o nh a n d l i n ga b i l i t yo fa r t i f i c i a l n e r v u sn e t w o r kt o e n g i n e e r i n gp r a c t i c e 。o n t h eb a s e do ft h eo r i g i n a l l ym e t h o da d v a n t a g e ， e s t a b l i s h m e n tr e a s o n a b l ea r t i f i c i a ln e r v u sn e t w o r km o d e lc a ns e t t l es o m e c o m p l e xq u e s t i o n t h a tc a n tb es e t t l e db yo r i g i n a l l ym e t h o d i nt h i s r e s e a r c h ，a u t h o rr e f e r e n c et h ea p p l i c a t i o n ，t h em o d e lr e g u l a t i o na n dr e q u e s t o fs o m en e r v u sn e t w o r kt h a tb eu s e di nf l o o df o r e c a s t ，w h i c he s t a b l i s h e d t h en e r v u sn e t w o r km o d e lo fs u i t a b l ef o rp a n s h i t o ur e s e r v o i r ，t h a ti sd e l a y n e r v u sn e t w o r kb pm o d e l i nt h i sr e s e a r c h ，a u t h o re m p l o yt w ot y p e sm o d e lt of o r e c a s tr e s e r v o i r i n f l o wf l o o d h o w e v e ri ns p i t eo fa p p l y i n gw h i c hm o d e lt op r o c e e df l o o d f o r e c a s t ，s y s t e me r r o ri s i n e v i t a b l e i nt h i sl a s tp a p e r , a u t h o ra n a l y s i sa n d 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o m p a r et w ot y p e sm o d e l t h ec o n s e q u e n c es h o wt h a tt h ef o r e c a s tr u n o f f r e s u l to fr l e r v u sn e t w o r kb pm o d e li sb e t t e rt ot h ef o r e c a s tr e s u l to f x i n a n j i a n g m o d e l k e yw o r d s ：r e s e r v o i r f l o o d f o r e c a s t i n g ，n e r v u s n e t w o r k m o d e l ， h y d r o l o g i cm o d e l ，n e t w o r kl a y o u t 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 一概论 1 实时洪水预报的目的和意义 我国幅员辽阔，河流众多，流域面积在1 0 0 0 k m 2 以上的大中河流有 1 5 0 0 多条，主要江河沿岸人口密集、城市众多、经济发达。全国约有1 t o 的国土面积位于江河洪水位之下，而这一区域却集中了全国人口的4 0 ， 工农业总产值的6 0 ，由此决定了我国防治洪水灾害形势严峻。历史上， 长江、黄河、松花江、海河，淮河流域都发生过大的洪水灾害，给人民 生命财产造成了极大损失。而且随着各地人口的不断增加和社会经济的 发展，环境日益恶化，洪灾面积和损失都呈逐年上升的趋势。 我国的防洪实践证明，工程措施与非工程措施的结合应用是建立 和完善江河防洪系统的有效措施。非工程措施通常包括：加强防洪设 施管理，保证防洪设施的防洪能力：在工程设施中充分考虑适应洪水 短暂淹没的措施，以尽可能减少洪灾损失；建立健全通讯系统和预警 系统；改进和发展洪水预报技术，提高防洪调度水平等。其中改进 洪水预报方法、提高预报精度、实施洪水预报调度是非工程措施中最 行之有效的办法。 水文预报是研究和运用水文变化规律，揭示和预测未来水文要素 变化的一门应用学科。洪水预报作为水文预报的一项重要内容，是人 类在与洪水灾害长期斗争的客观需求推动下发展起来的；同时，新理 论、新技术的发展也极大地推动了水文情报预报技术的发展和应用。 作为防汛斗争的“耳目”和“参谋”，准确及时的洪水预报和调度，为 正确作出防汛决策提供了科学依据，并获得了减免洪灾损失的巨大经 太原理工大学硕士研究生学位论文 济效益和社会效益。 在1 9 9 8 年长江流域特大洪水中，洪水预报就起到了很好的作用。如 宜昌第6 次洪峰在上游即将形成时，预报沙市相应最高水位接近4 5 o o m 的分洪水位，其预见期为2 4 3 0 h ，根据2 4 h 内雨量预报、清江隔河岩 水库下泄流量，8 月1 6 日8 ：0 0 作出沙市1 7 日5 ：o o 水位将达到4 5 0 5 m ， 8 月1 6 日1 7 ：o o 又根据水雨情实况预报沙市1 7 日8 ：o o 洪峰水位4 5 3 0 m ， 超分洪水位历时2 2 h ，超额洪峰2 亿m 3 ，若起用荆江分洪工程可降低沙 市水位o 0 6 0 2 3 m ，这些都为中央决策提供了重要的依据，为争取抗洪 抢险的胜利作了保障。1 。 由此可见，科学、准确、及时地根据降雨来预测、预报洪水对防洪 抗洪，减少损失是很重要的。建立一个完整、有效的洪水实时预报系统 的意义可以从以下几点来说明： 提高了决策的时效性、科学性、可靠性。 减少人民的生命财产损失。 提高流域所属地区的经济效益。 为科学研究和防洪工程设计提供资料。洪水预报调度是水利水电 工程建设中一项重要的非工程措施，是水利水电工程设计、施工、调度、 管理的重要依据，对确保工程的安全运行和施工建设起着重要的作用。 多年以来，人们往往对堤防建设等工程措施十分重视，而忽略了对 洪水预报、水库洪水调度等非工程建设的开发利用，对水库、河道堤防、 蓄滞洪区等的预测与联合调度研究应用较少。因而洪水预报与防洪调度 辅助决策系统的建设相对滞后，不能满足现有的防洪要求。特别是一些 地区性的中小流域，这种可持续发展的重要性和紧迫性日渐突出，我国 各级人民政府也对其投入了大量的资金与人力。在全国范围内建成稳定、 有效、可靠、及时的洪水预报与调度决策支持系统已刻不容缓。本文即 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 在这方面作一些探索与尝试。 就世界范围来看，洪水也是威胁人类生存的一大自然灾害，其破坏 力和损失程度不亚于地震、台风、海啸等灾害。各国政府都极为重视， 对治理、防范和利用洪水投入大量的人力、物力、并建立了相应的体系。 例如，美国在密西西比河等广大流域都建立有独立的管理、调度机构， 这些机构同时也承担一定的水文科学研究工作。各个州也有相应的洪水 防范机构，并强制实施洪水保险。欧洲的莱茵河则建立了跨国界的协调 机构。 2 洪水预报的内容和方法 洪水预报是当今水资源学科中一个重要的分支。对洪水预报的研究 也一直是水文学的重点与热点。全世界的洪水预报模型有2 0 0 多种，都 是针对不同情况提出的。从概念上讲，洪水预报是指根据流域上发生的 暴雨或河流上游的来水，经过水情信息采集、传输、存贮、处理和一系 列的科学计算，最终预估出在流域出口断面或河流下游水文站即将发生 的实际洪水过程。现代洪水预报涉及到信息收集和传输系统、水文预报 模型开发、模型参数率定、模型检验、实时预报滤波和校正技术等，是 一门技术性很强的应用性学科。 现代的洪水预报方法大多是具有一定物理成因基础的经验性方法。 其模型有许多种，大致上可分为水文物理和水文数学模型两大类。其中 水文物理模型主要通过实验和现场观测来确定流域的相关参数，并用这 些参数来描述流域的特征，计算可能的洪水参数。它包括比尺模型和比 拟模型两类。比尺模型和一般的水力学模型、水工模型类似，是根据几 何相似与力学相似原理，按一定比尺将流域缩减成模型来研究。由于耗 费过大且难以精确模拟流域的植被、下渗条件等情况，该类模型应用较 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 少，仅美国做过比较大的比尺模型试验。比拟模型则是以另一类现象的 物理性质来类比水文现象的物理性质，借此以便于观测或形象化。 水文数学模型是仿原型的物理机制，应用物理学定律建立其数学模 型描述方程并用数学的方法进行描述与求解。它有多种不同的分类方法， 如可分为线性模型与非线性模型；时变模型与非时变模型；确定性模型 ( d e t e r m i n i s t i cm o d e l ) 与随机性( r a n d o mm o d e l ) 模型等。相同的输入 产生相同的输出，称为确定性，它描述了水文现象的必然规律；反之则 称为随机性。确定性水文模型是研究和应用得较多的一类模型，它一般 可表示为模型结构和模型参数两部分。具体形式又有黑箱子模型和概念 性模型：集总式模型和分散式模型等分类。常见的如新安江模型、萨克 拉门托模型、斯坦福模型、日本水箱模型等都是概念性模型；而意大利 的e t o d i n i j ，r w a l l s 教授的c l s 模型则是黑箱子模型，单位线方法实际 上也具有黑箱子的性质。 水文数学模型普遍引入了系统的概念。系统是指“处于一定相互联 系中的与环境发生关系的各组成成分的总体。”( 系统创始人：奥地利科 学家冯贝塔朗菲) ，因而系统具有整体性、有序性( 层次性与动态性) 和相关性等基本特性。 系统的整体性是显而易见的，因为系统的本质特性就是由相互作用、 相互依赖的若干要素或部分的有机结合。系统的整体性表现为系统的各 要素在系统整体的目标、性质、运动规律和功能等方面的统一。近代对 水文科学的研究，把“土壤一植物一大气”视为一个连续体，称s p a c ( s o i lp l a n ta t m o s p h e r ec o n t i n u u m ) 系统，并开展了陆气相互作用和陆 气耦合模型的研究，以大气、土壤和植被间垂向的水量、热量交换来描 述径流形成的物理途径。由于雨洪之间的密切关系，这种研究对提高洪 水预报的科学性有较大作用，是对以往水文研究局限于流域本身的一种 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 突破。 系统的有序性包括系统结构的有序性和发展的有序性。而系统的相 关性则是保证系统整体性的必要条件，它表明，在一个系统中，任何一 个参数的变化率都是系统所有参数数值的函数；反之，任何一个参数的 变化都会使所有参数及整个系统发生变化。正是由于系统的这特征， 才使我们能够借助于观测系统的某些参数及其变化来推断系统的另外一 些参数及其变化，或者对系统施加某种激励来观测其输出，推断其参数， 这称为系统的识别，如根据降雨洪水关系来率定模型参数等。 掌握一个系统的性质不仅需要知道输入，输出及其关系，还需要知 道系统内部状态变化，因此，描述一个系统需要三种变量，即输入变量、 输出变量与状态变量，其关系可用图1 1 表示： 输入 变量 f 输出 变量 图卜1 系统的构成 f i g 1 - 1t h ec o m p o s i t i o no f s y s t v m 系统的激励与响应函数即为系统的输入与输出，数学上常用奇异函 数、卷积、传递函数等表示系统激励与响应关系。反而不考虑输入与输 出变量及其关系中参数空间变化的，称为集总式( l u m p e d ) 系统，反之 称之为分散式( d i s t r i b u t e d ) 系统。集总式系统用常微分方程表示，时间 是唯一的自变量；分散式系统则用偏微分方程表示，自变量除时间外还 有空间变量。 例如，描述坡面流运动的系统有两类：水文学方法和水力学方法： 水文学方法表示集总式系统：连续方程：，一q = 鲁( 1 - 1 ) 动量方程：s = a q 6 ( 1 - 2 ) 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 水力学方法表示分散式系统：连续方程：粤+ 娑：r ( 副) ( 1 - 3 ) m 动量方程：q ( x ，f ) = b h 。k f ) ( 1 - 4 ) 洪水预报涉及到的水文学知识主要有产流理论、地表径流的模拟、 水文统计学等。产汇流计算的理论基础是达西( h p 一gd a r c y ) 定律与 圣维南理论。汇流理论则是以谢尔曼( l r k s h e r m a n ) 单位线方法，马 斯京根( m u s k i n g u m ) 洪水演算法，纳须( j e n a s h ) 串联线性水库汇流 模型等为基础的。产汇流理论旨在探讨不同气候和下垫面条件下降雨径 流形成的物理机制，不同介质中水流汇集的基本规律及计算方法。由于 水分在不同介质中作垂直与水平等运动，其复杂性和不确定性要求把确 定性方法和随机性方法结合起来使用，以更好的模拟实际过程。 地表径流等过程都是很复杂的自然现象，它深受许多确定和随机因 子的制约。由于认识水平以及获取径流过程信息的局限性，人们迄今为 止尚不能完全用力学的方法来建立一套完整的、描述径流的数学物理模 型。随着动力学系统研究的深入发展，混沌分析研究应用的成熟，特别 是自控论的飞跃进步，不少水文学者已经大量的把自控论等领域的一些 技术方法引入水文学领域，借助电子计算机的功能，大大推进了水文学 发展的进程，使水文的数学模拟借助系统理论取得了长足的发展。 对于中小型水库而言，一般具有流域面积较小，集流时间短，洪水 来得快，调蓄作用小等特点。大多数中小型水库的实测洪水资料短缺， 水库泄洪设施多样，情况复杂。并且，很多中小型水库采用群众( 非专 业技术人员) 管理的形式。这些都为其洪水预报与调度带来很大的困难。 因此，通常的中小型水库的水文预报既要有一定的精度，又要方法简单， 图表简明，步骤明确，以便于快速查看。其预报模型通常是结合流域特 点而开发的经验公式或图表。而基于微机的中小型流域洪水预报与调度 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 系统是其发展的方向。 由于河道天然来水在年际、年内的分配和在地区上的分布复杂多变， 又往往与农业灌溉的需水要求不相适应，水多了会引起洪涝灾害；水少 了就会出现旱情。因缺水而导致的工农业生产上的损失也很大。因此， 枯水预报也是非常重要的，从广义上讲也是洪水预报的一部分。我国大 部分地区枯季降水量很少，一般仅占全年的3 0 左右，枯季径流量的大 小与枯水期的长短直接关系着流域灌区的灌溉定额和灌溉面积的确定以 及水电站的出力。为了避免干旱时无水可用的局面，必须认真总结历年 用水经验，分析农耕季节用水特点和枯水变化规律，综合中长期水文气 象预报做好水库、河道的枯水预报，制定计划，合理的利用水资源。此 外，由于枯水季节降雨少，水库应尽量在保证抗洪要求的情况下多拦蓄 洪尾水量，以资利用。 另外，近年来还有些新的思想和方法被引入了洪水预报领域中， 如：基于混沌分析：分形理论；人工神经网络理论( b p 模型) ；模糊聚 类理论等建立起来的各种模型。这些对水文预报的发展有很大的促进作 用，尤其是人工神经网络，人工神经网络理论借鉴了现代神经科学的研 究成果，高度综合了计算机科学、信息科学、生物科学、电子学、物理 学、医学、数学、哲学等众多学科。人工神经网络系统独特的非线性、 非凸性、非局域性、非定常性、自适应性、强大的计算能力和各种信息 的处理能力嘲。随着洪水预报系统的复杂性和动态性不断加强，研究规 模不断加大，影响因子的不断加多，应用神经网络可以缓解原有确定性 和不确定性方法面临着的许多无法妥善解决的问题。因此，将人工神经 网络理论引入洪水预报系统并建立合适的人工神经网络模型，在继承原 有方法优点的基础上，有望解决原有方法难以解决的一些复杂问题。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 洪水预报的国内外调研情况 洪水预报系统的发展国外已经经历了三个阶段：第一阶段是联机预 报作业阶段，其主要特点是集水情信息采集、传输、处理和洪水预报为 一体，以便快速完成洪水预报作业：第二阶段是实时预报校正阶段，在 洪水预报系统中引入了现代控制理论，实现实时信息和预报结果的实时 校正：第三阶段是交互式洪水预报阶段，利用图形交互处理技术对洪水 预报中间环节进行人工干预。充分利用专家、预报员的知识和经验，有 效地提高洪水预报水平。目前，发达国家大多均已进入第三阶段，且日 臻成熟。而我国的洪水预报系统大多停留在第一阶段，并且低水平的重 复研制现象比较严重，与发达国家相比存在比较大的差距。新技术应用 起点低，预报方案、预报系统五花八门，系统功能不全，应用不便，扩 充性不强，时效差，难于推广应用。主要表现在：不具备预报客户服务 器或浏览朋艮务器环境；预报模型、方法的程序没有标准化；产流模型和 汇流模型交织在一起；构建预报方案复杂；系统功能不全，参差不齐； 预报方法单一；人机界面图形功能不强；不能定时预报；技术文档不全； 系统开发因人而异；国外预报系统移植不便等。国外先进的第三代洪水 预报系统采用完全模块化结构，具有如下特点：建立了预报模型库； 用户可以根据需要选择模型及其使用顺序；具有较强的模型库管理 功能：数据处理能力强：使用标准化、通用化的模块设计思路，各 功能子程序代码独立；用户可灵活、方便的控制预报中间过程：可 应用于很大的地区和范围，各预报站点可以独立，也可以按指定的连接 控制方式为一体。 鉴于我国建立洪水预报系统的现状与发达国家存在的巨大差距。 1 9 9 8 年在财政部和国家防办的支持下，水利部水文局主持，组织全国有 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 关高等院校、科研院所、水文系统及有关单位专业技术人员开展了“中 国洪水预报系统”的开发建设，力争在几年内开发完成，并在全国推广 应用。中国洪水预报系统的建设目标是：根据国家防汛指挥系统工程的 设计要求，结合全国的实际情况，基于全国统一的实时水情数据库、预 报专用数据库和客户服务器环境基础上，采用规范、标准、先进的软硬 件环境及模块化、开放性结构，具有可任意选择的常用预报模型和方法 库，能方便地加入新的预报模型，快速的构造多种类的预报方案，具有 人工试错和自动优选相耦合的模型参数率定系统，具有可用图形和表格 方式敢于任何过程的实时交互预报系统，具有通用的数据预处理模块和 常用的实用模块，具有完整的预报系统管理功能，建成具有通用性强、 功能全面、操作简单的全国实时洪水预报业务系统。 中国洪水预报系统的开发原则是： 坚持集中开发，全国使用的原则。借鉴美国气象局集中开发河流预 报系统( n w s r f s ) 下属1 3 个河流预报中心共同使用的经验，由水利部 水文局组织，统一设计、制订系统的软件结构体系，集中开发，统一培 训、共同使用，以便于系统开发、维护、升级、保证系统开发的连续性 和先进性；坚持实用性、可靠性、先进性、开放性的原则。系统要求做 到通用性强，界面清晰，接口标准，操作简单；系统应保证正常运行， 能够正确处理各种数据，功能模块经过严格测试，具有很好的容错和自 诊能力；系统充分吸收国内外成熟的经验，采用先进的设计思想和应用 技术；系统的各个功能模块要结构化、模块化、标准化、形成标准组件， 为各部门使用。 中国洪水预报系统软硬件环境基于微机硬件平台、w i n d o w 9 8 以上操 作系统和全国统一的实时水情数据库和预报专用数据库基础上。以v i s u a l b a s i c 和m a p i n f o 为系统开发软件，实现实时信息和预报信息的客户，服 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 务器环境，可在任何一台联网的微机上完成洪水预报作业。 目前，中国洪水预报系统已完成了软硬件环境、预报模型和方法、 预报方案、模型参数率定、实对作业预报、实用模块、系统管理七部分 体系结构的详细设计。还有大量功能需要开发，其中包括图文交互式作 业预报功能；标准化水文模型的补充：水库调洪演算功能：电子地图客 户朋匣务器环境的实现：雨量等值线绘制功能 4 本文研究的主要内容 从前面的论述中可以看出，当前洪水预报发展的趋势是借助计算机 仿真、测试自动化等新技术，将预报理论更好地应用于实际，以取得更 好的预报成果，产生更大的效益。在我国，这是个薄弱环节，大部分 地区洪水测报预报的自动化程度不高，仍然停留在凭经验预测洪水、凭 经验调度洪水的阶段，其经济效益和社会效益极其低下。特别是很多中 小型流域，不仅其堤坝、水闸等硬件设施简陋，难以满足抗洪要求，其 管理调度等软件设施更显单薄。考虑到我国现时的经济条件的制约，很 难在短时间内，对全国的所有流域投入资金和人力建立自动化程度较高 的洪水预报和调度决策支持系统，还需要依靠地方力量。因此需要研制 适合中小型流域的洪水预报与调度软件，要求其成本不高，但能满足精 度、时效等要求。本文即在这方面做有益的探索，以期对盘石头水库水 利资源调度的系统成功开发提供重要的技术支持。基于以上的考虑，本 论文主要内容包括： a 、洪水预报模型的选择 根据盘石头水库实际情况，研究适合盘石头水库所在流域水文、气 象、地理特性及有关水文资料，论证选用适合于该流域水文特性的洪水 预报模型( 本文选用了分散型三水源新安江模型) ，完成洪水预报模型的 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 参数率定及预报方案编制。 b 、洪水预报系统软件开发 首先根据系统的组成特点，模型的求解方法和系统的用户对象，选 择界面性强，面向对象的可视化编程软件。开发界面友好，功能实用， 维护方便，可靠性高，开放性好的软件，根据研制的洪水预报方案，编 制相应的实时预报软件，通过对实时数据的处理，在较短的时间内做出 实时洪水预报。 c 、神经网络( b p 模型) 在洪水预报中的应用研究 随着社会发展，水文水资源水环境系统的复杂性和动态性不断加强， 研究规模不断加大，影响因子不断加多，原有的研究方法和途径日显窘 态，单独使用确定性和不确定性方法( 包括随机过程、模糊理论、灰色 系统、混钝分析、分形分维) 面临着许多无法妥善解决的问题。为此， 将人工神经网络理论引入水文水资源水环境系统并建立适合的人工神经 网络模型，在继承原有方法优点的基础上，有望解决原有方法难以解决 的一些复杂问题0 1 。本文参考了一些近年来神经网络( b p 模型) 在洪水 预报中的应用及其建模规律和要求，建立了适合于盘石头水库的神经网 络模型。 d 、对两种模型进行比较分析 本文对同一次降雨分别用传统的新安江模型和神经网络b p 模型进 行入库流量的计算，并对其各自入库流量产生的残差、峰值误差、模拟 的总体结果进行分析比较。通过比较，从中找出那一种模型的预报精度 较高，并分析其原因是什么? 太原理工大学硕士研究生学位论文 二盘石头水库水情测报系统简介 1 水库的基本情况 图2 - 1 盘石头水库流域图 f i g 2 1d r a i n a g ef i g u r eo f p a n s h i t o ur e s e r v o i r 淇河是卫河左侧主要山区支流之一。发源于山西省陵川县方脑岭， 流经陵川、辉县、林县、鹤壁、淇县、浚县等县、市，到淇门村以西之 小河口东注入卫河，干流全长为1 4 0 k m ，流域面积2 1 4 2 k a n 7 。土圈以上分 南北两支。南支仍名淇河，北支名淅河，南支自山西省陵川县方脑岭， 经辉县要街入林县境内，河行于山谷，经坡澜掌向东入临淇盆地，再下 经荷花村复入山峡至合河口与东流之淅河汇合长5 0 k m 2 ，北支淅河自山西 陵川县平城城镇杨寨村，流经峡谷至合涧盆地。至富家庄又入山蛱。到 合河口注入淇河，长0 3 k m 2 ，坡度陡峻，水流湍急，河底纵坡在1 1 0 0 1 2 5 0 。南北两支汇合后，仍穿行于峡谷中，向东流至贺家村，出山口进 入平原。贺家村以上坡陡流急，河底深潭、急流跌水甚多，最大跌水在 白龙庙西，跌差达6 m 。山区河谷宽在1 0 0 m 以上，河口出山后进入较高 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 的地区，在大赉店西穿过京广铁路，转向正南过卫贤镇至小河口入卫河。 合河口以下河长9 2 k m 。京广铁路以东两岸地势平坦。淇河在京广铁路以 下纯属排洪河道，无流域面积汇入。同时，淇河流域无森林覆盖“3 。 淇河地处暖温带，属半湿润地区，属典型的季风气候区。冬季受极 地大陆性气候控制，寒冷少雨雪；春季受大陆气团影响，降水不多，蒸 发量增大，往往形成干旱天气；夏季，太平洋副热带高压脊线位置北移， 促进西南和东南洋面上的气流向本流域输送，成为主要降水季节；秋季， 东南季风减退，极地大陆性气团逐渐加强，由多雨天气渐变为秋高气爽 的少雨季节。本区多年平均气温为1 3 5 ，极端最高气温为4 l _ 7 ，极 端最低气温为一2 1 7 ，全年无霜期约2 0 0 天，多年平均水面蒸发量约 1 7 0 0 m m ，陆面蒸发量为5 2 0 m m ，年际间变化不大。多年平均降雨量为 7 2 0 m ，年内分布极不均匀，汛期6 9 月占全年的7 0 8 0 ，年际变化 也大，最大流域平均年降水量1 3 3 2 6 m ( 1 9 5 6 年) ，是最小年降水量3 2 8 i m ( 1 9 6 6 年) 的4 0 6 倍。 本流域处在太行山迎风坡，是暴雨多发地区，流域内桥上、南寨、 要街、土圈、新村等都出现过暴雨中心，而南寨出现大暴雨次数最多， 是常见暴雨中心。本流域大暴雨的成因以台风为主，西南涡为辅。暴雨 的水汽来源是西南和东南洋面。暴雨发生的时间多为7 、8 月份。 盘石头水库位于卫河支流淇河中游，坝址在鹤壁市西南约1 6 k m 的盘 石头村附近，水库以上集水面积1 9 1 5 l 【n 1 2 。盘石头水库是以防洪、工业及 城市生活供水为主，兼顾农田灌溉、结合发电等综合利用的大型水利枢 纽工程0 1 。具体工程特性见表2 - 1 。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 - 1盘石头水库工程特性表 t a b l e 2 1c h a r a c t e r t a b l eo f p a n s h i t o u r e s e r v o i r p r o j e c t 序号及名称单位数量各注 水文 1 全流域面积 k m 22 1 2 4 淇河流域面积 坝址以上流域面积k m 21 9 1 5 2 天然多年平均年径流量亿m 3 4 4 l日历年 坝址( 入库) 年径流量亿m 3 3 6 0日历年 3 代表性流量 多年平均流量 m 3 s1 1 4系坝址处多年平均流量 实测最大流量 m 3 s5 5 9 0系新村站实测最大流量 调查历史最大流量 m 3 s7 0 8 0f = 2 0 8 0 k m 2 ，1 8 9 2 年新村站 正常运用( 设计) 洪水标准p ( ) 1 及流量 m 3 s6 6 5 0 非常运用( 校核) 洪水标准p ( ) 0 j 及流量 m 3 ，s1 5 4 0 0 施工导流标准p ( ) j 及流量 m 3 ，s3 0 1 0 4 ，洪量 实测最大2 4 小时洪量 万m 2 3 2 3 41 9 1 6 年实测成果 设计洪水2 4 小时洪量万i n 3 2 6 4 0 01 0 0 年一遇 校核洪水2 4 小时洪量万m 3 6 4 8 0 02 0 0 0 年一遇加2 0 安全修 正值 2 水情测报系统的站网布设的说明 ( 1 ) 水情测报系统遥测雨量站的布设 盘石头水库水情测报系统中，首先了解淇河流域的水文特性、盘石 头水库的运行特性，以及流域内原有水位站、雨量站建站的历史、报汛 时段、通信条件、交通条件等情况：在分析原有站网的运行历史和现状， 初步摸清站点的基本情况后，本研究采用抽站法对雨量站进行论证”。3 ， 根据盘石头水库坝址以上流域水系的分布特征，将全流域分为三个子流 域块见图2 2 ，分别为弓上、三郊口和盘石头，对分块流域上原有雨量站 】4 太原理工大学硕士研究生学位论文 与选用雨量站计算的相应面雨量进行误差对比相关分析。在符合精度要 求的条件下，采用选用站点的雨量资料进行流域产流计算，这样避免导 致太大的误差。盘石头水库流域站网论证雨量站点分布误差统计表见表 2 2 。 表2 2 盘石头水库流域面雨量计算误差统计表 t a b l e 2 2s t a t i s t i ct a b l e o f c o m p u t i n g e r r o rw h i c hi sp a n s b i t o u r e s e r v o i rw a t e r s h e ds u r f a c er a i n f a l l 从原有站数计算的各场暴雨面雨量与选用站数计算的相应面雨量对 比计算，其相对误差的均值，均小于5 ，符合规范。1 要求。 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 盘石头水库入库径流计算模拟模型示意图 柿园水库 f _ 6 2a = 2 4k i n 辉县水磨水库 f - 3 6 - 2k = i 石门水库 f - 4 3 川4k - o 8l 陈家院水库 f - - 4 9 7a = 3k = l k - o 8 沿河提水灌溉4 万亩 弓匕水库 f b 6 1 8 叫x 1 1 工业用水1 8 0 0 万立方米 向林县市城市供水 入盘石头水库 盘石头入库径流= 区间径流( 弓三盘石闻) + 回归水+ 各库弃水 拟建水库立已建水库 说明： 1 | 在年径漉还犀计算时来还原当地群众生活用永 2 上述工业及生活用水是比理航增加的用水量 王农业回归木依据灌溉用水的2 雌计 4 红旗渠回归水量起略不计呈递减趋势) 5 2 0 1 0 # 上游灌溉2 54 万亩工韭用水1 8 0 0 万立方米 6 三郊口以上用水( 台雁高区引水) 概化为8 万亩， 3 座水库的灌溉面积时斟戬陇面积瞄生圣份配 7 田中k 是综台折藏系数，接原复播指数，灌水次数等 园数与盘石头水库灌区的差别束确定 图2 - 2 盘石头水库八库径流计算模拟模型示意图 f i g 2 2t h ea n a l o g y c a l c u l a t i o nm o d e r ns k e t c hm a po f p a n s h i t o ur e s e r v o i rr u n o f f ( 2 ) 水情测报系统遥测水位站的布设 在水情测报系统中，遥测水位站尽可能与遥测雨量站结合，也就是 说，遥测水位站最好建有遥测雨量站，这样可以节约投资。本着既要科 1 6 | | 河 太原理工大学硕士研究生学位论文 学合理，又要经济实用的原则，在盘石头水库中，本研究通过抽站法和 单元分块对站网进行优化论证，最终确定盘石头水库流域内建设的遥测 站见表2 - 3 所示： 表2 - 3 盘石头水库流域遥测站网布置表 t a b l e 2 - 3l a y o u tt a b l eo f p a n s h i t o ur e s e r v o i rw a t e r s h e dt e l e m e t e rn e t w o r k 3 水情测报系统的硬件