（水文学及水资源专业论文）实时洪水预报系统雨量站网论证分析.pdf

摘要 摘要 对于实时洪水预报系统，希望能以最少的站网来满足洪水预报的精度要求。 雨量站网密度和站址选择直接影响洪水预报精度，而洪水预报方法又影响站网的 确定，两者间的关系为洪水预报系统站网确定所重视。特别是实时自动采集预报 系统，能用的信息日益丰富，技术手段、预报水平和系统的实时修正与自适应追 踪能力不断提高，研究实时修正对站网密度的影响，既可以降低站网密度，又提 高站网确定的科学性。 本文首先利用理想系统，确定了综合考虑洪量、洪峰、洪水合格场次、雨量 站数等各方面因素的用于雨量站网规划的目标函数。结果表明，以雨量站数和精 度指标组合的目标函数，由于综合考虑了预报精度、雨量站数等重要条件，概念 明确、直观，具有一定的实用性；然后运用目标函数对五个不同流域进行雨量站 网规划，并同其它方法进行比较。结果表明，用目标函数所确定的最佳雨量站数 相当于江西雨量站网密度公式在面雨量误差为8 = 1 5 计算的站数，但是目标函 数没有流域特征以及流域面积上的限制，适用范围相对比较广泛。同时，初步确 定了雨量站网密度与流域面积之间的关系；最后，将实时修正引入雨量站网规划 中，在闽江七里街流域对1 9 8 8 1 9 9 8 年的4 0 场洪水采用a r 模型进行实时修正， 通过与没有实时修正情况下的雨量站网规划结果相比较，具有实时修正功能的精 度较高的洪水预报方案对减少雨量站网密度有较满意的效果。将此方法应用在其 他四个不同的流域进行分析验证，也得到了相同的结论。上述研究和结论对未来 的雨量站网规划工作的开展有着重要意义。 关键词：雨量站网；理想系统；目标准则：雨量站网密度；实时修正 a b s t r a c t b s tr a c t f o rt h er e a l 一t i m e n o o d 士o r e c a s t i n gs y s t e m ，i t l sd e s l r e dt od e t e 功1 i n et h e m i n i m u mn u m b e ro fm m g a u g i n gs t a t i o n sw i t h j t h ef o r e c a s t i n gp r e c i s i o nr e s t r i c t i o n t h ed e n s 毋a n dd i s t r i b l n i o no fr a i ng a u g i n gs t a t i o n s 丽ud i r e c t l yi n n u e n c et h e p r e c i s i o no ff l o o df o r e c a s t i n 昏w 协l em en o o df o r e c a s t i n gm e t h o dw i l la 妇融c tt 1 1 e l a y o u to fg a u g i n g 啦血o n sn 咖o r k ，t h ei n t e 玎e l a t i o n s h i pb e t 、v e e n 砌c hh a sd r a w n a t t e n t i o nd u r i n gt 1 1 ed e t e r m i n a t i o no fg a u 百n gs t a t i o n sn e t 、v o r kf o raf l o o df o r e c a s t i n g s y s t e m e s p e c i a l l yf o rar e a l t i m e d a t ac 0 1 i e c t i o n s y s t e m ，埘t ht 1 1 e i n c r e a s eo f a v a i l a b l ed a t aa n dt l l ee n h a n c e m e n to ft e c h m q u em e a s u r e sa sw e l la s 血ec a p a b i l i t yo f f o r e c a s t i n g ，r e a l t i f l l ec o n - e c t i o no fs y s t e ma i l ds e l f a d a p t e d 订a c 蜘gm e t l l o d ，r e s e a r c h o n 也ee 任色c to fr e a l - t i m ec o h e c t i o nt od e n s “yo fr a i ng a u 百n gs t a t i o n sw i l ln o to m y d e c r e a s et 1 1 ed e n s i t yo fg a u g i l l gs t a t i o n sb u ta l s oi n c r e a s et 1 1 er e l i a b i l i 哆o fg a _ u g i n g s t a t i o nd e t e n n i n a t i o n i nn l i sp a p e r ，i ti s 咖d i e db ya i li d e a ls y s t e m 也eo b j e c d v ec r i t 甜af o rt 1 1 ed e s i 驴 o fr a j ng a u g i n gs 诅t i o n sn e t 、v o r kw 1 1 i c ht a k e sm a n ya s p e c t si n c l u d i l l gf 1 0 0 dv o l 砌e ， n o o dp e a kn u m b e ro fc c n 试e dn o o d sa 1 1 dr a i ng a u g i n gs t a t i o n se t c t h er e s l l l ts h o w s t h a tt h eo b j e c t i v ef u n c t i o nc o m b i n e dw i mn u m b e ro fg a u g i n gs t a t i o n sa 1 1 dt h e p r e c i s i o ni n d e x e sb e a r se x p l i c i td e 觚t i o na 1 1 di sa p p l i c a b l e ，b e c 哪ei tt a k e si n t o a c c o u n tt 1 1 ef b r e c a s 血gp r e c i s i o n ，n u m b e ro fg a u g i n gs t a t i o n s 趾ds o m eo t h e r i m p o r t a n tc o n d i t i o n s r i t h eo b j e c t i v e 缸l c t i o ni s 印p l i e dt o f i v ed i 艉r e n c e w a t e r s h e d sf o rd e s i g no fr a i ng a u 西n g 删o n sn e 如，o r k ，a n di sc o m p a r e dw i mr e s u l to f o m e rm e t l l o d t h eo p 血n i z e dn 啪b e ro fr a i l lg a u 西n gs t a 饰n sd c t e m 心db yt 1 1 e o b j e c t i v e 缸州o ni se q u i v a l e n tt ot h eg a u g 吨d e n s 蚵f i o n n u l ao fj i a i l g ) 【ip r o v i n c e w i 也e o ro fa r e aa v e r a g er a i ne = 1 5 ，w h n e 恤eo b j e c t i v e 胁c t i o ni sm o r ew i d e l y s “t a b l ef b rn o1 i m i t a t i o n si nw a t e r s h e da r e aa n dc h a r a c t e r i s t i c s 】o r e o ，e r t h e r e l a t i o n s l l i pb 咖e e nd e n s 时o fr a i ng a u g i n gs t a t i o n sa n da r e ao fw a t e r s h e d f i n a l l y ， m a k i n gu s eo f 血eo b s e e dd i s c h a r g ei n f o n n a t i o n ，r e a l t i m ec o n e c t i n gm e t h o di s b r o u 曲ti nr a i n f 砒ln e t w o r kd e s i g n a rm o d e li su s e dt or e 、，i s et 1 1 es i m u l a t e dp r o c e s s o ff o 啊n o o d smq i l 巧i eb a s i ni i lm i nm v e r ni sc o n c l u d e d6 - o mc o m p a r i s o nt h a tt h e n o o df o r e c a s tp r o j e c tw i t hr e a l t i m ec o r r e c t i n gm e t l l o di so f l l i 曲e rp r e c i s i o na 1 1 dn l u s u s e 如1t or e d u c e 血er a i l l f a l ln e t w o r kd e n s i t y t h es 锄ec o n c l u s i o na r eo b t a i n e db y u s i n gm em e t l l o di 1 1o t h e rf o u rw a t e r s h e d s a l 王t h ec o n c l u s i o n sa b o v ea r eo f 铲e a t s i g n j f i c 锄tt 0r a i ng a u g en e 帆o r kd e s i g n j n gi nt 1 1 ef u t l l 】r e k 呵w o r d s ：r a j ng a u g en e t w o r k ，i d e a ls y s t e m ，o b j e c t i v ec r i t e r i a ，r e a l 一t i m ec o r r e c t i o n ， t h ed e n s i t yo fr a i ng a u g en e t w o r k 刖吾 刖 吾 洪涝灾害是我国发生频率最高、损失最大的自然灾害。工程与非工程措施的 结合，能最有效地发挥防洪减灾效益。洪水预报是防洪减灾非工程措施的主要手 段，长期以来，国家和科学界已投入大量的人力和物力，致力于相关领域的研究， 获得了大量的科研成果。然而，洪水预报精度还是受到了许多因素的制约，其中 最主要的就是水文资料。 水文资料，特别是雨量资料，是洪水预报模型误差的重要来源。因此，一个 规划合理的雨量站网显得尤为重要。然而，在许多地区，雨量站网的发展和布局 比较盲目，产生一些因人而异、各取所需的现象，导致现有的雨量站网无法获取 真实、准确的降雨信息；另外，由于雨量站代办费严重不足，导致雨量观测质量 严重下降的现象也经常发生，有的站甚至己是名存实亡。这不仅浪费了雨量站资 源，还严重地影响了洪水预报的精度。因此，对雨量站网进行规划和优化，使雨 量站网更加精干，布局合理，使得有限的资金和技术力量全部投入到保留下来的 站网上，从而使观测质量大为提高，这不仅从经济效益角度还是洪水预报精度角 度来讲，都是一项严峻而又迫切的任务。 一个科学、合理的雨量站网，能够捕捉到全流域的暴雨过程，从而能获得较 准确的计算洪水过程，这就要求雨量站网布设尽可能的稠密。但雨量站网过于密 集，对于经费开支、站网管理都将是个问题。如何使得既能满足目前洪水计算要 求，又能尽量减少雨量站网密度，达到科学合理的雨量站网布局，是一项很有现 实意义的研究。 传统的雨量站网规划方法，都是根据给定的允许误差，以面雨量误差为控制 条件来确定配套雨量站站数。目前常用的方法中，也有通过流域水文模型、以预 报流量的精度为约束条件来规划雨量站网。因此，洪水预报方法也影响着站网的 确定，特别是实时自动采集预报系统，能用的信息日益丰富，技术手段、预报水 平和系统的实时修正与自适应追踪能力不断提高。现有的洪水预报方案进行站网 选择，只考虑模型与站网的关系，没有考虑实时修正对站网的影响。而只用模型 与模型和实时修正方法结合的预报方案，在实时信息的利用上存在差异，对站网 鼬吾 的要求也有差异，模型和实时修正方法结合的预报方案站网密度通常可以略低于 只用模型的预报方案站网密度。研究实时修正对站网密度的影响，既可以降低站 网密度，又能提高站网确定的科学性。 论文从这个角度出发，在以下几个方面进行了研究： l 、针对目前的站网规划方法没有明确、直观地将所有影响因素考虑在目标 函数里面的问题，本文提出了综合考虑洪量、洪峰、确定性系数、洪水合格场次、 雨量站数等各方面因素的目标函数，并通过理想模型对其进行分析检验，确定了 流域雨量站网规划的目标函数。在此基础上，利用目标函数对不同流域进行雨量 站网规划。 2 、针对目前实时自动采集洪水预报系统的特点，将实时修正引入雨量站网 规划中。通过与没有实时修正情况下的雨量站网规划结果相比较，探讨具有实时 修正功能的精度较高的洪水预报方案对减少雨量站网密度的效果。并将此方法应 用在其他四个不同的流域，以检验其效果。 通过上述分析，为雨量站网规划理论的进一步深入研究以及今后的站网规划 工作提供理论指导和实践依据。 由于水平所限，文中不当之处敬请各位老师和专家批评指正。 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：p 1 搭巧年g 月f 。日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：芝j 鉴沙以年6 月，d 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 洪水是当今自然界对人类的主要威胁之一。研究表明，由洪水造成的经济损 失多达国民产值的5 以上。由于世界上大多数人居住在洪水易发地区，同时随 着经济的发展和社会的进步，洪水损失将逐年增加；尤其在我国，洪水灾害更为 频繁，损失更为巨大。作为防洪减灾的重要依据，洪水预报起着巨大的作用，洪 水预报的精度更是所有水文工作者所关注的。要提高洪水预报的精度，水文资料 是非常重要的一个因素。 采用任何一个洪水预报模型进行计算，要想取得比较满意的精度，首先要保 证资料的合理性和有效性。水文资料的误差，特别是降雨资料的误差，是洪水预 报模型误差的重要来源。雨量资料的准确性和代表性，将直接影响洪水预报的精 度。所有雨量资料均来自于雨量站网，因此，科学地规划和优化雨量站网，设立 分布比较合理的、具有一定密度的雨量站网，使雨量资料最大程度地反映流域的 实际降雨情况，可以大大提高洪水预报系统的精度。雨量站网密度和站址选择直 接影响洪水预报精度，而洪水预报方法又影响站网的确定，特别是实时自动采集 预报系统，能用的信息日益丰富，技术手段、预报水平和系统的实时修正与自适 应追踪能力不断提高，研究实时修正对站网密度的影响，既可以降低站网密度， 又能提高站网确定的科学性。现有的洪水预报方案站网选择方法，只考虑模型与 站网的关系，没有考虑实时修正对站网的影响。而只用模型与模型和实时修正方 法结合的预报方案，在实时信息的利用上存在差异，对站网的要求也有差异，模 型和实时修正方法结合的预报方案站网密度通常可以略低于只用模型的预报方 案站网密度。问题是，降低的幅度有多大、效果是否显著，这些就是本论文研究 的主要问题。 本文提出综合考虑了洪量、洪峰、洪水合格场次、雨量站数等各方面因素的 雨量站网规划目标函数，研究站网密度随流域面积变化的规律，并把实时修正引 入雨量站网规划中，从经济角度出发，研究具有实时修正的洪水预报系统对减少 洞海大学硕士学位论文实时洪水预报系统雨量站嘲论证研究 雨量站点数量的效果。这无论是在理论研究上还是实际应用方面，均具有十分重 要的意义。 1 2 国内外研究进展和现状 1 - 2 1 雨量站网规划研究进展 1 、 国外雨量站网规划研究进展 水文站网规划，是研究水文工作战略布局的学科，是水文科学中最为复杂的 领域之一。水文资料的收集只是在近几十年来才被看成是一个规划问题。 在2 0 世纪5 0 年代早期及之前，水文资料收集工作实际上都未采用过站网规 划的定量方法。主要有两方面的原因 1 】：一是关于水资源的各种时间和空间量纲 的信息及知识都很少，主要是从水文资料推算而得的水文信息很少，因而在2 0 世纪早期水文信息缺少的情况下，实际上任何资料收集系统所产生的信息都是有 价值的；另一方面，在2 0 世纪中叶之前，国外并不十分重视水资源的合理开发 利用。 近几十年来，这两个条件发生了巨大的变化，由于不断扩大的资料库和对水 资源压力的增大，全世界普遍开始关注水文站网规划方面的研究1 】【2 】。1 9 6 5 年世 界气象组织和国际科学水文学协会在加拿大魁北克省召开了一次以水文站网规 划为主题的国际讨论会，并引起了全球水文学界对站网规划方法的高度重视。会 议同时也号召人们在国际水文十年计划中，围绕水文站网规划方法研究方面做出 积极努力。 1 9 7 4 年，在英国，n e w c a s t l e u p o n 一啪e 又召开了一次同样主题的会议( w m o ， 1 9 7 6 年) 。会议认为，两年来研究工作有了不少进展，但站网规划还没有发展成 为水文学科的一个重要分支。美国地球物理学会在同年也召开了一次会议，主题 是在更广的范畴内进行水文站网规划。这次会议的目的是要将水文工作者、地球 物理学家、统计学家和经济学家组织建立起一个跨学科的研究组，充分交换意见 和知识，使地球物理学家们了解更多可用的方法和研究领域。 雨量站网是水文站网整体功能中极其重要的一个组成部分，国外雨量站网方 面的一些研究工作开展较早，但直到1 9 5 4 年l a i l g b e i n 才首先提出关于如何客观 2 第一章绪论 地管理一个水文资料系统的综合报告1 3 j 。 1 9 7 3 年，g r a y m a 和e a 甜e s o n 【4 】根据国家净收入最大这一目标来考虑用于洪 水预报系统的站网建设投资设计。他们建立了两个模型：一个用来模拟洪水的发 生并计算其净收益；另一个则用来在概率分布卷积基础上，确定净收益的期望值。 d a v i s ，s i e l 和d u c k s t e i n 1 9 7 3 年用贝叶斯决策理论对沿山坡进行雨量站网布 置问题提出了建设性意见，所论述的具体问题包括：( 1 ) 不确定性对站网规划的 影响；( 2 ) 站网中增加或减少某一个测站的作用。 r d 【m g u e z i m r b e 和m e i a 【5 11 9 7 4 年在降雨时空过程相关结构的基础上建立 了雨量站网规划的方法，研究了站网规划方法对平均面雨量计算值方差的影响。 该文献从时间取样对于空间取样的交替使用的观点出发，是最早针对站网系统规 划管理问题进行研究的文献之一。 b r a s 和r o 拍g u e z i t u r b e 【6 】【7 】1 9 7 6 年提出了一种考虑技术和经济因子的雨量站 网规划程序，建立了一个在固定范围内为取得次暴雨的平均面雨量值，具有足够 精度且投资最少的雨量站网规划和优化方法，所得站网优化的结论是用测站数目 和地点以及雨量值的均方差来表示的。 l e m o n 和r o 曲g u e z 1 h 曲e 【8 】1 9 7 7 年将雨量站网规划问题处理为一个数学模 型，其目标函数是投资及某一面积上总降雨深的均方差为最小，其变量是测站数 目、各站的位置坐标和估算权重。b r a s 和c o l o n 【1 j 1 9 7 8 年将这些概念扩展到考虑 一定面积上的长期平均雨量。 s r e e 曲a m ，k e 【9 11 9 8 3 年将相关系数法应用到位于印度西南岸的卡尼亚河 流域的雨量站网规划中，假定降雨的空间变化可以通过一个空问相关函数来量 化，确定了给定误差标准下的雨量站网密度。 2 、 国内雨量站网规划研究进展 与国外相比，我国的雨量站网规划研究相对起步较晚。在2 0 世纪5 0 年代中 期我国水文工作者研制了积差法和暴雨中心控制面积法，1 9 6 5 年又提出了锥体 法进行雨量站网规划【1 0 】【l l 】【1 2 1 。这三种方法都是从如何控制暴雨中心来考虑的， 它们都基于同一假定：即漏测暴雨中心是产生面雨量误差的主要原因。这个假定 在流域面积相对较小时，基本上是正确的。但在面积很大时，其它各种因素所引 起误差的积累，也将有可能淹没由于漏测暴雨中心所引起的误差，因而使漏测雨 淘海大学硕士学位论文 实时洪水预报系统雨量站鼹论证研究 心的误差居于次要的地位。在这种情况下，漏测暴雨中心是误差的主要来源这一 假定，将难以符合实际。文献1 1 指出，由于单宽平均雨深并不能代表面雨深， 所以积差法在理论上存在缺陷，不宜继续用于雨量站网密度的分析；暴雨中心控 制面积法由于给出的布站间距过小，增加了过多的雨量站，不符合经济、高效原 则，只适用于对暴雨中心雨量的精度有特殊要求的地区；锥体法虽然不失为对现 有雨量站网作粗略估计的可行方法，但该方法做了许多概化，忽略了许多影响精 度的因素，不适用于面积过大的流域。 而后，在1 9 7 8 年8 月原水电部水文水利管理司召开的“水文测验方法研究 座谈会”上，提出了开展雨量站网密度实验研究专题的设想【1 3 1 1 4 】。同年1 1 月以 ( 7 8 ) 水电管字第3 3 号文关于加强水文测验研究工作的意见水文测验方法 研究座谈会纪要，正式确定湿润区“雨量站网密度的研究”，由江西省水文局( 原 江西省水文总站) 牵头、河海大学( 原华东水利学院) 为协作单位共同完成。其内容 为：“选择典型暴雨区：用很大的密度布设雨量站，研究暴雨在面上的分布，探 讨雨量站密度和资料精度间的关系”。 这个课题先后提出分析研究成果及报告约3 0 篇，在雨量站网规划方法的研 究方面也有了许多新的成果，如抽站法【】5 】。抽站法即利用雨量站网稠密地区的全 部雨量资料计算面平均雨量，作为该流域面平均降雨的近似真值，然后按分布均 匀的抽站原则抽去一部分雨量站，再计算面平均雨量，与真值比较，计算其误差， 寻求误差与布站密度、统计时段和地形等因素的关系，探讨满足精度要求的布站 数量。抽站法概念直观，因此常被用来作为衡量和检验其它方法的标准。 刘权授、张桂娇等【16 】，应用中国梅雨雨量站网实验区高密度的雨量站点资料， 按照不同降雨时段采取均匀随机抽站方法，以保证率为9 0 ，面雨量相对误差为 目标函数得出雨量站数。并以上述计算成果为基础，选择相应的地理因子，用逐 步回归法建立了江西地区雨量站网密度公式。邵建敏、丘汀萌1 7 】，引用此公式， 对福建省雨量站网密度进行了分析，给出了雨量站网的调整意见。 段水强、吴秀琴【18 1 ，应用计算机随机抽站和组合抽站两种方法，对青海徨水 支流巴州沟流域配套雨量站网进行雨量站网规划，采用6 、1 2 、2 4 小时三种计算 时段、四种允许误差( 5 、l o 、1 5 、2 0 ) ，分别进行计算后，确定了该流域 的合理布站密度。 4 第一章绪论 李志义、狄方洪等1 轴应用抽站法，以宾县径流实验站历年实测资料为基础， 对流域雨量站站网密度进行合理性分析。张正康、胡凤彬、廖劲红等【10 】应用组合 抽站法，分析论证了雨量站网密度和站址代表性问题，提出了从暴雨洪水计算角 度来讲，雨量站网密度可以适当放宽。 随后，相关系数法也引入雨量站网规划方法中。金光炎【2 0 将以抽站法为基础 的相关系数法应用在雨量站网密度分析中，以抽站法为基础，探索用相关系数与 站距的关系来确定雨量站的密度。魏进春、韩友平等【2 l l 在2 0 0 1 年以深圳市1 4 个雨量站的实测雨量资料为样本，结合地图量算的测站间距离，采用平均相关系 数法计算出各流域面积下的雨量站数目。 随着人们对水文规律的进一步认识和电子计算机技术的发展，流域水文模型 迅速发展起来。流域水文模型也开始运用到雨量站网规划中，这就是现在运用比 较多的流域水文模型法【”l 。2 0 世纪8 0 年代开始，我国站网工作者用流域水文模 拟技术来进行站网规划，特别是在南方湿润区，约1 0 0 万平方公里范围内作了较 长时间的实践。采用流域水文模拟法建立的站网分布，能够在规划区域内移用多 种水文特征值及其变化过程。由这种方法规划的站网稳定性较好。 张桂娇等口2 】，选取江西雨量站网实验区内己收集到的雨量站数所取的相应面 平均雨量，通过新安江模型模拟出口断面流量过程，并与实测流量过程相比，评 定误差，在给定的允许误差条件下，决策出最佳配套雨量站数。 张正康、楼峰青等利用江西地区雨量站网密度公式和以洪水计算精度为目 标函数两种方法，分析了浙江省雨量站网密度。并以上述两种雨量密度成果作为 雨量站网规划的依据，结合当地情况及雨量站代表性等因素进行了浙江省雨量站 网优化。 1 - 2 2 实时修正理论的研究进展 作为防洪减灾的重要依据，洪水预报起着巨大的作用。这既是对水文工作者 努力的肯定，又给水文工作者提出了更高的要求，需要进一步提高洪水预报的精 度，为防洪减灾提供更精确的预报结果。 如何提高洪水预报，特别是实时预报的精度? 除了进一步完善预报模型结构 之外，需要我们对实时预报中的实时误差进行实时修正。 实时修正技术的研究方法很多，归纳起来，按修正内容划分，可分为模型误 翔海大学硕士学位论文 实时洪水预报系统雨量站两论证研究 差修正、模型参数修正、模型输入修正和综合修正四类。模型误差修正，以自回 归方程为典型，即根据误差系列建立自回归模型，再由实时误差预报未来误差； 模型参数修正，有参数状态方程修正，工业、国防自动控制中的自适应修正和卡 尔曼滤波修正等方法；模型输入修正，主要有滤波方法，如典型的卡尔曼滤波、 维纳滤波等；这些修正方法的基本特点，都是以实时计算误差系列为基本信息依 据。 目前常采用的实时修正方法和技术口4 7 具体主要包括： ( 1 ) 误差自回归实时修正算法 这一算法最常用的模型是a r 模型口4 【2 ”，认为模型计算值和实钡4 值之间的误 差序列是相关的，而且是与按时间顺序排序的误差之间有相关关系，并且可用一 个p 阶自回归模型来模拟。在此基础上王凤君等冽在1 9 9 5 年提出了误差时序分 配实时校正法，克服了普通自回归模型由于前一个误差跳动而产生的不良影响。 ( 递推最小二乘估计算法 递推最小二乘是根据最新输入与输出的信息为实时预报误差赋予一定权重， 用以校正模型的参数或校正模型的输出值，从而进行实时修正。何少华【3 0 】口1 】把 误差自回归和递推最小二乘算法结合起来，提出了联合实时校正方法。他提出在 实时预报中，首先根据得到的实时信息采用递推最小二乘法改变模型参数，修正 预报值，作为模型的第一次校正：然后采用误差自回归模型对预测值第二次修正。 此方法基本上消除了单纯递推最小二乘方法校正时过程线剧变而跟踪迟缓的缺 点。 ( 3 ) 卡尔曼滤波算法 卡尔曼滤波是根据使误差协方差矩阵最小的原则，赋以预报精度一定权重， 通过校正系统的状态变量以实现实时校正预报。然而，水文系统的复杂性使得卡 尔曼滤波方法在应用时难以满足数学模型和噪声统计完全准确的要求，致使卡尔 曼滤波在水文系统实时预报的应用中还受到一定的局限。 除以上三种常用的方法之外，张新建等3 2 1 还提出了利用相似性原理进行实时 校正的计算方法。 第一章绪论 1 3 本文的研究思路与主要内容 1 3 1 研究目的 要提高洪水预报系统的精度，首先要保证资料的合理性和有效性。降雨资料 是洪水预报模型中最重要的输入，雨量资料的误差是洪水预报模型误差的重要来 源。雨量资料的好坏，将直接影响洪水预报的精度。因此，合理地规划和优化雨 量站网，可以大大提高洪水预报系统的精度。 本文的研究目的在于，在消化和吸收前人对雨量站网规划理论和方法研究成 果的基础上，总结其中的优点和不足，探索为洪水预报服务的雨量站网规划的新 目标函数，并提出在雨量站网规划中考虑实时修正的作用，合理地规划、优化雨 量站网，使得站网选择更加经济、合理。另外，通过将文中提出的雨量站网规划 方法在几个流域的应用研究，为该方法实用化的发展和更广泛的应用提供实例并 打下坚实的基础，为进一步的研究提供借鉴作用。 1 3 2 研究思路和主要技术路线 1 、雨量站网规划中目标函数的分析与检验 本研究先设计一个输入、输出和参数都是己知的且不存在任何误差的理想系 统，如采用新安江模型由降雨和蒸发推求出口断面出流的系统，假设己知各种参 数，在给定一个雨量站数的情况下，计算出理想的出流系列，并把这些参数、降 雨、蒸发以及出流系列，作为系统已知的真值。然后在该真值系列上加上发生频 率较高的随机误差。在不同的目标函数约束下，利用新安江模型进行雨量站网规 划，并与真值进行比较。如果规划出来的雨量站数与真值系统下的雨量站数相同， 则说明选定的目标函数是合理的。 2 、站网密度与流域面积的关系分析 选用不同地区的5 个流域，基于选定的目标函数，利用三水源新安江模型进 行雨量站网规划，探讨目标函数的通用性，同时分析站网密度与流域面积之间的 关系。 3 、实时修正在雨量站网规划中的应用 在选定了合理的目标函数的基础上，分别在无实时修正和有实时修正的情况 下用新安江模型进行雨量站网规划，选出在目标函数约束下的最佳站网。然后通 阔海大学硕士学位论文实时洪永预报系统雨量站嘲论证砚究 过比较两种情况下的雨量站网规划结果，分析具有实时修正功能的精度较高的洪 水预报方案对减少雨量站网密度的效果。 1 3 3 主要研究内容 本文的主要内容如下： 第一章绪论。首先提出本文研究的问题，然后详细介绍国内外雨量站网规划 方法以及实时修正理论的研究进展。指出目前雨量站网规划方法的不足及本文的 研究意义和研究思路。 第二章雨量站网规划中目标函数的分析与检验。传统的雨量站网规划方法大 多数是以面平均雨量值为目标函数。2 0 世纪8 0 年代以后发展起来的流域水文模 型法，通过水文模型模拟流域出口断面的流量过程并与实测流量过程比较，以计 算流量的合格率作为目标函数。合理布设配套雨量站站数，一方面是为了获取精 确的雨量资料，提高洪水预报精度和其他水文分析计算的精度：另一方面，要使 雨量站起到应有的作用，避免造成经济上的浪费。传统的规划方法或者只考虑了 前一种，或者没有明确、直观将这些影响因素考虑在目标函数里面。本文提出了 综合考虑洪量、洪峰、确定性系数、洪水合格场次、雨量站数等各方面因素的目 标函数，假定个理想系统，用理想模型对其进行分析检验，确定了流域雨量站 网规划的目标函数。 第三章站网密度与流域面积的关系分析。选用不同地区的5 个大小不相同流 域，在第二章所分析的雨量站网规划目标函数的约束下，利用三水源新安江模型 进行雨量站网规划，并与其他规划方法的结果进行比较，验证目标函数的通用性。 并建立站网密度与流域面积之间的关系。 第四章实时修正在雨量站网规划中的应用。利用历史洪水的已知实测流量信 息，将实时修正引入雨量站网规划中。选用闽江七里街流域1 9 8 8 1 9 9 8 年的4 0 场洪水，采用误差自回归( a r ) 模型在模拟过程中进行实时修正。通过与没有 实时修正情况下的雨量站网规划结果相比较，探讨具有实时修正功能的精度较高 的洪水预报方案对减少雨量站网密度的效果。并将此方法应用在其他四个不同的 流域，以检验其效果。 最后，在第五章中对全文进行了总结并展望未来，提出需要进一步研究的问 题，为今后的工作提供参考作用。 第二章雨量站网规划中目标函数的分析与检验 第二章雨量站网规划中目标函数的分析与检验 2 1 概熹苤 目标函数是衡量方案好坏的关键。一个好的目标函数，能够正确地反映各个 参数对方案的影响。在雨量站网规划中，评定一个站网是否最优主要有两个指标： 精度指标和经济指标。 文献3 3 第l 篇论文中指出，目前国内外常用“足够的精度”作为站网规划 设计的控制定量指标。一个有资格被称为优化站网规划的方案，应该有定量的精 度标准。因为有了精度指标，才能进行各种方案比较，择优选取。 我国常用的雨量站网规划方法大多数是以面平均雨量值为目标函数，包括传 统的锥体法、暴雨中心面积法、积差法，以及后来出现的抽站法等。2 0 世纪8 0 年代以后发展起来的流域水文模型法，通过水文模型模拟流域出口断面的流量过 程并与实测流量过程比较，以预报流量的合格率作为目标函数。 合理布设配套雨量站站数，一方面是为了获取精确的雨量资料，提高洪水预 报精度和其他水文分析计算的精度；另一方面，要使雨量站起到应有的作用，避 免造成经济上的浪费。上述规划方法或者只考虑了前一种，或者没有明确、直观 地将这些影响因素考虑在目标函数里面。 针对这些问题，本章提出综合考虑了洪量、洪峰、洪水合格场次、雨量站数 等各方面因素的用于雨量站网规划的目标函数，并假定一个理想系统，用理想模 型对其进行分析检验，确定了适用于流域雨量站网规划的目标函数。 2 2 雨量站网规划方法 2 2 1 几种雨量站网规划方法的比较 我国传统的雨量站网规划方法有2 0 世纪5 0 年代中期研制的积差法和暴雨中 心控制面积法以及1 9 6 5 年提出的锥体法等。这三种方法由于简便易行，对资料 系列要求较宽，至今仍为许多水文工作者所沿用。但其缺点是采用相同的允许误 河海大学硕士学位论文 实时洪水预报系统雨量站两论证研究 差，所给出的结果相差甚大，无法进行相互校核和印证。特别是在流域面积很大 时，很难满足漏测暴雨中心是误差的主要来源这一假定，不适宜用这三种方法。 因此，下面主要比较现在国内应用比较广泛的两种雨量站网规划方法抽站法 和流域水文模型法。 抽站法即利用雨量站网稠密地区的全部雨量资料计算面平均雨量，作为该流 域面平均降雨的近似真值，然后按分布均匀的抽站原则抽去一部分雨量站，再计 算面平均雨量，与真值比较，计算其误差，寻求误差与布站密度、统计时段和地 形因素的关系，探讨满足精度要求的布站数量。抽站法概念直观，常用来作为衡 量和检验其它方法的标准。 抽站法目前常用的有计算机随机抽站法、组合抽站法和人工抽站法。所谓组 合抽站法就是将数学中组合的概念应用到抽站中来，将每一种组合都能抽取到的 方法。随机抽站与组合抽站相比，除了站号产生的方式不同以外，其余的计算步 骤都是相同的。这两种抽站法包含了各种各样的组合方案，当然也包括了极不合 理、极恶劣的站网分布情况。它们的优点是将流域所有布站优劣情况反映出来， 更能说明布站优劣的问题；缺点在于计算量大，耗费机时太多。而人工抽站法则 是根据流域雨量站网分布情况及降雨分布情况，人为地剔出了一些恶劣的站网分 布情况，大大减少了计算量。 流域水文模型法是随着流域水文模型的迅速发展而产生的。所谓流域水文模 型法，就是其中模型的雨量输入是基于配套雨量站所求得的面平均雨量值。方法 是逐个增加配套雨量站的个数，然后求得雨量面平均值作为模型输入，直到继续 增加雨量站个数而模型的精度基本不再增加为止。 因此，抽站法和流域水文模型法在方法上是基本一致的，不同之处在于抽站 法的精度标准是面平均雨量，而流域水文模型法则是以出口断面的预报流量的合 格率为控制标准。但就如前面所讲，建立雨量站网的一个主要的任务就是为洪水 预报提供雨量资料，因此，雨量站网布置得合理与否，是由洪水预报精度决定的。 流域水文模型法以预报流量的合格率作为控制条件，较抽站法明确、直观。然而， 洪水预报精度并不只是以合格率来衡量。所以，仅仅以合格率为目标函数比较单 一。同时，从经济角度出发，在满足预报精度要求的前提下雨量站越少越好。而 1 0 第二章雨量站网规划中目标函数的分析与检验 这些，在以前的目标函数研究中考虑得并不全面。 2 2 2 本文所用的雨量站网规划方法 本文雨量站网规划分析采用抽站法同流域水文模型法相结合的方法。按分布 均匀的抽站原则逐个增加抽去雨量站的个数，以剩下的雨量站的面平均雨量作为 流域水文模型的输入，通过模型计算出出口断面流量过程，直到满足目标函数的 要求为止。而这个目标函数，i e 是本章所要分析和研究的内容。 至于具体的抽取雨量站的方法，由于采用计算机随机抽站法和组合抽站法计 算量相当大，特别是在流域面积大、雨量站数比较多的流域。而人工抽站法根据 流域雨量站网分布情况及降雨分布情况，人为地剔出了一些恶劣的站网分布情 况，可以大大减少计算量，因此本文采取人工抽站法。 2 3 目标函数初定 雨量站越多，越能更好地控制流域内的雨量变化，计算的面雨量值代表性好， 洪水预报精度高，但投资增大；相反雨量站少，投资可以相应地减少，却必然会 降低洪水预报的精度。因此，雨量站网规划的目的就是在保证洪水预报精度的前 提下兼顾经济效益，即用尽可能少的雨量站，获得较满意的洪水预报精度。 对雨量站网规划来说，经济效益的指标主要是指雨量站数( n ) 。而洪水预 报精度的评定标准主要是洪量误差、洪峰误差、合格场次、确定性系数等。确定 性系数反映的是计算流量过程线和实测流量过程线拟合的程度，因为实测流量值 均是由观测水位根据水位流量关系曲线推算而得，而由于水面波动引起的观测水 位上下浮动，导致流量过程线出现锯齿状的情况普遍存在，因此，在目标函数中 暂不考虑确定性系数。设综合反应经济效益和洪水预报精度的指数为6 ，则 占= f ，k ，d r ，d q ，m ) ( 2 1 ) 其中，n 流域原有雨量站站数： k 站网规划时选用的雨量站站数： m 洪水合格场次； d r 、d q 预报洪量、洪峰误差绝对值( 以计) ； 具体计算公式见式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 。 一1 1 洞海大学硕士学位论文实时洪水预报系统雨量站厨论证研究 踯) = 半。 d q ( 呦= 皆。 式中：r ，计算径流深； r 。实测径流深； 9 m 。实测洪峰流量 乏) m c 计算洪峰流量 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 为了对规划结果作出客观的评价，可以将目标函数转化为一些具体的可操作 的指标，有以下三个： 1 、经济效益指标。经济效益与原有的雨量站站数( n ) 及选用的雨量站站数 ( k ) 有关。有两种表示方式： 一种以选用雨量站数的比例表示，即： f 】= 里 ( 2 4 ) 另一种引入【3 4 】： f 1 2 = ( 1 + 七玎) ( 1 一七行) - 1 可化为： f 1 ：掣 ( 2 5 ) 1 1 2 一h k 、7 当选用站数为原雨量站站数，即k = 玎时，式( 2 5 ) 分母为0 。为避免这种 的。 ( 2 6 ) 由式( 2 4 ) 、( 2 6 ) 可知，随着选用雨量站数k 的减小，f l l 、f 1 2 也是减小 2 、洪水预报精度指标。主要是指洪量误差和洪峰误差。提出以下两种函数 m ( k 。d r + k ：d q ) f 2 - 2 旦面一 1 2 ( 2 7 ) 未 1 1 为变) 52 (式将况 睛 第二章雨量站网规划中目标函数的分析与检验 m ( k 脉2 + k ：d q 2 ) f 2 z3 上l 1 ( 2 8 ) 其中，m 总共的洪水场次； k 。一一洪量误差的权系数： k 2 洪峰误差的权系数； 1 和如反映的是平均次洪综合误差大小，包括洪量误差和洪峰误差。一般 来说，水库以洪量为主，k ，2k ：；而河道型流域以洪峰为主，k ，k ：。k 。、k ： 可以通过理想模型系统分析来确定。 3 、合格场次。主要是指是以合格率表示： ：罢 ( 2 9 ) 4 m 。 因此，综合指数j 可以看作是三种函数的组合，随k 值变化： 占= f ( f l 。，f 2 。，f 3 ) f = 1 ，2 ( 2 1 0 ) f l j 是k 的增函数，当所取的雨量站数减小，即k 减小时，f l i 也减小；而f 2 i 和f 3 是k 的减函数，k 减小时，误差变大，i 、f 3 变大。因此，当k 减小到一定 值时，j 不再减小反而增大。所以，在确定目标函数时，关键问题在于如何综合 考虑f l i 、坛、f 3 之间的平衡协调关系，如何对各个函数进行组合得到一个综合目 标函数。 将函数f l i 、屯、f 3 进行组合，可得到以下8 种不同的目标函数： 1 3 润海大学碗士学位论文 实耐洪水颈报系统雨量站两论证研究 表2 1 目标函数的不同组合 目标函数 组合类型表达公式 4f ( f ，f 2 。) 。( k 1 d r + k2 d q ) a = 兰 一 1 ”1 0 0 m 以f ( f 1 ，k ) ( k l d r 2 + k ：d q 2 ) 矗：兰 “ ”1 0 0 m 蠡 f ( f 1 ，f 2 。，f 3 ) 片一i + 蔷( k - d r + 。z d q ) ，”、 吒。 “一 l l o o m嘧) 、m 。 坑 f ( f 1