自动校准的洪水滚动预报方法与流程

1.本发明涉及一种自动校准的洪水滚动预报方法。适用于洪水预报领域。


背景技术：

2.目前，利用实时气象信息数据驱动数值模型进行水文预报的方法已有较多的应用，但是大部分的水文预报仅基于传统的水文模型开展的。在利用水文水动力学耦合计算的模型进行实时预报时往往会因为计算稳定性和数据融合性等问题导致预报精度和时效性不够。现有技术中的河道模型计算方法存在以下缺陷：
3.1)水文水动力耦合模型稳定性不高。水动力学模型在进行实时计算的时候，往往会因为河道工况复杂、实时数据的质量参差不齐等原因，导致模型计算时往往容易产生发散等不稳定性的问题，这些发散会导致模型预测的累积最终导致结果无法使用。传统预报方法中的一维河网模型采用环状和枝状混合河网统一求解模式，未考虑河网中存在水工结构物，河道中有堰坝、桥梁、围堰、水闸等情况下该方法无法准确模拟水工建筑对河道水位的影响，在实际工程应用中有较大局限性。
4.2)越来越多的实时数据没有有效融合利用。近些年，随着水文监测站点的不断建设，大量的实时降雨站点和水文站点均已经建设运行，海量的可以利用的实时数据在传统预报方法中并未得到有效的融合和利用。
5.3)预报计算的时效性不够。当前的预报方法基于传统的水文模型和预报方式开展，在对大量数据分析时，往往没有建立有效的数据融合技术，导致处理实时数据的时间效率低，往往因此会耽误预报的效率，导致预见期缩短。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种自动校准的洪水滚动预报方法。
7.本发明所采用的技术方案是：一种自动校准的洪水滚动预报方法，其特征在于：
8.获取用户在模拟区域内确定的预报站点，根据模拟区域内河道的空间拓扑关系确定预报站点与其上、下游的站点及河段的拓扑关系；
9.提取模拟计算时刻模拟区域内沿程河道的实测水位或流量数据，对实测水位或流量数据进行插值，并将插值后的数据输入经验证的洪水滚动预报模型；
10.通过洪水滚动预报模型根据输入的数据、预报站点和预报站点的上、下游拓扑关系输出该预报站点的预报水位和流量数据；
11.采用实测数据对预报水位和流量数据进行数据同化；
12.所述洪水滚动预报模型包括模拟区域对应的一维非恒定流数值模型和与一维非恒定流数值模型耦合的nam水文模型。
13.所述洪水滚动预报模型的验证包括：
14.获取用户确定的模拟区域；
15.获取模拟区域内的地形及水利条件数据，获取模拟区域内的水文及气象数据；
16.基于模拟区域内的地形及水利条件数据在mike11中生成一维非恒定流数值模型；
17.基于模拟区域内的水文及气象数据在mike11中生成nam水文模型；
18.根据模拟区域内的历史洪水数据对一维非恒定流数值模型和nam水文模型进行验证及参数修正。
19.所述基于模拟区域内的水文及气象数据在mike11中生成nam水文模型，包括：
20.根据模拟区域的地理地形数据，通过gis对模拟区域内河道各个河段的汇水分区进行划分，计算每个分区的面积；
21.根据降雨站点的空间位置分布确定与分区的面积权重关系，并以此计算每个分区的面雨量；
22.选择分区临近的蒸发站的数据作为面蒸发量；
23.根据面雨量和面蒸发量，在mike11中建立基本的nam水文模型。
24.所述对实测水位或流量数据进行插值，依据河道的空间拓扑关系以及河道的剖面稳定过程线进行。
25.所述采用实测数据对预报水位和流量数据进行数据同化，包括：
26.基于卡尔曼滤波技术，构建实时校正模型，进行实时数据同化，并对误差进行预报。
27.所述一维非恒定流数值模型的一维非恒定流方程组如下：
[0028][0029]
式中：b为水面宽，z为水位，q为流量，q为旁侧入流，v为断面平均流速，g为重力加速度，a为过水断面面积，k为过水断面的流量模数。
[0030]
一种自动校准的洪水滚动预报装置，其特征在于，包括：
[0031]
预报目标确定模块，用于获取用户在模拟区域内确定的预报站点，根据模拟区域内河道的空间拓扑关系确定预报站点与其上、下游的站点及河段的拓扑关系；
[0032]
初始条件提取模块，用于提取模拟计算时刻模拟区域内沿程河道的实测水位或流量数据，对实测水位或流量数据进行插值，并将插值后的数据输入经验证的洪水滚动预报模型；
[0033]
模型预报模块，用于通过洪水滚动预报模型根据输入的数据、预报站点和预报站点的上、下游拓扑关系输出该预报站点的预报水位和流量数据；
[0034]
数据同化模块，用于采用实测数据对预报水位和流量数据进行数据同化；
[0035]
所述洪水滚动预报模型包括模拟区域对应的一维非恒定流数值模型和与一维非恒定流数值模型耦合的nam水文模型。
[0036]
还包括模型验证模块，用于
[0037]
获取用户确定的模拟区域；
[0038]
获取模拟区域内的地形及水利条件数据，获取模拟区域内的水文及气象数据；
[0039]
基于模拟区域内的地形及水利条件数据在mike11中生成一维非恒定流数值模型；
[0040]
基于模拟区域内的水文及气象数据在mike11中生成nam水文模型；
[0041]
根据模拟区域内的历史洪水数据对一维非恒定流数值模型和nam水文模型进行验证及参数修正。
[0042]
一种存储介质，其上存储有能被处理器执行的计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被执行时实现所述自动校准的洪水滚动预报方法的步骤。
[0043]
一种自动校准的洪水滚动预报设备，具有存储器和处理器，存储器上存储有能被处理器执行的计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被执行时实现所述自动校准的洪水滚动预报方法的步骤。
[0044]
本发明的有益效果是：本发明将一维非恒定流数值模型与nam水文模型无缝耦合，共同构成洪水滚动预报模型，本发明考虑水利工程的调度对水位的影响，更加精确地描述沿河水利工程对预报的影响。本发明中水文模型的分区更加有针对性和精细化，在进行水文分区划分时考虑实时遥测降雨站的位置和降雨的时空特征，所建立的水文模型能够更准确地反映降雨情况。本发明通过数据同化技术能够实时融合监测数据，提高系统预测的基础水平和预见期。
附图说明
[0045]
图1为实施例中模拟区域内的拓扑结构示意图。
具体实施方式
[0046]
本实施例为一种自动校准的洪水滚动预报方法，具体包括以下步骤：
[0047]
获取用户在模拟区域内确定的预报站点，根据模拟区域内河道的空间拓扑关系确定预报站点与其上、下游的站点及河段的拓扑关系；
[0048]
提取模拟计算时刻模拟区域内沿程河道的实测水位或流量数据，依据河道的空间拓扑关系以及河道的剖面稳定过程线，对河道沿程实测水位或流量数据进行插值，以获得更准确的初始条件，并将插值后的数据输入经验证的洪水滚动预报模型，用于模型的初始启动计算；
[0049]
通过洪水滚动预报模型根据输入的数据、预报站点和预报站点的上、下游拓扑关系输出该预报站点的预报水位和流量数据；
[0050]
采用实测数据对预报水位和流量数据进行数据同化，基于卡尔曼滤波技术，构建实时校正模型，对实测水文站点进行实时数据同化，并对误差进行预报。
[0051]
本实施例中洪水滚动预报模型包括模拟区域对应的一维非恒定流数值模型和与一维非恒定流数值模型耦合的nam水文模型，其构建及验证方法包括：
[0052]
a、获取用户确定的模拟区域；
[0053]
b、获取模拟区域内的地形及水利条件数据，具体包括获取模拟区域的地形、地物等条件，将模拟区域内地形、地貌、地物、水体、等水利条件数据化，生成包含模拟区域内地形和水工结构物的地形散点，再将散点地形转换成mike11支持的断面文件；
[0054]
c、获取模拟区域内的水文及气象数据，具体包括获取蒸发、降雨、水位、流量等数据并将蒸发、降雨、水位、流量等数据处理成mike11支持的数据格式；
[0055]
d、基于模拟区域内的地形及水利条件数据在mike11中生成一维非恒定流数值模
型，在mike11中导入步骤b建立的断面文件，生成模拟区域的基本数值模型，对模拟区域的基本数值模型建立河网文件，再在河网模型中设置水工结构物、水位流量边界、底部阻力参数、初始参数以及求解格式，得出模拟区域的一维非恒定流数值模型；
[0056]
一维非恒定流数值模型的一维非恒定流方程组如下：
[0057][0058]
式中：b为水面宽，z为水位，q为流量，q为旁侧入流，v为断面平均流速，g为重力加速度，a为过水断面面积，k为过水断面的流量模数。
[0059]
e、基于模拟区域内的水文及气象数据在mike11中生成nam水文模型，具体包括根据模拟区域的地理地形数据，通过gis对模拟区域内河道各个河段的汇水分区进行划分，计算每个分区的面积；根据降雨站点的空间位置分布确定与分区的面积权重关系，并以此计算每个分区的面雨量；选择分区临近的蒸发站的数据作为面蒸发量；根据面雨量和面蒸发量，在mike11中建立基本的nam水文模型；
[0060]
f、根据模拟区域内的历史洪水数据对一维非恒定流数值模型和nam水文模型进行验证及参数修正；
[0061]
将步骤d中建立的一维非恒定流数值模型中的断面条件修改为历史洪水条件下的断面条件；将历史资料中记载的入流流量、出流水位输入修改后的一维非恒定流数值模型中，得出在历史资料记载的条件下的模拟洪水位，将模拟洪水位与历史资料记载的实际洪水位进行对比，若模拟洪水位与历史资料记载的实际洪水位相比，不满足精度要求，则对一维非恒定流数值模型内的参数进行修正，直到模拟结果满足精度要求。
[0062]
以下以钱塘江中下游区域的洪水为分析对象(见图1)，基于本实施例构建预报方法，具体工作包括以下步骤：
[0063]
1、确定模拟区域：
[0064]
在项目所在地区内考虑到主要预报站点，确定主要模拟范围为衢州水文站～澉浦水文站。主干河道包含衢江段、兰江段、富春江段以及钱塘江段。沿程汇入支流主要有金华江、新安江、浦阳江、分水江，以各支流上水文站点为模型边界。主干河道衢州至兰溪主要水工建筑物有塔底梯级、安仁梯级、红船豆梯级、小溪滩梯级、游埠枢纽、姚家枢纽、富春江枢纽。计算区间集水面积为17448km2。
[0065]
2、确定预报站点及上下游拓扑关系、预报目标(水位、流量)：
[0066]
确定预报站点为兰溪水文站，预报目标为水位及流量。干流上游边界为衢州水文站，下游为澉浦水文站。金华江为兰溪水文站以上的一大支流，以金华水文站为边界。兰溪水文站下游支流新安江以新安江水库为边界，支流分水江以分水江水文站为边界，支流浦阳江以诸暨水文站为边界。
[0067]
3、模拟区域数据化：
[0068]
在实测该区域1:1000地形图的基础上，对模拟区域的范围进行详细勘查，全面掌握现场条件，广泛搜集有关水文水利资料，并针对模拟区域上下边界、水库等主要影响因素进行深入调查研究。
[0069]
通过cad将模拟区域内的地形、地貌、地物、水体、水利条件等参数转化成包含模拟区域内地形、地貌、地物、水体、水利条件信息的矢量地形图。
[0070]
然后将上述得到的矢量地形图输出为mike11工程软件工具包支持的.xyz格式的数据文件，再通过自编数据处理表格将.xyz格式的数据文件转换成可在mike11中运行的断面数据文件。综合考虑断面变化情况及计算稳定性，断面间距取为800～3000m。
[0071]
将收集到的模拟范围内的水文、气象数据整理成mike11中识别的格式。
[0072]
模拟区域的边界为：上边界起于衢州水文站，下边界至澉浦水文站。
[0073]
4、建立一维非恒定流数值模型和水文模型：
[0074]
在mike11中生成模拟区域范围内的河网模型，导入步骤3)生成的断面文件，再在模型中设置各边界入流条件，得出模拟区域的一维非恒定流数值模型，构建与一维非恒定流数值模型无缝耦合的水文模型，具体方法包括如下步骤：
[0075]
4.1、一维非恒定流数值模型：
[0076]
根据确定的研究区域及河网，通过gis软件将1:1000地形图的河道边线、中心线存成shp文件格式。打开mike11，导入shp文件作为背景，形成初步河网文件，再将支流与干流进行连接。将步骤3)建立的断面文件导入mike11中，形成模拟区域的一维非恒定流数值模型。
[0077]
4.2、水文模型：
[0078]
根据研究区域的地理地形数据，通过gis对各个河段的汇水分区进行划分，计算每个分区的面积。根据降雨站点的空间位置分布确定与分区的面积权重关系，并以此计算每个分区的面雨量。选择分区临近的蒸发站的数据作为面蒸发量。根据以上基本数据，在mike11中建立基本的nam水文模型。
[0079]
4.3、边界定义：
[0080]
本次一维模拟的范围为衢州水文站～澉浦水文站的河道，计算范围干流河道总长度约331km。计算范围内包括塔底梯级、安仁梯级、红船豆梯级、小溪滩梯级、游埠枢纽、姚家枢纽、富春江枢纽主要结构物。模型干流上边界为衢州，采用流量边界；下边界为澉浦，采用水位边界。
[0081]
一维模型主要边界情况表
[0082][0083]
5、通过历史洪水数据对一维非恒定流数值模型、水文模型进行验证及参数修正：
[0084]
本次模型采用塔底梯级、安仁铺梯级、洋港、兰溪、女埠、富春江坝上、桐庐、窄溪、富阳、闻家堰、七堡等多个站水位及流量过程进行验证。根据2017年和2020年的两场洪水资料对水文、一维非恒定流数值模型的参数进行验证。
[0085]
6、建立初始条件插值方法
[0086]
通过提取模拟时刻的实测水位或者流量数据，依据河道的空间拓扑关系以及河道的剖面稳定过程线，对沿程的计算点的水位和流量进行插值，以获取更准确的初始条件，并确保模型能够稳定运行。
[0087]
7、建立数据同化方法
[0088]
基于卡尔曼滤波技术，构建实时校正模型，对实测水文站点进行实时数据同化，并对误差进行预报。本试点项目的数据同化采用兰溪站的实时水位和流量数据进行耦合同化。
[0089]
8、建立预报模型
[0090]
基于验证后的洪水滚动预报模型、初始插值方法以及数据同化方法，建立模型，实现自动校准和滚动预报。
[0091]
本实施例还提供一种自动校准的洪水滚动预报装置，包括预报目标确定模块、初始条件提取模块、模型预报模块和数据同化模块，以及模型验证模块。
[0092]
本例中预报目标确定模块用于获取用户在模拟区域内确定的预报站点，根据模拟区域内河道的空间拓扑关系确定预报站点与其上、下游的站点及河段的拓扑关系；初始条件提取模块用于提取模拟计算时刻模拟区域内沿程河道的实测水位或流量数据，对实测水位或流量数据进行插值，并将插值后的数据输入经验证的洪水滚动预报模型；模型预报模块用于通过洪水滚动预报模型根据输入的数据、预报站点和预报站点的上、下游拓扑关系输出该预报站点的预报水位和流量数据；数据同化模块用于采用实测数据对预报水位和流
量数据进行数据同化。
[0093]
本实施例中模型验证模块，用于获取用户确定的模拟区域；获取模拟区域内的地形及水利条件数据，获取模拟区域内的水文及气象数据；基于模拟区域内的地形及水利条件数据在mike11中生成一维非恒定流数值模型；基于模拟区域内的水文及气象数据在mike11中生成nam水文模型；根据模拟区域内的历史洪水数据对一维非恒定流数值模型和nam水文模型进行验证及参数修正。
[0094]
本实施例还提供一种存储介质，其上存储有能被处理器执行的计算机程序，该计算机程序被执行时实现本实施例中自动校准的洪水滚动预报方法的步骤。
[0095]
本实施例还提供一种自动校准的洪水滚动预报设备，具有存储器和处理器，存储器上存储有能被处理器执行的计算机程序，该计算机程序被执行时实现本实施例中自动校准的洪水滚动预报方法的步骤。