相應(yīng)流量自動(dòng)化實(shí)時(shí)報(bào)汛技術(shù)研究

林 偉（河南省駐馬店水文水資源勘測(cè)局，河南駐馬店463000）

相應(yīng)流量自動(dòng)化實(shí)時(shí)報(bào)汛技術(shù)研究

林 偉（河南省駐馬店水文水資源勘測(cè)局，河南駐馬店463000）

為了對(duì)相應(yīng)流量計(jì)算模型進(jìn)行研究，本文分析了相應(yīng)流量計(jì)算模型的精度及適用區(qū)域，以單值化模型、經(jīng)驗(yàn)繩套模型、單一線模型、動(dòng)態(tài)差分模型為主進(jìn)行具體分析，另外對(duì)于各個(gè)流量的計(jì)算方式，采用人機(jī)交互技術(shù)相結(jié)合的模式，來構(gòu)建出相應(yīng)流量計(jì)算模型。

相對(duì)流量；自動(dòng)化；實(shí)時(shí)報(bào)汛技術(shù)；研究

1 傳統(tǒng)相應(yīng)流量技術(shù)與現(xiàn)代相應(yīng)流量自動(dòng)化技術(shù)的對(duì)比

在以前的人工報(bào)汛中，判斷和分析相應(yīng)流量主要依賴于測(cè)站水位流量的變化，由外推插值得到相應(yīng)信息。針對(duì)關(guān)系簡(jiǎn)單的測(cè)站，比較容易實(shí)現(xiàn)相應(yīng)流量的自動(dòng)報(bào)汛，但是水位流量繁雜的區(qū)域，就比如長(zhǎng)江中下游地段，應(yīng)用傳統(tǒng)方法就不容易做到相應(yīng)流量的報(bào)汛和計(jì)算?，F(xiàn)在構(gòu)建的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)已經(jīng)基本解決了雨量和水位報(bào)汛和自動(dòng)采集問題，可是在相應(yīng)流量這一項(xiàng)中它的防汛水文自動(dòng)報(bào)汛問題還未得到有效的處理。一些系統(tǒng)選擇簡(jiǎn)單的水位流量關(guān)系來對(duì)流量插值后進(jìn)行報(bào)汛，或者是在傳送流量信息上，達(dá)不到防汛需求。例如長(zhǎng)江水文局站點(diǎn)在自動(dòng)報(bào)汛時(shí)以人工報(bào)汛經(jīng)驗(yàn)為主，選擇經(jīng)驗(yàn)繩套方法和單值模型對(duì)復(fù)雜繩套水位流量之間的關(guān)系進(jìn)行處理，在相應(yīng)流量自動(dòng)化實(shí)時(shí)報(bào)汛技術(shù)上有一定的研究，并獲得了較好成績(jī)。我們從傳統(tǒng)研究結(jié)果的分析和總結(jié)的前提下，依照相應(yīng)流量計(jì)算模型的特征，提出改進(jìn)方法和建議，同時(shí)運(yùn)用模型自動(dòng)計(jì)算和交互處理結(jié)合的方法對(duì)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)汛，使其精度提高，下面我們具體分析它的實(shí)現(xiàn)機(jī)制及報(bào)汛軟件，使水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)得到完善。

2 分析相應(yīng)流量自動(dòng)化報(bào)汛技術(shù)

現(xiàn)在，獲得相應(yīng)流量的方法主要依靠分析測(cè)站斷面水位流量的關(guān)系，進(jìn)而找到與本站特點(diǎn)類似的水位及流量轉(zhuǎn)換相適應(yīng)關(guān)系，依照直接得到的水位觀測(cè)值對(duì)相應(yīng)流量進(jìn)行計(jì)算。伴隨著水位流量關(guān)系研究和分析工作的不斷加深，各類水位流量關(guān)系優(yōu)化計(jì)算方法和擬合方法不斷產(chǎn)生，例如最小二乘混沌算法、自適應(yīng)加速遺傳算法、蟻群算法及免疫進(jìn)化算法等，它們的曲線擬合結(jié)果有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，通常很少被應(yīng)用于實(shí)際報(bào)汛工作中。主要應(yīng)用在生產(chǎn)方面同時(shí)獲得顯著成果，就比如單值化模型、經(jīng)驗(yàn)繩套模型、單一線模型和差分模型。

2.1 分析單值化模型

通過單值化技術(shù)可以有效的解決水位流量繩套曲線，并且參證站在相應(yīng)流量模擬上應(yīng)用單值化模型進(jìn)行計(jì)算實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)報(bào)汛。在單值化模型中經(jīng)常會(huì)用到落差指數(shù)模型，這種方法自動(dòng)化程度較高，比較簡(jiǎn)便，使用的范圍較廣?，F(xiàn)在在相應(yīng)流量自動(dòng)報(bào)汛觀測(cè)站中應(yīng)用單值化模型主是運(yùn)用它的整編資料的效果。在有繩套水位流量關(guān)系的站點(diǎn)中，對(duì)應(yīng)的水位流量通常不是單一的，可是卻能夠找到一個(gè)及N個(gè)證點(diǎn)，可以把Q看作流量，q看作單值流量，而α看作其落差指數(shù)，它與本站的落差看作F，于相同水位下，得到公式為：

進(jìn)而得到落差指數(shù)的模型公式為：

在公式當(dāng)中，β代表校正系數(shù)，而模型參數(shù)通常是常數(shù)，在一些站點(diǎn)與時(shí)期和水位有關(guān)系，F(xiàn)代表的綜合落差在各站中的計(jì)算方式是有所區(qū)別的。

在實(shí)際使用當(dāng)中，依照已率定好的水位和單值化關(guān)系來計(jì)算相應(yīng)流量。由于α、F和β參數(shù)的獲取不但與實(shí)際水位有關(guān)系，并且與時(shí)間段和水位漲落趨勢(shì)有直接關(guān)系。所以，把單值化處理應(yīng)用于落差指數(shù)模型當(dāng)中時(shí)，要從全面進(jìn)行考慮。

2.2 分析經(jīng)驗(yàn)繩套模型

在應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)繩套模型方面，主要由相關(guān)人員依照測(cè)站的實(shí)測(cè)信息資料、代表性的洪水繩套線和站點(diǎn)往年平均繩套線的軸線，再與計(jì)算機(jī)交互技術(shù)相結(jié)合，運(yùn)用人工交互方法來定制和改動(dòng)水位流量關(guān)系的臨時(shí)曲線，并且以此為參照進(jìn)行自動(dòng)報(bào)汛。通常在人工報(bào)汛精度和模型精度相差太大時(shí)，會(huì)用到此種方法。

2.3 分析單一線模型

相應(yīng)水位點(diǎn)與測(cè)站的實(shí)測(cè)流量可以由單一曲線來示意，這個(gè)單一線可用任意曲線和直線來擬合，用公式表示為：

公式當(dāng)中時(shí)刻用t表示，最高指數(shù)用P表示，流量用Qr代表，水位用Hr代表，其中αo為常數(shù)，αi為系數(shù)。依據(jù)理論原則，把水位流量的單一線法轉(zhuǎn)化為更標(biāo)準(zhǔn)的單一線模型，同時(shí)與特制的計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合，就是在得到實(shí)測(cè)流量點(diǎn)之后，讓計(jì)算機(jī)自主完成線型的優(yōu)化選擇，也可以直接應(yīng)用定制的單一線，根據(jù)實(shí)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行校核，再對(duì)相應(yīng)流量進(jìn)行插值計(jì)算。在應(yīng)用單一水位流量關(guān)系的時(shí)候，通常更傾向于使用臨時(shí)線和多條單一線，所以需要把單一線擴(kuò)展為變動(dòng)綜合線，也就是說先參照以往的實(shí)測(cè)資料，建立起各年的平均單一線，之后再依照各年份的實(shí)測(cè)流量分布趨勢(shì)，以綜合線為根據(jù)進(jìn)行改正，進(jìn)而構(gòu)建出臨時(shí)單一線，用其對(duì)水位流量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。從相關(guān)研究可以看出，這些方法能夠降低應(yīng)用固定單一線出現(xiàn)的差錯(cuò)，使相應(yīng)流量報(bào)汛的精度得到提高。

2.4 分析差分模型

假如把流量和水位看成某個(gè)系統(tǒng)的輸出和輸入，直接應(yīng)用輸出及輸入的關(guān)系，同時(shí)把漲差因素的水位站看成參證，再結(jié)合站點(diǎn)的水位流量，就可以構(gòu)建出差分方程模型，對(duì)水位和流量關(guān)系的繩套曲線進(jìn)行模擬。方程式如下：

在公式中流量用 Q表示，系數(shù)由 a、b表示，n、m、k= 1，2，3，…，站點(diǎn)外的一個(gè)參證水尺由H2表示，它可以是落差F及多組的，本站水位由H1表示，由式4擴(kuò)展為水位轉(zhuǎn)換流量的差分模型，如下面公式所示：

在水位流量關(guān)系中應(yīng)用差分模型進(jìn)行短期的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的時(shí)候，可以利用水位流量資料對(duì)參數(shù)進(jìn)行追蹤，參數(shù)的適應(yīng)力很強(qiáng)，有著校正功能和自動(dòng)學(xué)習(xí)的功能。所以，應(yīng)用差分方程進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)必需借助準(zhǔn)確的相應(yīng)流量的報(bào)汛資料，如果報(bào)汛出現(xiàn)錯(cuò)誤，則會(huì)直接影響到差分模型的準(zhǔn)確率。這也是差分模型在建模中精度較高，可是在實(shí)際應(yīng)用中卻不能令人滿意原因所在。對(duì)于這一問題，我們提出了人工交互修正和繪制臨時(shí)繩套線的功能，把報(bào)汛流量值由人工校核的流量值來代替，成為模型的輸入，進(jìn)行流量與參數(shù)遞推的計(jì)算，來處理相應(yīng)流量的誤差。

3 開發(fā)相應(yīng)流量自動(dòng)化報(bào)汛系統(tǒng)

在對(duì)流量及水位轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行研究的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)構(gòu)建于數(shù)學(xué)模型的前提之下，以開放式結(jié)構(gòu)和模塊化模式對(duì)水位流量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，此外還對(duì)相應(yīng)流量的自動(dòng)計(jì)算接口進(jìn)行了研究，并結(jié)合了有報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)和生成系統(tǒng)。水位流量轉(zhuǎn)換模型對(duì)相應(yīng)處理模塊進(jìn)行了編制，它經(jīng)接口來調(diào)配水位流量轉(zhuǎn)換模型，做到了水文站與系統(tǒng)水位流量轉(zhuǎn)換的無關(guān)性，能夠靈活的更改水文站相應(yīng)流量的計(jì)算方法。另外，通過自動(dòng)查算接口，給新研制的水位流量轉(zhuǎn)換模型提供了便利，使系統(tǒng)的靈活性和通用性得到了提高。

相應(yīng)流量報(bào)汛系統(tǒng)除了做到了自動(dòng)報(bào)汛外，還實(shí)現(xiàn)了交互校正水位流量的關(guān)系、經(jīng)驗(yàn)繩套模型臨時(shí)線生成及維護(hù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型的參數(shù)等功能。在相應(yīng)流量查算之前必須完成預(yù)報(bào)臨時(shí)繩套線和水位流量關(guān)系交互分析，所以，相應(yīng)流量自動(dòng)報(bào)汛要與此模塊分開，保持獨(dú)立。此外要把臨時(shí)繩套線的預(yù)報(bào)狀況存到數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，給自動(dòng)報(bào)汛提供參考依據(jù)。這樣做不但確保了相應(yīng)流量的時(shí)效性和自動(dòng)性計(jì)算，又使相應(yīng)流量的計(jì)算根據(jù)更加合理。

4 結(jié)束語

綜上所述，我們分析了相應(yīng)流量常用模型的計(jì)算方法，同時(shí)還提出了相應(yīng)流量自動(dòng)化實(shí)時(shí)報(bào)汛精度提高的辦法。通過對(duì)單值化模型、經(jīng)驗(yàn)繩套模型、單一線模型和差分模型的具體研究，使水位流量關(guān)系得到校正和修改，進(jìn)而讓自動(dòng)化報(bào)汛系統(tǒng)的精度得到提高。

[1]張順強(qiáng)，余 立.分析我國(guó)現(xiàn)階段洪水預(yù)報(bào)技術(shù)[J].水文發(fā)展，2013（1）：63～65.

[2]張 何，李 瑞.研究自動(dòng)報(bào)汛過程中的相應(yīng)流量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[J].水文導(dǎo)讀，2015（7）：26～28.

[3]肖平陽.相應(yīng)流量自動(dòng)化實(shí)時(shí)報(bào)汛技術(shù)的應(yīng)用及研究[J].科技發(fā)展，2013（2）：29～32.

P338

A

2095-2066（2016）33-0124-02

2016-11-12

林 偉（1976-），男，助理工程師，大專，主要從事雨量觀測(cè)、水情預(yù)報(bào)、汛期大水期間閘門開啟流量的報(bào)訊工作。