基于GFS降水數(shù)值預(yù)報信息預(yù)報桓仁流域洪水-水文學(xué)論文-水利論文

基于GFS降水數(shù)值預(yù)報信息預(yù)報桓仁流域洪水-水文學(xué)論文-水利論文——文章均為WORD文檔，下載后可直接編輯使用亦可打印——

0、引言

洪水預(yù)報是指運用前期和現(xiàn)時的水文、氣象等信息，揭示和預(yù)測洪水的發(fā)生及其變化過程的應(yīng)用科學(xué)技術(shù)，直接為水庫的防汛搶險、水資源的合理利用及工農(nóng)業(yè)的安全生產(chǎn)服務(wù)。傳統(tǒng)的洪水預(yù)報模型使用實測降水信息進行預(yù)報，其預(yù)見期取決于流域匯流時間，預(yù)見期較短，不利于水庫的防洪調(diào)度。若能延長預(yù)見期，水庫就能及時預(yù)泄和預(yù)蓄，能有效提高水庫防洪安全和增加水電資源利用率。因此，延長洪水預(yù)報預(yù)見期就顯得尤為重要。

現(xiàn)階段，隨著世界各國氣象預(yù)報技術(shù)的迅猛發(fā)展，利用氣象水文耦合模型延長洪水預(yù)報預(yù)見期已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點，高冰等利用中尺度數(shù)值天氣預(yù)報模式WRF和分布式水文模型GBHM對三峽水庫2000年7場洪水的研究，延長了洪水預(yù)報預(yù)見期，陸桂華等用加拿大區(qū)域性中尺度大氣模式MC2和新安江模型單向耦合模型系統(tǒng)對淮河流域2005年7月的一次暴雨洪水的研究，延長了洪水預(yù)報預(yù)見期，Z.Yu等構(gòu)建了中尺度模式MM5與水文模型HMS耦合模擬模型，該模型能夠模擬流域的部分流量過程。上述研究表明了氣象水文耦合模型有很好的應(yīng)用前景，但洪水預(yù)報應(yīng)考慮獲取降水預(yù)報信息的實時性和方便性，而國內(nèi)目前并不能方便地實時獲取其使用所需的降水預(yù)報信息；且降水預(yù)報信息存在一定的不確定性，若直接輸入到洪水預(yù)報模型中，不同時間的洪水預(yù)報精度波動較大。

本文以桓仁流域為研究背景，使用可從天氣在線網(wǎng)站上方便實時獲取的GFS降水數(shù)值預(yù)報信息，首先改進原洪水預(yù)報方案，挖掘出可在單位線法匯流計算中準確選擇單位線的規(guī)則，其次對GFS信息進行修正釋用，利用釋用后的GFS降水數(shù)值預(yù)報信息與洪水預(yù)報方案耦合，以期達到延長洪水預(yù)報預(yù)見期的目的。

1、工程背景

1.1流域水文氣象特征

桓仁流域面積為103km2，屬于半濕潤地區(qū)。流域年均降水量860mm。一年中70%的雨量集中在6~9月，大洪水多發(fā)生在7~8月。一次天氣過程造成的暴雨歷時較短，致使大多數(shù)洪水呈單峰型。一次洪水歷時7天左右，漲洪歷時一般僅需要1天左右；退水歷時一般6天左右；一次洪水總量多集中在3天之內(nèi)。

1.2水庫概況

桓仁水庫是渾江梯級電站的龍頭，是以發(fā)電、防洪為主兼顧其他綜合利用的不完全年調(diào)節(jié)水庫。千年一遇洪水設(shè)計，萬年一遇洪水校核。水庫的位為290m，正常蓄水位和防洪限制水位均為300m，50年一遇的防洪高水位為306.0m。興利庫容為8.2?108m3；防洪庫容為12.6?108m3；總庫容34.6108m3。

1.3原洪水預(yù)報方案

原桓仁流域產(chǎn)流預(yù)報方案為新安江產(chǎn)流模型。以1966-2005年的77場洪水為模擬期，并使用優(yōu)化技術(shù)率定產(chǎn)流參數(shù)。根據(jù)我國現(xiàn)行《水文情報預(yù)報規(guī)范》SL250-2000，徑流深相對誤差小于20%，絕對誤差小于20mm，為合格預(yù)報。模擬預(yù)報合格場次為70場，合格率90.91%。以2006-2010年的10場洪水作為檢驗期，檢驗預(yù)報合格場次為9場，合格率90%。產(chǎn)流預(yù)報方案精度甲級。

桓仁流域原匯流預(yù)報方案，根據(jù)歷史雨洪資料中具有明顯峰型的洪水，分析歸納出了六條6h時段單位線。按現(xiàn)行規(guī)范，洪峰預(yù)報以實測洪峰流量的20%作為許可誤差，峰現(xiàn)時間以1個計算時段長為許可誤差。原匯流預(yù)報方案使用六條6h時段單位線進行匯流計算，調(diào)度人員憑經(jīng)驗選取某一條單位線的匯流計算結(jié)果作為預(yù)報方案。

2、挖掘選擇單位線的規(guī)則

作業(yè)預(yù)報時，并沒有整場洪水的雨洪資料，調(diào)度人員憑經(jīng)驗選取某一條單位線會造成預(yù)報結(jié)果的不穩(wěn)定，時常出現(xiàn)較大的偏差。因此考慮進行數(shù)據(jù)挖掘，挖掘出選擇單位線的規(guī)則，使匯流計算可依據(jù)規(guī)則直接準確地選取單位線。

2.1選擇單位線的影響因子

使用歷史實測雨洪資料進行數(shù)據(jù)挖掘。為減小未來因使用預(yù)報降水信息與實測降水信息間存在的誤差對規(guī)則造成的影響，降水量均采用分級方式進行處理。根據(jù)降水類型和單位線的關(guān)系，選取單位線影響因子并進行量化。

通過對流域歷史實測雨洪資料分析，擬定選擇單位線的主要影響因子有8個：前期影響雨量，6h時段降水量大于5mm的歷時，6h時段降水量大于10mm的歷時，次降水總量級，次平均降水量級，降水均勻程度，暴雨中心，降水分布趨勢。前期影響雨量Pa為本場洪水降水開始時的前期影響雨量。

6h時段降水量大于5mm歷時為流域次降水6h時段降水量大于5mm的時段數(shù)，反映雨強適中的降水在一場洪水中的分布情況。6h時段降水量大于10mm歷時為流域次降水6h時段降水量大于10mm的時段數(shù)，反映雨強較大的降水在一場洪水中的分布情況。

次降水總量級是將流域次降水量分為5個級別，分析流域歷年次降水量資料，按30mm降水量為一個級別進行劃分。

次平均降水量級為次洪的6h時段平均降水量的級別，按照GFS發(fā)布的6h時段降水數(shù)值預(yù)報圖中的量級進行分級，共10級，分級標準如表1所示。為減小因區(qū)間范圍過大造成的規(guī)則誤差，考慮設(shè)置0.5級別，如6h時段降水量級為5~10（mm）的量級為4級，增設(shè)為5~7.5（mm）為3.5級，7.5~10（mm）為4級。

降水均勻程度為反應(yīng)次降水量分布均勻度的量化，值越小表示降水在整個流域分布越均勻，采用式（1）計算。

式中：max(Ps)為雨量站的次降水量最大值；min(Ps)為雨量站的次降水量最小值；average(Ps)為流域次降水量均值。暴雨中心根據(jù)桓仁流域10個雨量控制站的雨量大小進行劃分，按距壩址距離分為上段、中段和下段，按在流域的位置，又分為偏左、偏右。

降水分布趨勢，分為下游向上游遞減和上游向下游遞減兩種情況。

2.2挖掘選擇單位線規(guī)則的方法與步驟

1）數(shù)據(jù)挖掘的決策樹方法

數(shù)據(jù)挖掘（DataMining，簡記DM）是采取專門算法對數(shù)據(jù)庫中不明顯的、潛在的數(shù)據(jù)關(guān)系進行分析與建模?？刹扇〉乃惴ㄓ猩窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)、主成分分析、決策樹等方法。本文采用決策樹方法對選擇單位線的規(guī)則進行數(shù)據(jù)挖掘。決策樹方法的優(yōu)點有：可生成較好理解的規(guī)則；計算量不是很大；可處理連續(xù)和種類字段；可以清晰的顯示哪些信息較重要。

2）挖掘選擇單位線規(guī)則的步驟

本文采用1966-2005年流域?qū)崪y雨洪資料對選擇單位線規(guī)則進行數(shù)據(jù)挖掘，使用2006-2010年的流域?qū)崪y雨洪資料進行檢驗。步驟如下：

第一步：使用流域?qū)崪y降水資料對1966-2010年的87場洪水進行模擬計算，記錄下每場洪水使用六條6h單位線進行匯流計算的6個結(jié)果中，與實際洪水過程最接近的單位線名稱及其8個單位線影響因子的數(shù)據(jù)信息。

第二步：利用第一步的1966-2005年的77場洪水的各項數(shù)據(jù)，進行決策樹方法挖掘，初步歸納出十條選擇單位線的規(guī)則。

第三步：用十條選擇單位線的規(guī)則對1966-2005年的77場洪水進行模擬計算，與第一步中記錄的與實際洪水過程最接近的單位線名稱以及合格率進行對比，對規(guī)則進行多次修正，讓使用選擇單位線規(guī)則的匯流計算結(jié)果與第一步記錄的結(jié)果較接近，得出最終的十條選擇單位線的規(guī)則。

第四步：使用十條選擇單位線的規(guī)則對2006-2010年的10場洪水進行檢驗計算。

2.3選擇單位線的規(guī)則

綜上，十條選擇單位線的規(guī)則如表2所示。每條選擇單位線規(guī)則中的影響因子需同時被匹配上才能使用該條選擇單位線的規(guī)則，出現(xiàn)其他情況時使用單位線Ⅰ進行匯流預(yù)報。

2.4改進后洪水匯流預(yù)報方案的精度分析

1)1966-2005年數(shù)據(jù)挖掘期的匯流計算結(jié)果

1966-2005年77場洪水使用上述選擇單位線的規(guī)則進行匯流計算，峰值合格場次為66場，平均相對誤差為11.52%；峰現(xiàn)時間預(yù)報合格場次為69場。匯流預(yù)報合格率為85.71%。

2)2006-2010年檢驗期匯流計算結(jié)果

2006-2010年10場洪水使用上述選擇單位線的規(guī)則進行匯流計算，峰值合格場次為9場，平均相對誤差為12.01%；峰現(xiàn)時間預(yù)報合格場次為10場。匯流預(yù)報合格率為90%。綜上可知，使用選擇單位線規(guī)則的匯流預(yù)報方案精度為甲級，可用于發(fā)布正式預(yù)報。

3、GFS降水預(yù)報信息與洪水預(yù)報方案耦合

3.1GFS降水數(shù)值預(yù)報信息的獲取

GFS(GlobalForecastingSystem)，由美國國家環(huán)境預(yù)報中心研制的降水預(yù)報模式，是應(yīng)用較廣泛的全球數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)模式之一。按格林尼治時間（GMT）每日00，06，12和18點（時間為當日08，14，20點和次日2點）發(fā)布未來1~16dGFS模式計算的全球各地區(qū)降水情況。其中，預(yù)報精度較高的未來1~8d降水預(yù)報模式，以6h時段間隔進行數(shù)值預(yù)報。圖（1）為2012年8月10日GMT00時GFS發(fā)布的東亞地區(qū)降水分布情況，其中，（a）為8月10日GMT00時至06時的降水等值面圖，（b）為8月17日GMT18時至24時的降水等值面圖。

GFS降水等值面圖從天氣在線網(wǎng)站（）獲取后，首先需要在圖中對流域的位置與站點進行定位，然后利用開發(fā)的讀圖程序，從圖中讀出相應(yīng)站點的降水數(shù)值預(yù)報信息。

3.2GFS降水數(shù)值預(yù)報信息的釋用

數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品釋用是對數(shù)值模式預(yù)報產(chǎn)品的進一步解釋應(yīng)用，具體來說通過統(tǒng)計、動力、人工智能等方法，綜合預(yù)報經(jīng)驗，利用歷史資料對數(shù)值預(yù)報的結(jié)果進行分析、訂正，建立預(yù)報模型，最終給出客觀要素的預(yù)報結(jié)果。

主要原因為GFS系統(tǒng)誤差和讀圖程序算法計算誤差，造成了GFS降水數(shù)值預(yù)報信息的不確定性。因為GFS預(yù)報系統(tǒng)內(nèi)部計算原理并不對外公布，無法獲知具體的系統(tǒng)誤差原因，但是預(yù)報結(jié)果時有出現(xiàn)空報和漏報的情況。故本文使用統(tǒng)計學(xué)的方法對桓仁流域10個雨量站2006-2010年10場洪水的GFS降水數(shù)值預(yù)報信息進行修正釋用，主要為消除空報和漏報造成的誤差。

GFS預(yù)報6h時段的降水量級（見表1所示的降水量分級），實際可能會發(fā)生其他量級的降水，統(tǒng)計分析雨量站點各預(yù)報降水量級的實際發(fā)生降水量級的頻率。可知：若GFS預(yù)報6h時段降水量級為0~5mm時，實際發(fā)生0~5mm降水量級的頻率為85%，精度較高，因此，對GFS降水數(shù)值預(yù)報信息的修正釋用將針對6h時段預(yù)報降水量大于5mm的降水量級。若GFS預(yù)報6h時段降水量級為50~75mm、75~100mm時，實際發(fā)生較小量級降水的頻率明顯較大，所以GFS預(yù)報50~75mm、75~100mm的降水量級時，直接修正為實際降水發(fā)生頻率最大的降水量級。對其它GFS降水預(yù)報量級，由于實際降水量級發(fā)生頻率分布較分散，若僅按實際降水發(fā)生頻率最大進行修正，修正結(jié)果穩(wěn)定性較低。因此本次研究使用分開量級對GFS降水預(yù)報值進行修正釋用。

根據(jù)桓仁流域歷史實測降水資料，次降水分布為初期雨量較大，后期較小。故考慮修正方法為：GFS預(yù)報6h時段降水量時，以該預(yù)報降水量級為分界點，將實際發(fā)生的降水量級分為兩個子區(qū)間，如：GFS預(yù)報6h時段降水量級為4級，則將實際發(fā)生降水量級分為[1,4)、[4,10]兩個子區(qū)間。先在比該預(yù)報降水量級大的子區(qū)間進行修正，將時段預(yù)報降水量級修正為該子區(qū)間中實際降水發(fā)生頻率最大的降水量級。根據(jù)實際降水過程知，發(fā)生較強降水的時段一般不會連續(xù)超過2個時段，為避免修正后的次降水總量級過大，一場預(yù)報降水過程連續(xù)兩個時段GFS預(yù)報降水量級向高量級修正，則在接下來兩個時段GFS預(yù)報降水量級修正中，一個時段保持原量級不變，下一個時段在比該時段預(yù)報降水量級小的子區(qū)間進行修正，將該時段預(yù)報降水量級修正為該子區(qū)間中實際降水發(fā)生頻率最大的量級。

式中：[Pf1,Pf2]為修正前的預(yù)報降水量級區(qū)間；[P1,P2]為實際降水發(fā)生頻率最大的降水量級區(qū)間；Pf為修正前的預(yù)報降水量；P為修正后的預(yù)報降水量。由于GFS每次發(fā)布時的實時氣象環(huán)境發(fā)生了變化，每次發(fā)布的對同一時間段的降水預(yù)報信息會進行調(diào)整。為了使預(yù)報信息更準確，對次洪前GFS連續(xù)四次發(fā)布的對同一時間段的降水數(shù)值預(yù)報信息按上述修正方法修正后，再加權(quán)平均，作為此時間段GFS預(yù)報降水量的釋用值。因降水數(shù)值預(yù)報預(yù)見期越短，降水數(shù)值預(yù)報信息可信度越高，最近時刻GFS發(fā)布的降水預(yù)報信息權(quán)重應(yīng)最大，本文對次洪前GFS發(fā)布的四次同一時間段的降水數(shù)值預(yù)報信息的權(quán)重分別率定為0.1、0.2、0.3、0.4。

3.3釋用后的降水預(yù)報信息在單位線選擇規(guī)則中的可利用性分析

按照3.2節(jié)方法對場次降水前GFS發(fā)布的桓仁流域10個雨量控制站的降水數(shù)值預(yù)報信息進行釋用，流域面雨量為10個雨量控制站雨量的面積加權(quán)。統(tǒng)計分析2006-2010年桓仁流域10場次降水釋用后的GFS降水數(shù)值預(yù)報信息與實測值的誤差，包括：6h時段降水量大于5mm的歷時，6h時段降水量大于10mm的歷時，暴雨中心，降水均勻程度，次降水總量級，次平均降水量級等。統(tǒng)計分析結(jié)果如表3所示。

選擇單位線的規(guī)則中，單位線影響因子的數(shù)據(jù)信息均用一個區(qū)間表示。次降水總量級和次平均降水量級區(qū)間均大于1個級別，所以降水總量級誤差和平均降水量級誤差在1個級別內(nèi)則為允許誤差；6h時段降水量大于5mm的歷時的區(qū)間均在4個時段以上，所以6h時段降水量大于5mm的歷時誤差在4個時段內(nèi)則為允許誤差；6h時段降水量大于10mm的歷時的區(qū)間均在7個時段以上，所以6h時段降水量大于10mm的歷時誤差在7個時段內(nèi)則為允許誤差；降水均勻程度區(qū)間均在1以上，所以降水均勻程度誤差在1以內(nèi)為允許誤差；暴雨中心誤差要求必須是相鄰流域段內(nèi)。

3.4利用釋用后的GFS降水數(shù)值預(yù)報信息進行洪水預(yù)報

使用釋用后的桓仁流域GFS降水數(shù)值預(yù)報信息選擇單位線，2006-2010年10場次產(chǎn)匯流計算結(jié)果見表4所示：產(chǎn)流預(yù)報合格場次8場，徑流深相對誤差為18.06%；匯流預(yù)報合格場次為7場，洪峰相對誤差為22.71%。而使用未修正GFS降水數(shù)值預(yù)報信息進行產(chǎn)匯流計算的結(jié)果為：合格場次僅為4場，徑流深相對誤差