[發(fā)明專利]一種基于多源不確定性的洪水概率預(yù)報方法

有效

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• 申請日: 2019-04-12
• 公開（公告）號: CN109993372B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉開磊;汪躍軍;錢名開;胡友兵;王式成;陳竹青;夏冬;樊孔明;趙瑾;戴麗納;王天友;肖珍珍;邵嘉玥
• 申請（專利權(quán)）人: 淮河水利委員會水文局（信息中心）
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06F30/20
• 代理公司: 南京同澤專利事務(wù)所(特殊普通合伙) 32245
• 代理人: 蔡晶晶

本發(fā)明涉及一種基于多源不確定性的洪水概率預(yù)報方法，步驟如下：基于不完備雨量監(jiān)測群估計面雨量概率分布；構(gòu)建各模型參數(shù)的次優(yōu)解集，獲取模型參數(shù)的概率分布；隨機(jī)生成面雨量與參數(shù)的組合，驅(qū)動水文模型產(chǎn)生多組初始預(yù)報流量過程；利用BMA方法估計各模型為相對最優(yōu)的概率；隨機(jī)抽取最優(yōu)模型及相應(yīng)初始預(yù)報流量，估計預(yù)報流量的后驗概率分布實現(xiàn)概率預(yù)報。本發(fā)明是綜合考慮降雨輸入、參數(shù)、模型結(jié)構(gòu)三方面不確定性，實現(xiàn)洪水概率預(yù)報的計算方法，可以廣泛應(yīng)用在降雨輸入誤差顯著、適合洪水預(yù)報的模型或模型結(jié)構(gòu)無法精確預(yù)知、模型參數(shù)不確定性較高的情況，可提高洪水預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，為防洪減災(zāi)工作提供技術(shù)支撐。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水文學(xué)及水資源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種綜合考慮降雨輸入、參數(shù)、模型結(jié)構(gòu)三方面不確定性的洪水概率預(yù)報方法。

背景技術(shù)

水文學(xué)及水資源學(xué)科是防洪非工程措施的重要技術(shù)領(lǐng)域之一，在源遠(yuǎn)流長的學(xué)科發(fā)展歷史中，人們在分水源機(jī)制、坡面產(chǎn)匯流機(jī)理方面，已經(jīng)形成了一定程度的經(jīng)驗與知識儲備。然而，洪水預(yù)報的精準(zhǔn)程度受降雨輸入、土壤水文初始條件、參數(shù)概化能力、模型結(jié)構(gòu)等來源不確定性的影響顯著，導(dǎo)致傳統(tǒng)水文預(yù)報技術(shù)不能夠準(zhǔn)確反映流域產(chǎn)匯流物理機(jī)制，洪水預(yù)報結(jié)果往往明顯偏離實際，給實時洪水預(yù)報以及防洪減災(zāi)工作成效帶來極大的限制。

自19世紀(jì)40年代起，水文水資源學(xué)科領(lǐng)域便已經(jīng)發(fā)展出對誤差或水文不確定性的專門研究，如空間插值方法、多模型組合、洪水概率預(yù)報方法等。以上科學(xué)方法的產(chǎn)生與發(fā)展對于誤差辨識、誤差控制、不確定性理論的發(fā)展都具有十分重要的推動作用。葉愛中等(2007年)提出由日降雨資料時間降尺度生成逐時降雨資料的方法，其研究認(rèn)為所提出方法在保證逐日降雨量總量一致的前提下，能在更細(xì)致的時間分辨率上提供可靠的降雨成果，對于降雨輸入誤差控制具有良好的借鑒價值。Monomoy與Kieran(2007年)分別使用三種組合預(yù)報方法(簡單平均、加權(quán)平均和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法)去處理五個水文模型的預(yù)報結(jié)果，試驗結(jié)果表明三種多組合預(yù)報方法均明顯提高了預(yù)報結(jié)果的精度。2016年梁忠民等人提出考慮降雨輸入不確定性的洪水概率預(yù)報方法，基于抽站法原理反推降雨輸入的概率分布，結(jié)合Monte-Carlo抽樣法驅(qū)動確定性水文模型，實現(xiàn)對預(yù)報流量概率分布的估計。

水文不確定性的客觀存在是由于人們不能夠完全精細(xì)掌握水文物理過程的客觀事實決定的，降雨觀測與預(yù)報誤差、預(yù)報模型選擇、參數(shù)優(yōu)化等各方面的不確定性往往伴隨著一次洪水預(yù)報的整個過程周期，因而現(xiàn)有的將各種來源的不確定性割裂開來、分別考慮的做法具有很大的理論與應(yīng)用局限性。本發(fā)明提出了一種新的集合預(yù)報算法結(jié)構(gòu)，可以綜合考慮降雨輸入、模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)三種來源的不確定性，彌補了現(xiàn)有技術(shù)手段無法同時兼顧考慮各種來源水文不確定性的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有洪水預(yù)報技術(shù)難以同時考慮多源不確定性的不足，提出綜合考慮降雨輸入、模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)三種來源不確定性的概率預(yù)報方法。本發(fā)明的目的在于，針對多源不確定性難以避免且難以綜合評價其對洪水預(yù)報影響的客觀現(xiàn)實，提出一套新的綜合考慮各種來源不確定性并實現(xiàn)概率預(yù)報的解決方法。

本發(fā)明提出的基于多源不確定性的洪水概率預(yù)報方法，包括如下步驟：

步驟1、基于不完備雨量監(jiān)測群計算面雨量誤差概率分布

設(shè)定流域全部的雨量站點為完備雨量監(jiān)測群M，完備雨量監(jiān)測群M的站點數(shù)目為m；以站點分布均勻為標(biāo)準(zhǔn)，從完備雨量監(jiān)測群中篩選出n個雨量站點構(gòu)成的不完備雨量監(jiān)測群N，根據(jù)完備雨量監(jiān)測群M和不完備雨量監(jiān)測群N分別計算得到對應(yīng)的面雨量值；通過計算不完備雨量監(jiān)測群N面雨量值與完備雨量監(jiān)測群M的面雨量值差異，統(tǒng)計不完備雨量監(jiān)測群的面雨量計算誤差規(guī)律，進(jìn)而獲取面雨量誤差概率分布：

式中，ε_t為不完備雨量站點的面雨量估計誤差，p_t為t時刻面雨量真值，為t時刻根據(jù)不完備雨量監(jiān)測群計算的面雨量值，t為降雨時間序號；N(0,δ²)為均值為0、方差為δ²的正態(tài)分布；