前言

洪水預(yù)報(bào)是一項(xiàng)預(yù)防洪水、提高洪水資源利用率、降低洪水風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)的精度對(duì)于防洪安全和興利都會(huì)有很大的影響。

流域水文系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，在考慮模型結(jié)構(gòu)時(shí)，通常要給予一系列的假設(shè)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化近似，這在模型外延中會(huì)帶來較大的誤差。在模型參數(shù)確定中，由于歷史水文資料的代表性不夠，也會(huì)帶來誤差。實(shí)時(shí)洪水的預(yù)測(cè)與估計(jì)系統(tǒng)中誤差更多，這就需要利用實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)誤差修正技術(shù)來提高水文模型在實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)中的精度。

近年來，實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)誤差修正技術(shù)得到了很大的發(fā)展，在實(shí)際流域洪水預(yù)報(bào)中也得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了一定的效果。然而，現(xiàn)有的誤差修正方法存在物理概念不清晰、損失預(yù)見期和使用條件受限制等缺陷，且現(xiàn)有的方法大都以模型計(jì)算實(shí)時(shí)誤差系列為基本信息依據(jù)，往往將實(shí)測(cè)流量中的全部信息用于某一特定對(duì)象的修正，并未將實(shí)測(cè)流量中所包含的信息分類提取利用，而且大多數(shù)修正方法都是基于流量誤差的統(tǒng)計(jì)分析。大多數(shù)傳統(tǒng)的誤差修正技術(shù)以及抗差技術(shù)都是針對(duì)降雨、流量、水位等單一水文要素系列進(jìn)行分析，對(duì)研究要素的誤差本身進(jìn)行修正和同化，這些技術(shù)都是將研究要素的誤差與模型本身分離。眾所周知，實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)產(chǎn)生誤差的原因很多，影響誤差的機(jī)理非常復(fù)雜，模型計(jì)算的實(shí)時(shí)誤差系列中雖然包含了所有的誤差信息，但由于能區(qū)分利用的信息量太小，不足以達(dá)到對(duì)模型參數(shù)、輸入等誤差進(jìn)行修正的目的。

鑒于此，本書根據(jù)水文系統(tǒng)輸入、輸出、參數(shù)和中間變量與系統(tǒng)輸出之間的響應(yīng)性，提出了水文系統(tǒng)微分響應(yīng)理論，通過利用模型計(jì)算系列與實(shí)測(cè)系列之間的差值這一重要信息，對(duì)模型需要修正的變量進(jìn)行逆向反饋修正，建立了一種基于系統(tǒng)微分響應(yīng)理論的實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)誤差修正方法。

鑒于傳統(tǒng)洪水預(yù)報(bào)誤差修正方法大都基于水文統(tǒng)計(jì)理論，本書首先從水文模型結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系出發(fā)，分析并建立了系統(tǒng)輸入、參數(shù)和中間變量等與系統(tǒng)輸出之間存在的微分響應(yīng)關(guān)系，提出了水文系統(tǒng)微分響應(yīng)理論，論證了該理論在洪水預(yù)報(bào)誤差修正中的適用性。隨后，本書以水文系統(tǒng)微分響應(yīng)理論為基礎(chǔ)，提出了線性匯流系統(tǒng)以單位線為響應(yīng)關(guān)系的產(chǎn)流誤差修正方法。單位線是一種常用的流域匯流方法，本書把單位線引入線性系統(tǒng)預(yù)報(bào)誤差修正中，并將單位線以系統(tǒng)響應(yīng)曲線的形式應(yīng)用于預(yù)報(bào)誤差修正中，建立一種向信息源頭追溯的反饋修正模型。用實(shí)測(cè)值和計(jì)算值之間的差值作為信息源，對(duì)線性系統(tǒng)的重要輸入項(xiàng)——產(chǎn)流量進(jìn)行修正，并分別通過理想模型和實(shí)際流域應(yīng)用檢驗(yàn)，結(jié)果表明單位線方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且不增加參數(shù)，物理概念清晰，對(duì)預(yù)報(bào)精度有較大提高。

鑒于大多數(shù)水文模型的產(chǎn)流計(jì)算模塊具有高度非線性，本書又以新安江模型為例，提出了基于非線性系統(tǒng)的產(chǎn)流量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)曲線DSRC（Dynamic System Response Curve）。將動(dòng)態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)曲線應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)產(chǎn)流誤差修正中，對(duì)時(shí)段產(chǎn)流量進(jìn)行修正，再用修正后的產(chǎn)流量重新計(jì)算出流過程。該修正方法分別用理想案例和實(shí)際流域進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果證明，該方法能夠有效提高預(yù)報(bào)精度，并且與傳統(tǒng)的二階自回歸模型進(jìn)行修正效果對(duì)比，在相同預(yù)見期下，此方法效果比傳統(tǒng)二階自回歸模型有明顯的提高，修正效果更加穩(wěn)定。另外，本書中還對(duì)修正產(chǎn)流量的方法進(jìn)行了改進(jìn)，例如進(jìn)行分水源修正、倍比因子的修正和基于產(chǎn)流平穩(wěn)矩陣的修正研究。

此外，流域洪水預(yù)報(bào)過程中由于流域雨量站密度不足、雨量站單元?jiǎng)澐植粔蜢`活及雨量站遙測(cè)資料誤差等因素，常常導(dǎo)致雨量站單元面平均雨量存在誤差。鑒于此，本書又嘗試將系統(tǒng)微分響應(yīng)理論用于修正面平均雨量誤差，推求面平均雨量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)曲線，通過修正面平均雨量來提高實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)精度。本書通過理想模型和20個(gè)具有不同雨量站密度、氣候特征和地形地貌特征的實(shí)際流域分別對(duì)面平均降雨誤差動(dòng)態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)曲線修正方法的可行性、合理性和效果進(jìn)行了驗(yàn)證。此外，本書中也對(duì)降雨誤差修正的方法進(jìn)行了改進(jìn)探討，例如分雨量單元進(jìn)行修正、考慮降雨閾值的修正改進(jìn)以及嶺回歸估計(jì)改進(jìn)研究。結(jié)果表明，該方法對(duì)于提高實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)精度具有明顯效果，對(duì)于流域面積較大、雨量站密度較小的流域，其修正效果更加顯著。

在當(dāng)下復(fù)雜的工程地理系統(tǒng)中，以自然流域?yàn)榛A(chǔ)發(fā)展起來的傳統(tǒng)水文模型已經(jīng)很難精確地描述和表達(dá)工程地理系統(tǒng)下的流域產(chǎn)匯流特性；近十幾年發(fā)展起來的分布式水文模型在實(shí)際的應(yīng)用中并未取得較好的效果，水文模型的實(shí)際應(yīng)用效果受到了很大的制約，模型的發(fā)展遇到瓶頸，本書所提出的水文系統(tǒng)微分響應(yīng)理論在水文模型的發(fā)展和應(yīng)用效果方面取得了較大突破。

全書共分為8章，第1章論述了實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)誤差修正的研究意義及國(guó)內(nèi)外關(guān)于這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展；第2章詳細(xì)介紹了水文模型系統(tǒng)微分響應(yīng)理論的基本概念及系統(tǒng)微分響應(yīng)誤差修正方法的構(gòu)建；第3章介紹了線性系統(tǒng)產(chǎn)流量誤差修正方法與實(shí)例研究；第4章詳細(xì)介紹了非線性系統(tǒng)中產(chǎn)流量誤差的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)修正方法與技術(shù)；第5章介紹了產(chǎn)流誤差系統(tǒng)響應(yīng)方法的改進(jìn)及其應(yīng)用研究；第6章詳細(xì)介紹了面平均降雨誤差修正方法及其實(shí)例應(yīng)用分析；第7章介紹了降雨誤差微分響應(yīng)修正方法的改進(jìn)研究；第8章總結(jié)了全書的研究?jī)?nèi)容并對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)誤差修正方法進(jìn)行了展望。

本書的出版得到了國(guó)家自然科學(xué)基金“基于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)微分響應(yīng)的水文模型關(guān)鍵要素信息提取及誤差修正研究”（51709077）、“基于傅里葉級(jí)數(shù)的河段水流模型結(jié)構(gòu)誤差研究”（51279057）、國(guó)家博士后基金“基于系統(tǒng)微分響應(yīng)的水文模型誤差修正研究”（2017M611679）以及江蘇省博士后基金“基于系統(tǒng)微分響應(yīng)的面平均雨量誤差修正研究”（1701019A）的資助。

在本書的編寫過程中，得到了石朋教授、瞿思敏教授的極大幫助，劉可新碩士、楊?yuàn)檴櫞T士為第5章和第7章的撰寫提供了大量數(shù)據(jù)和基本素材，在此致以深深的謝意。

由于作者學(xué)識(shí)水平有限及時(shí)間倉(cāng)促，書中難免存在不妥之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

作者

2018年7月