基于信息融合与识别的洪水时段分类预报.pdf

：第 卷 第 期 人民珠江 年 月 基金项目：国家重大基础研究计划（）；国家自然科学基金重大项目（）收稿日期：作者简介：谢志高（），男，硕士，高级工程师，主要从事水资源系统工程工作。：通信作者：刘夏（），男，硕士，助理工程师，主要从事水资源调度研究等工作。：谢志高，刘夏，吴恒卿，等 基于信息融合与识别的洪水时段分类预报 人民珠江，（）：，基于信息融合与识别的洪水时段分类预报谢志高，刘夏，吴恒卿，刘晋（深圳市东部水源管理中心，广东深圳 ；珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东广州 ；深圳市龙岗河坪山河流域管理中心，广东深圳 ）摘要：为解决流域历史洪水资料有限引起的洪水预报模型模拟精度不高的问题。以 水库为研究对象，利用 均值聚类方法对典型洪水进行聚类，分析降雨雨强、降雨中心和天气系统等水文影响因子，通过遗传优化算法计算汇流模型的各类参数，利用粗糙集方法挖掘影响因子与时段汇流模式间的关系，建立了基于信息融合与识别的洪水时段分类预报。结果表明：选取的 场典型洪水通过分类预报方法计算得到的洪峰流量绝对误差与相对误差的绝对值分别为第一场 、，第二场 、，第三场 、，第四场 、；洪水分类预报模型的模拟精度较传统预报方法更高，不同典型洪水的确定系数均在 以上。研究结果可为洪水资料较少的华北等地区的洪水时段分类预报提供参考和借鉴。关键词：洪水预报；时段分类；均值聚类；遗传算法；粗糙集中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）牞 牞 牞 牗 牞 牞 牷 牞 牞 牷 牞 牞 牘 牶 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶 牞 牞 牞 牷 牞 牶 牷 牷 牷 牷 人民珠江 年第 期洪水灾害是世界上最严重的自然灾害之一，一直以来，洪水都对中国经济社会发展和人民群众生命财产安全带来巨大的危害。尤其是近年来受高强度人类活动与气候变化影响，流域性洪水风险不断加剧，更是将洪水灾害防御摆在了水利工作的突出位置。由于降雨具有一定程度的时空变异性，加之流域下垫面发生较大变化，影响了洪水汇流过程的推断，对流域洪水预报带来了一定困难。自 年 谢尔曼首次提出以来，单位线被广大专家学者应用于流域汇流模式研究，效果显著。经过近百年的发展和改进，单位线的研究重点从仅针对如何推求流域出口的流量过程 ，转变为考虑流域地形影响的汇流模型研究 ，以及 等 提出的受地形地貌和流域降雨改变影响的单位线法研究等。马寅午等 、卢正波等 分别采用概率方法和模糊聚类迭代模型，对历史洪水进行聚类分析；王顺久等 建立并求解了基于投影寻踪原理的洪水分类模型，为洪水分类提供了一种更加高效的方法。等 、尹雄锐等 分别利用模糊 均值聚类和自组织映射网络，对洪水过程线进行分解，结合多层前馈神经网络进行王家河水库的洪水预报。等 利用模糊聚类对历史洪水进行分类，并用神经网络对流域实时洪水进行在线分类预报。徐炜等 采用二阶段聚类和粗糙集的方法，对观音阁水库洪水进行分类，并建立实时洪水分类识别规则。在上述研究中，按场次将历史洪水划分为若干类型，并根据分类后的洪水模拟出各类型的单位线或洪水预报模型参数，一定程度上提高了流域洪水预报的精度，也体现了洪水与洪水间的类型差异，但体现不出场次洪水内各时段影响因子对洪水的影响，且由于流域历史洪水资料有限，分类后各类洪水的样本稀少，因此，得到的洪水预报模型模拟精度不高。为解决上述问题，对流域历史洪水的降雨天气系统、流域下垫面、时段降雨中心、时段降雨强度等影响因子进行分析，将历史洪水的时段降雨进行分类，以此分类作为各时段降雨的汇流类型。利用聚类方法、优化算法和数据挖掘技术，建立了适应流域洪水降雨中心、降雨强度随时间变化的洪水时段实时分类预报模型，进行洪水分类预报。研究方法洪水时段分类预报模型由聚类模型、参数率定、时段洪水汇流识别和概念性洪水预报模型 部分组成，见图 。基于历史洪水的聚类、参数率定和识别，能够大幅度提升洪水预报模拟精度，为防洪决策提供科学依据。根据对历史洪水的降雨天气系统、流域下垫面、时段降雨中心、时段降雨强度等影响因子的统计，利用聚类模型对历史洪水的各降雨时段进行聚类；各降雨时段按聚类结果选择对应的预报模型参数进行整场洪水的汇流模拟，选用遗传算法对各类型的预报模型参数进行优化计算；并利用识别模型（粗糙集）挖掘影响因子与各汇流类型间的关系，并生成识别规则集。本文根据流域特性，将时段降雨中心进行分类，并通过上述步骤，对不同汇流类型的洪水进行了 的洪水预报。在实时预报中通过输入识别因子在线选择当前时段的汇流预报模型参数进行洪水预报，预报过程见图 。图 洪水时段分类预报模型结构图 洪水时段分类预报人民珠江 年第 期 时段降雨的汇流类型聚类分析对流域洪水时段降雨的汇流类型进行分类，根据历史洪水时段降雨信息的相似性将其聚类，如降雨时空分布、前期影响雨量、最大暴雨强度等。通过分析流域历史洪水的影响因素，选取并统计各时段降雨的影响因子集。由于时段降雨的汇流类型聚类数未知，且各影响因子的分类能力不同，所以采用影响因子多种组合和多组聚类，在模型参数优化计算阶段根据计算指标的优劣确定最优的影响因子组合和聚类数。聚类算法采用 均值聚类（），将洪水时段汇流类型分为 个族。算法的原理是：在 个数据对象中任意选择 个对象作为初始族中心，将剩下的数据对象，根据相似度原则匹配最相似的族，再计算每个族中所有对象的均值，不断重复这一过程直到族中心不再变化为止。迭代的目标函数见式（）：（）式中 ，；族；族中心。水文模型参数率定文中概念性水文模型采用集总式概念性模型 大伙房模型 。大伙房模型在北方具有广泛的适用性，分为产、汇流 部分，产流部分是根据超渗产流原理，采用双层入渗曲线进行扣损计算，并以抛物线描述表层蓄水量和下层渗率的分布状况；汇流部分是变强度、变速度的经验单位线。模型作为 种概念性模型，大多数参数都是在满足其物理意义前提下确定的，只有 个参数需要优化确定，具体参数内容见表 。表 大伙房模型优选参数参数参数说明取值区间下层蓄水量与地下水库蓄水量之和 径流深分配曲线形状系数 点下层下渗曲线的曲率系数 前期净雨折减系数 汇流线型形状参数 汇流线型形状参数 模型参数的选择主要通过优化方法进行自动模拟完成 ，采用具有较强全局搜索能力的遗传算法（，）对概念性水文模型进行参数率定 。根据水文水情预报规范对洪水预报方案合格率的评定标准，将洪水的洪量、洪峰、峰现时间等作为遗传算法优化过程中的评价指标，各评价指标函数表达式见式（）（）。总体水量误差：（），（），（）实测与模拟洪峰流量吻合程度：（）（）（）实测与模拟过程线吻合程度：（），（），（）实测与模拟峰现时间误差：（）（）（）式中 待优选的模型参数集；，时刻实测流量；，（）时刻模拟流量；实测流量均值；流量过程序列数；实测洪峰流量；（）模拟 洪 峰 流 量；实 测 峰 现 时 间；（）模拟峰现时间。优选模型中的 采用实数编码，其适应度函数表达式见式（）、（）。（）（），（）（），（）式中（）适应度函数；约束条件编号；第 个 评 价 指 标 的 合 格 标 准；第 个评价指标的惩罚系数。洪水时段汇流类型识别模型在实际降雨过程中，根据时段汇流影响因子推人民珠江 年第 期理出该时段降雨的汇流类型，以此作为洪水预报模型参数选择的依据。利用粗糙集（，）理论 ，可筛选出能对流域洪水时段汇流类型正确分类的最少影响因子组合，并确定推理决策规则集。粗糙集理论中知识表达系统的一般表示形式见式（）。，（）式中 信息系统；全体样本集合；，条件属性，决策属性；，属性 的值域；信息函数，：表示从 到 的信息映射，它指定 中每一对象的属性值 。条件属性 的非空子集 ，其重要度计算公式见式（）。（，）（）（）（）（）（）（）（）式中（）对 的依赖度。从定义可以看出，若 的重要度为 ，则表示 可以从 中移去，即 对 无分类能力；重要度越大说明 对 的分类能力越强，重要度也可理解为移去 时产生的分类误差。研究区域概况太子河流域地处 、，全长 ，总面积 。太子河发源于红石砬子，东西走向，流经抚顺、本溪、辽阳、沈阳、鞍山、东等地后于海城市三岔河与浑河汇流成大辽河，主要支流包括海城河、南沙河、北沙河、运粮河、汤河、兰河和细河。太子河流域属温带季风气候，干湿分明、四季寒暖，温度变化较大，年均相对湿度 ，年均气温 ，蒸发量自西北向东南递增，多年平均值 。流域年均降水量 ，上游离黄海较近，降水量 ，年内降水量分配不均衡，其中 发生在 月。水库位于太子河流域干流，总库容为 亿，流域控制面积为 ，受华北气旋、低压冷锋、江淮气旋、高空低槽、台风等天气系统影响，水库所在流域以暴雨形成的流域洪水为主。本文以水库控制流域为研究对象，预测洪水的时段长为，模型研究采用 年的 次典型洪水数据。太子河流域概化见图 。图 太子河流域概化 结果与讨论将聚类中最优组合因子时段降雨中心、时段降雨强度和时段汇流类型利用粗糙集约简挖掘出数据中隐含的、潜在有用的规律、关联关系和特征，并以精简的规则表现出来。识别规则见表 。在实时预报过程中，通过输入时段降雨中心和时段雨强信息在线判别时段汇流类型并选择对应的洪水预报模型参数进行预报。表 洪水时段汇流类型识别规则时段降雨中心时段雨强类别覆盖度信任度条件满足决策满足 洪水分类结果及分析采用 均值聚类算法对 水库 年的 次典型洪水数据进行分类。经过综合考虑，将典型洪水划分为四大类型，分类结果见表 。四大类典型洪水中，第三类洪水数量最多，占比 ，第一类洪水和第四类洪水数量一致，占比均为人民珠江 年第 期 。利用 、平均雨强、降雨中心和天气系统等 项指标进一步分析典型洪水聚类结果，见图 。各聚类洪水 项指标形态特征上也具有较明显的差异。项指标的重要度从大到小排序为降雨中心、天气系统、平均雨强、。第一类型典型洪水的 项指标值均较高，而第四类典型洪水除降雨中心外其余指标均较低。实时洪水时段分类预报结果通过对 水库流域中选出的具有代表性的 场历史洪水的 个降雨时段进行分类，率定出各类型洪水预报模型参数，随后将其余 场典型洪水的降雨时段识别因子输入识别模型中，对模型进行验证。为了比较该模型的优劣性，本文将场次洪水分类预报模型和单位线汇流的计算结果进行对比分析，模拟与检验的指标值对比结果见表 、，水库洪水预报率定期和验证期的准确率较高，确定性系数的均值大于 ，基本满足水文规范的要求，说明本文提出的方法能够更加精准地进行洪水模拟和预报。表 水库典型洪水分类结果聚类场次组合 图 各类洪水特征指标重要度表 水库洪水预报率定期模拟结果方法相对误差 洪峰流量洪水总量合格率 洪峰流量洪水总量峰现时间合格率 确定性系数均值单位线 时段分类预报 表 水库洪水预报检验期预报结果方法相对误差 洪峰流量洪水总量合格率 洪峰流量洪水总量峰现时间合格率 确定性系数均值单位线 时段分类预报 为进一步验证本文所提方法的合理性和有效性，本文以“”“”“”“”场典型洪水为例，对比分析本文所提分类预报方法和传统预报的结果，见图 、。其中“”为第四类典型洪水，“”为第三类洪水，“”为第二类洪水。由图 、可以看出：场典型洪水的实测洪水、分类预报方法和传统预报所得流量的均值分别为第一场 、，第二场 、，第三场 、，第四场 、；相较实测值，场典型洪水通过分类预报方法计算得到的绝对误差与相对误差的洪峰流量绝对值分别为第一场 、，第二场 、，第三场 、，第四场 、；相较实测值，场典型洪水通过传统预报方法计算得到的洪峰流量绝对误差与相对误差的绝对值分别为第一场 、，第二场人民珠江 年第 期 、，第三场 、，第四场 、；根据以上计算结果，通过分类预报方法得到的 场典型洪水过程均优于传统预报所得的洪水过程，进一步证明了该方法较一般方法的精确性与稳定性更高，可为流域历史洪水资料有限引起的洪水预报模型模拟精度不高的实际问题提供新思路与新方法。）“”洪水）“”洪水）“”洪水）“”洪水图 不同典型洪水预测结果对比）“”洪水）“”洪水）“”洪水图 不同典型洪水预报误差分析人民珠江 年第 期）“”洪水续图 不同典型洪水预报误差分析 结语针对降雨时空分布和降雨强度的时变性，及其他水文影响因子对流域洪水的汇流过程产生的不同程度影响，利用 均值聚类方法对洪水类型进行聚类分析，并通过遗传优化算法计算了汇流模型的各类参数，进一步利用粗糙集方法挖掘出了影响因子与时段汇流模式间的关系，建立了基于信息融合与识别的洪水时段分类预报模型，对 水库进行洪水预报研究。结果表明：在分类过程中用组合各影响因子的方式考察各种组合的聚类结果，分析得出时段降雨中心和时段降雨强度是洪水时段汇流类型分类的主要影响因子；基于 、天气系统、降雨中心和时段降雨强度将 水库 典型洪水进行聚类；洪水时段分类预报模型与单位线汇流模型相比，洪峰流量的相对误差、合格率、确定系数等评价指标均有较大的提高，达到甲级预报水平，对水库精准调度提供一定科学依据研究成果能够为洪水资料较少地区的洪水时段分类预报提供参考和借鉴，从而提升区域的洪水灾害防御能力。由于文章采用的是大伙房模型，气象因子也是华北气旋，因此所提方法仅适用于华北地区，下一步将针对该方法的普适性展开研究。参考文献：张文华，夏军，张翔，等 考虑降雨时空变化的单位线研究 水文，（）：牞 牞 犤 犦 牞 牞 牶 牞 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 牞 牞 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 牞 牞 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 牞 牞 牶 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 马寅午，周晓阳，尚金成，等 防洪系统洪水分类预测优化调度方法 水利学报，（）：卢正波，侯召成 洪水聚类有效性分析 南水北调与水利科技，（）：王顺久，张欣莉，侯玉，等 洪水灾情投影寻踪评估模型 水文，（）：牞 犤 犦 牞 牞 牶 尹雄锐，张翔，夏军 基于聚类分析的人工神经网络洪水预报模型研究 四川大学学报（工程科学版），（）：牞 牞 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 徐炜，梁国华，王本德 基于二阶聚类与粗糙集的实时洪水分类预报模型 水力发电学报，（）：赖玉霞，刘建平，杨国兴 基于遗传算法的 均值聚类分析 计算机工程，（）：大连理工大学，国家防汛抗旱总指挥部办公室 水库防洪预报调度方法及应用 北京：中国水利水电出版社，牞 牶 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 （下转第 页）人民珠江 年第 期 牗 牘 牶 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 牞 牞 牞 牗 牘 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 姜彤，苏布达，王艳君，等 四十年来长江流域气温、降水与径流变化趋势 气候变化研究进展，（）：周砺，刘金平，陈丽芳，等 当前国际水文学科技术领域的研究方向 水文，（）：，牶 犤 犦 牞 牶 牞 向竣文，张利平，邓瑶，等 基于 的中国主要地区极端气温 降水模拟能力评估及未来情景预估 武汉大学学报（工学版），（）：，何旭，缪子梅，田佳西，等 基于 多模式的长江流域气温、降水与径流预估 南京林业大学学报（自然科学版）：牞 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 陈泽霞，朱睿，尹振良，等 基于 多模式的黑河干流山区降水气温变化趋势分析 高原气象，（）：吕游 中国降水、风速与地面气温的统计降尺度预报及订正研究 南京：南京信息工程大学，杨肖丽，郑巍斐，林长清，等 基于统计降尺度和 的黄河流域干旱预测 河海大学学报（自然科学版），（）：陈荣，段克勤，尚蟩，等 基于 模式数据的 年青藏高原降水变化特征分析 高原气象，（）：舒章康，李文鑫，张建云，等 中国极端降水和高温历史变化及未来趋势 中国工程科学，（）：卢开东 基于 的我国主要流域气候变化及对澜沧江流域水资源影响的评估 南京：南京信息工程大学，晋程绣，姜超，张曦月 模式对中国西南地区气温的模拟与预估 中国农业气象，（）：（责任编辑：李燕珊）（上接第 页）犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 牞 牶 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 牞 牞 犤 犦 牞 牶 游进军，纪昌明，付湘 基于遗传算法的多目标问题求解方法 水利学报，（）：犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 王国胤 集理论与知识获取 西安：西安交通大学出版社 牞 犤 犦 牞 牞 牶 （责任编辑：李燕珊）