一种模块化水文模拟系统技术方案

本发明专利技术公开了一种模块化水文模拟系统，包括模块库、专家库、智能算法库、系统库、数据库、后处理功能库，所述模块库是针对实际流域产流过程中的不同物理过程构建水文过程模块库；所述专家库是基于全国山洪灾害调查评价结果及大量物理、数值模拟试验成果构建的小流域水文模拟专家库；智能算法库包括人工智能算法模块、数据融合算法模块、大数据分析算法模块；系统库包括数格式转换模块、空间数据处理模块、时间步长设置模块、计算控制模块；所述数据库按照模拟过程中流域信息的输入、生成、输出其所对应的物理意义对数据进行管理。本发明专利技术实现了系统模块化、参数化、智能化、可视化和自动化设计思想，提高了模拟系统的计算稳定性与功能灵活性。

【技术实现步骤摘要】
一种模块化水文模拟系统
本专利技术涉及水文监测
，特别涉及一种模块化水文模拟系统。
技术介绍
针对目前我国水文模型在山丘区小流域暴雨洪水中模拟精度不高的问题，中国水利水电科院研究院刘昌军等提出了基于最新包气带土壤非线性下渗计算方法(GARTO)的新一代小流域时空变源混合产流模型。通过与国内外知名水文模型进行场次洪水模拟结果进行对比验证，该模型在我国半湿润、半干旱地区山丘区小流域洪水模拟中优势明显(场次模拟合格率约95％)，在无资料山丘区山洪模拟中具有较高应用潜力。为了解决山丘区小流域暴雨洪水中模拟的问题，本专利技术基于时空变源混合产流模型原理开发了模块化水文模拟系统。本专利技术的新一代水文模拟系统实现了可视化、智能化、自动化的设计思想；基于GIS平台集成了多格式数据前后处理、自动小流域划分及参数提取、模块化产汇流计算、智能参数率定方案及二维可视化结果展示。并通过在北京、河南、吉林、陕西、山西、湖北、福建、安徽等省、市小流域山洪灾害预报工作中的应用，获得了用户的肯定。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种模块化水文模拟系统，通过建立功能灵活的模块库以及SQLite轻型数据库使水文模拟系统支持在空间、时间及子过程上的模型并行计算，从而真正实现模块化、参数化、智能化、可视化和自动化。本专利技术通过下述方案来实现。一种模块化水文模拟系统，包括模块库、专家库、智能算法库、系统库、数据库、后处理功能库，所述模块库是针对实际流域产流过程中的不同物理过程构建水文过程模块库；所述专家库是基于全国山洪灾害调查评价结果及大量物理、数值模拟试验成果构建的小流域水文模拟专家库；智能算法库包括人工智能算法模块、数据融合算法模块、大数据分析算法模块；系统库包括数格式转换模块、空间数据处理模块、时间步长设置模块、计算控制模块；所述数据库按照模拟过程中流域信息的输入、生成、输出其所对应的物理意义对数据进行管理；所述后处理功能库包括模拟精度评价分析模块、多模型结果对比模块、可视化结果展示模块及多格式数据输出模块。进一步优选，所述模块库包括蒸散发模块、截流填洼模块、土壤下渗模块、单一产流模块(蓄满或超渗)、混合产流模块、壌中流模块、地下水及地表汇流河道演进模块。进一步优选，所述专家库包括水文响应单元划分标准模块、响应单元产流模式判定模块、流域属性计算参数自动匹配赋值模块及模型率定方案选取库模块。进一步优选，所述人工智能算法支持对流域数据进行分析处理并对缺资料地区进行模型参数区域化移植；所述数据融合同化算法库可以对不同格式数据如shp格式、tif格式，或.NetCDF格式数据进行自动融合同化处理方便模块库中计算模块模拟调；所述大数据分析算法库则支持对模型模拟过程中产生的数据、结果进行深入挖掘分析，为下一次模拟提供经验支撑。进一步优选，所述数格式转换模块对输入数模型软件的不同格式数据进行统一格式转换；所述空间数据处理模块负责对所输入模型中的空间数据(如降雨等)进行空间分布差值；所述时间步长设置模块对模型的模拟时间步长进行设置，通过调节固定时间步长或可变时间步长的变化规则(增长率)对模型模拟稳定性进行控制；所述计算控制模块对模型模拟过程中不同水文响应单元产流模式在不同下垫面条件下的自动转换。进一步优选，所述数据库包括气象数据库、地形地貌数据库、水文数据库、模型参数库；所述气象数据库管理模型建模中的动态气象输入数据；所述地形地貌数据库管理模型建模中所输入的流域下垫面初始静态属性数据及模拟水文过程中的动态参数数据；所述水文数据库提供模型率定的参证样本及模拟精度评价的对比样本(观测点流量、水位数据等)；所述模型参数库统一对模型模拟过程中的所有过程参数进行管理，在模型建立的初始阶段，参数库参数的确定以参考专家库提供的参数阈值为主，而在模型率定阶段，模型参数库不仅对用户完全开放并支持用户按实际情况对模型参数进行修改，而且与专家库紧密联系，支持模型自我智能率定功能对参数进行自动优化。本专利技术的优点是：通过建立功能灵活的模块库以及SQLite轻型数据库使水文模拟系统支持在空间、时间及子过程上的模型并行计算，从而真正实现模块化、参数化、智能化、可视化和自动化。该系统已在我国多个省、市小流域已经得到良好的应用。尤其河南省全省范围内已经业务化应用3年以上，多次预报成功洪水灾害，具备向我国其他地区缺资料或无资料小流域推广的潜力。附图说明图1为本专利技术的系统结构图。图2为模块化水文模型软件控制层模块管理结构。图3为时空变源混合产流模型数据库数据列表。具体实施方式下面结合附图进一步详细说明本专利技术。参照图1，本专利技术的模块化水文模拟系统包括模块库、专家库、智能算法库、系统库、数据库、后处理功能库，(1)模块库：针对实际流域产流过程中的不同物理过程构建水文过程模块库，包括蒸散发、截流填洼、土壤下渗、单一产流(蓄满或超渗)、混合产流、壌中流、地下水及地表汇流河道演进等不同模块。支持用户在线建模阶段对包括蒸散发、截流填洼、土壤下渗、单一产流(蓄满或超渗)、混合产流、壌中流、地下水及地表汇流河道演进等不同模块进行自由组合构建符合目标流域物理特征属性的水文过程计算模拟方案。(2)专家库：基于全国山洪灾害调查评价结果及大量物理、数值模拟试验成果，该系统自带小流域水文模拟专家库，所述专家库包括水文响应单元划分标准模块、响应单元产流模式判定模块、流域属性计算参数自动匹配赋值模块及模型率定方案选取库模块。对包括水文响应单元划分标准、响应单元产流模式判定、流域属性计算参数自动匹配赋值及模型率定方案选取库等模型软件运行过程中用户所面临的问题提供参考、支撑。(3)智能算法库：集成了以机器学习为代表的多种人工智能算法(人工智能算法、数据融合算法、大数据分析算法)，支持对流域数据进行分析处理并对缺资料地区进行模型参数区域化移植。针对现今水文、气象、地理数据格式多种，尺度不一的问题，该系统自带数据融合同化算法库可以对不同格式数据如.shp格式、.GIF格式，或.NetCDF格式数据进行自动融合同化处理方便模块库中计算模块模拟调。大数据分析算法库则支持对模型模拟过程中产生的数据、结果进行深入挖掘分析，为下一次模拟提供经验支撑。(4)系统库：系统库主要包括：数格式转换模块，对输入数模型软件的不同格式数据进行统一格式转换；空间数据处理模块，负责对所输入模型中的空间数据(如降雨等)进行空间分布差值；时间步长设置模块，对模型的模拟时间步长进行设置，通过调节固定时间步长或可变时间步长的变化规则(增长率)对模型模拟稳定性进行控制；计算控制模块，作为时空变源混合产流模型首创的系统控制模块支持对模型模拟过程中不同水文响应单元产流模式在不同下垫面条件下的自动转换。(5)数据库：时空变源混合产流模型按照模拟过程中流域信息的输入、生成、输出其所对应的物理意义对数据进行管理，分别建立：气象数据库，管理模型建模中的动态气象输入数据；地形地貌数据库，管理模型建模中所输入的流域下垫面初始静态属性数据及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模块化水文模拟系统，其特征在于包括模块库、专家库、智能算法库、系统库、数据库、后处理功能库，所述模块库是针对实际流域产流过程中的不同物理过程构建水文过程模块库；所述专家库是基于全国山洪灾害调查评价结果及大量物理、数值模拟试验成果构建的小流域水文模拟专家库；智能算法库包括人工智能算法模块、数据融合算法模块、大数据分析算法模块；系统库包括数格式转换模块、空间数据处理模块、时间步长设置模块、计算控制模块；所述数据库按照模拟过程中流域信息的输入、生成、输出其所对应的物理意义对数据进行管理；所述后处理功能库包括模拟精度评价分析模块、多模型结果对比模块、可视化结果展示模块及多格式数据输出模块。/n

【技术特征摘要】
1.一种模块化水文模拟系统，其特征在于包括模块库、专家库、智能算法库、系统库、数据库、后处理功能库，所述模块库是针对实际流域产流过程中的不同物理过程构建水文过程模块库；所述专家库是基于全国山洪灾害调查评价结果及大量物理、数值模拟试验成果构建的小流域水文模拟专家库；智能算法库包括人工智能算法模块、数据融合算法模块、大数据分析算法模块；系统库包括数格式转换模块、空间数据处理模块、时间步长设置模块、计算控制模块；所述数据库按照模拟过程中流域信息的输入、生成、输出其所对应的物理意义对数据进行管理；所述后处理功能库包括模拟精度评价分析模块、多模型结果对比模块、可视化结果展示模块及多格式数据输出模块。


2.根据权利要求1所述的一种模块化水文模拟系统，其特征在于，所述模块库包括蒸散发模块、截流填洼模块、土壤下渗模块、单一产流模块、混合产流模块、壌中流模块、地下水及地表汇流河道演进模块。


3.根据权利要求1所述的一种模块化水文模拟系统，其特征在于，所述专家库包括水文响应单元划分标准模块、响应单元产流模式判定模块、流域属性计算参数自动匹配赋值模块及模型率定方案选取库模块。


4.根据权利要求1所述的一种模块化水文模拟系统，其特征在于，所述人工智能算法支持对流域数据进行分析处理并对缺资料地区进行模型参数区域化移植；所述数据融合同化算法库可以对不同格式数据如shp格式、tif...

【专利技术属性】
技术研发人员：马强，刘昌军，文磊，张顺福，何丽佳，李昌志，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11