前言

洪水預報是一項預防洪水、提高洪水資源利用率、降低洪水風險的關鍵技術。在實際生產應用中，實時洪水預報的精度對于防洪安全和興利都會有很大的影響。

流域水文系統是一個非常復雜的系統，在考慮模型結構時，通常要給予一系列的假設和結構簡化近似，這在模型外延中會帶來較大的誤差。在模型參數確定中，由于歷史水文資料的代表性不夠，也會帶來誤差。實時洪水的預測與估計系統中誤差更多，這就需要利用實時洪水預報誤差修正技術來提高水文模型在實時洪水預報中的精度。

近年來，實時洪水預報誤差修正技術得到了很大的發展，在實際流域洪水預報中也得到了廣泛的應用，并取得了一定的效果。然而，現有的誤差修正方法存在物理概念不清晰、損失預見期和使用條件受限制等缺陷，且現有的方法大都以模型計算實時誤差系列為基本信息依據，往往將實測流量中的全部信息用于某一特定對象的修正，并未將實測流量中所包含的信息分類提取利用，而且大多數修正方法都是基于流量誤差的統計分析。大多數傳統的誤差修正技術以及抗差技術都是針對降雨、流量、水位等單一水文要素系列進行分析，對研究要素的誤差本身進行修正和同化，這些技術都是將研究要素的誤差與模型本身分離。眾所周知，實時洪水預報系統產生誤差的原因很多，影響誤差的機理非常復雜，模型計算的實時誤差系列中雖然包含了所有的誤差信息，但由于能區分利用的信息量太小，不足以達到對模型參數、輸入等誤差進行修正的目的。

鑒于此，本書根據水文系統輸入、輸出、參數和中間變量與系統輸出之間的響應性，提出了水文系統微分響應理論，通過利用模型計算系列與實測系列之間的差值這一重要信息，對模型需要修正的變量進行逆向反饋修正，建立了一種基于系統微分響應理論的實時洪水預報誤差修正方法。

鑒于傳統洪水預報誤差修正方法大都基于水文統計理論，本書首先從水文模型結構的本構關系出發，分析并建立了系統輸入、參數和中間變量等與系統輸出之間存在的微分響應關系，提出了水文系統微分響應理論，論證了該理論在洪水預報誤差修正中的適用性。隨后，本書以水文系統微分響應理論為基礎，提出了線性匯流系統以單位線為響應關系的產流誤差修正方法。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預報誤差修正中，并將單位線以系統響應曲線的形式應用于預報誤差修正中，建立一種向信息源頭追溯的反饋修正模型。用實測值和計算值之間的差值作為信息源，對線性系統的重要輸入項——產流量進行修正，并分別通過理想模型和實際流域應用檢驗，結果表明單位線方法結構簡單，且不增加參數，物理概念清晰，對預報精度有較大提高。

鑒于大多數水文模型的產流計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的產流量動態系統響應曲線DSRC（Dynamic System Response Curve）。將動態系統響應曲線應用于洪水預報產流誤差修正中，對時段產流量進行修正，再用修正后的產流量重新計算出流過程。該修正方法分別用理想案例和實際流域進行檢驗，結果證明，該方法能夠有效提高預報精度，并且與傳統的二階自回歸模型進行修正效果對比，在相同預見期下，此方法效果比傳統二階自回歸模型有明顯的提高，修正效果更加穩定。另外，本書中還對修正產流量的方法進行了改進，例如進行分水源修正、倍比因子的修正和基于產流平穩矩陣的修正研究。

此外，流域洪水預報過程中由于流域雨量站密度不足、雨量站單元劃分不夠靈活及雨量站遙測資料誤差等因素，常常導致雨量站單元面平均雨量存在誤差。鑒于此，本書又嘗試將系統微分響應理論用于修正面平均雨量誤差，推求面平均雨量動態系統響應曲線，通過修正面平均雨量來提高實時洪水預報精度。本書通過理想模型和20個具有不同雨量站密度、氣候特征和地形地貌特征的實際流域分別對面平均降雨誤差動態系統響應曲線修正方法的可行性、合理性和效果進行了驗證。此外，本書中也對降雨誤差修正的方法進行了改進探討，例如分雨量單元進行修正、考慮降雨閾值的修正改進以及嶺回歸估計改進研究。結果表明，該方法對于提高實時洪水預報精度具有明顯效果，對于流域面積較大、雨量站密度較小的流域，其修正效果更加顯著。

在當下復雜的工程地理系統中，以自然流域為基礎發展起來的傳統水文模型已經很難精確地描述和表達工程地理系統下的流域產匯流特性；近十幾年發展起來的分布式水文模型在實際的應用中并未取得較好的效果，水文模型的實際應用效果受到了很大的制約，模型的發展遇到瓶頸，本書所提出的水文系統微分響應理論在水文模型的發展和應用效果方面取得了較大突破。

全書共分為8章，第1章論述了實時洪水預報誤差修正的研究意義及國內外關于這一領域的研究進展；第2章詳細介紹了水文模型系統微分響應理論的基本概念及系統微分響應誤差修正方法的構建；第3章介紹了線性系統產流量誤差修正方法與實例研究；第4章詳細介紹了非線性系統中產流量誤差的動態系統響應修正方法與技術；第5章介紹了產流誤差系統響應方法的改進及其應用研究；第6章詳細介紹了面平均降雨誤差修正方法及其實例應用分析；第7章介紹了降雨誤差微分響應修正方法的改進研究；第8章總結了全書的研究內容并對系統響應誤差修正方法進行了展望。

本書的出版得到了國家自然科學基金“基于動態系統微分響應的水文模型關鍵要素信息提取及誤差修正研究”（51709077）、“基于傅里葉級數的河段水流模型結構誤差研究”（51279057）、國家博士后基金“基于系統微分響應的水文模型誤差修正研究”（2017M611679）以及江蘇省博士后基金“基于系統微分響應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、楊姍姍碩士為第5章和第7章的撰寫提供了大量數據和基本素材，在此致以深深的謝意。

由于作者學識水平有限及時間倉促，書中難免存在不妥之處，敬請讀者批評指正。

作者

2018年7月