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English
2016年2月17日
防灾减灾活动中自动调整洪水预报模拟器参数的技术
国立研究开发法人土木研究所(所在地：日本茨城县筑波市，董事长：鱼本健人，以下简称土木研究所)与株式会社富士通研究所(总公司所在地：日本神奈川县川崎市，社长：佐相秀幸，以下简称富士通研究所)针对洪水预报，开发了一种可自动优化调整洪水预报模拟器参数的技术，参数包括洪水预测模拟器计算河流流量时的最终入渗率和径流系数等(雨水渗入土壤程度与下游流量)。
开发背景
河道管理部门在台风和大雨到来时通常需要预测河流的流量，并采取各种减灾措施。例如派工作人员到现场，对居民进行避难引导等。随着集中性暴雨规模的扩大，需要采取更为有效的措施应对水灾。
预测河流流量成为一项重要措施，这时洪水预测模拟器发挥着重要作用。分布式径流模型将河流附近的地形与土地利用情况模型化，可详细模拟并高度管理河流。
随着分布式径流模型的普及，土木研究所与富士通研究所针对“关于洪水预测模型的数理优化法导入的研究”(注1)这一课题，从2014年4月至2016年3月共同进行相关研究。
课题
为了使基于分布式径流模型的洪水预测模拟器在水灾中发挥作用，首先需要针对过去的洪水适当调整模型参数。调整工作需要技术人员具备高度的技能以及河流工学、水文学等专业知识。
开发的技术
土木研究所与富士通研究所经过一年的共同研究，开发出了可自动调整洪水预测模拟器参数的技术(图1)。开发的技术具有以下特点：
- 选择适用于分布式径流模型的优化算法，在过去洪水中进行验证
输入过去洪水的雨量数据，将洪水预测模拟器的流量计算结果与实际的流量数据进行比较。这时，通过使用一种叫做数理优化的计算技术，对参数进行自动调整。该算法按照所提供规则，经过较少次尝试便可获得尽可能好的答案。
这次通过评价75种优化算法，选择了其中的13种用于分布式径流模型。研发人员同时开发了数理优化平台，实现了选择过程的自动化。
针对日本国内河流发生的15种洪水类型，研发人员将各河流的流量实测值与洪水预测模拟器的计算值进行了比较。Nash-Sutcliffe模型效率系数(注2)用来评价模型预测能力，其数值越接近1说明精度越高，而此次的模拟结果评测系数超过了0.9(图2)。
图1 数理优化与流量计算
图2 河流流量的实测值与模拟计算值 - 分析洪水特征与参数的相关性
通过对标注洪水特征的各种统计量与可以较好重现各个洪水的参数进行分析，研发人员发现径流率(雨量与河流流量比)和参数存在关联。该发现在调整新洪水参数时成为有用信息。
效果
此次开发的技术，使基于分布式径流模型的洪水预测模拟器参数得到优化调整。河流管理员可通过该模拟器预测出的河流流量，采取恰当措施实现防灾减灾。
今后
土木研究所与富士通研究所，今后将继续在各种洪水中进行验证测试以提高预测精度，目标在2016年将该技术投放市场。另外，为普及洪水预测模拟技术，双方计划将数理优化平台嵌入到土木研究所开发的整合洪水分析系统IFAS(注3)中，在多个河流流域进行效果评价，并将模拟与监测数据相融合，通过数据同化实现洪水的实时预测。
注释
- 注1 关于洪水预测模型的数理优化法导入的研究：
- 由土木研究所公开征集，富士通研究所应征的共同研究。土木研究所提供洪水预测模拟相关技术、模拟器、数据等，富士通研究所提供数理优化的相关技术。
- 注2 Nash-Sutcliffe模型效率系数：
- 用于评价模拟计算值与实测值匹配精度的系数。
Nash-Sutcliffe效率系数=1-(实测值与预测值的均方根误差/实测值的方差) - 注3 整合洪水分析系统IFAS：
- 土木研究所开发并公开的洪水预测模拟相关的整合分析系统。http://www.icharm.pwri.go.jp/research/ifas/index.html
