前言

洪水预报是一项预防洪水、提高洪水资源利用率、降低洪水风险的关键技术。在实际生产应用中，实时洪水预报的精度对于防洪安全和兴利都会有很大的影响。

流域水文系统是一个非常复杂的系统，在考虑模型结构时，通常要给予一系列的假设和结构简化近似，这在模型外延中会带来较大的误差。在模型参数确定中，由于历史水文资料的代表性不够，也会带来误差。实时洪水的预测与估计系统中误差更多，这就需要利用实时洪水预报误差修正技术来提高水文模型在实时洪水预报中的精度。

近年来，实时洪水预报误差修正技术得到了很大的发展，在实际流域洪水预报中也得到了广泛的应用，并取得了一定的效果。然而，现有的误差修正方法存在物理概念不清晰、损失预见期和使用条件受限制等缺陷，且现有的方法大都以模型计算实时误差系列为基本信息依据，往往将实测流量中的全部信息用于某一特定对象的修正，并未将实测流量中所包含的信息分类提取利用，而且大多数修正方法都是基于流量误差的统计分析。大多数传统的误差修正技术以及抗差技术都是针对降雨、流量、水位等单一水文要素系列进行分析，对研究要素的误差本身进行修正和同化，这些技术都是将研究要素的误差与模型本身分离。众所周知，实时洪水预报系统产生误差的原因很多，影响误差的机理非常复杂，模型计算的实时误差系列中虽然包含了所有的误差信息，但由于能区分利用的信息量太小，不足以达到对模型参数、输入等误差进行修正的目的。

鉴于此，本书根据水文系统输入、输出、参数和中间变量与系统输出之间的响应性，提出了水文系统微分响应理论，通过利用模型计算系列与实测系列之间的差值这一重要信息，对模型需要修正的变量进行逆向反馈修正，建立了一种基于系统微分响应理论的实时洪水预报误差修正方法。

鉴于传统洪水预报误差修正方法大都基于水文统计理论，本书首先从水文模型结构的本构关系出发，分析并建立了系统输入、参数和中间变量等与系统输出之间存在的微分响应关系，提出了水文系统微分响应理论，论证了该理论在洪水预报误差修正中的适用性。随后，本书以水文系统微分响应理论为基础，提出了线性汇流系统以单位线为响应关系的产流误差修正方法。单位线是一种常用的流域汇流方法，本书把单位线引入线性系统预报误差修正中，并将单位线以系统响应曲线的形式应用于预报误差修正中，建立一种向信息源头追溯的反馈修正模型。用实测值和计算值之间的差值作为信息源，对线性系统的重要输入项——产流量进行修正，并分别通过理想模型和实际流域应用检验，结果表明单位线方法结构简单，且不增加参数，物理概念清晰，对预报精度有较大提高。

鉴于大多数水文模型的产流计算模块具有高度非线性，本书又以新安江模型为例，提出了基于非线性系统的产流量动态系统响应曲线DSRC（Dynamic System Response Curve）。将动态系统响应曲线应用于洪水预报产流误差修正中，对时段产流量进行修正，再用修正后的产流量重新计算出流过程。该修正方法分别用理想案例和实际流域进行检验，结果证明，该方法能够有效提高预报精度，并且与传统的二阶自回归模型进行修正效果对比，在相同预见期下，此方法效果比传统二阶自回归模型有明显的提高，修正效果更加稳定。另外，本书中还对修正产流量的方法进行了改进，例如进行分水源修正、倍比因子的修正和基于产流平稳矩阵的修正研究。

此外，流域洪水预报过程中由于流域雨量站密度不足、雨量站单元划分不够灵活及雨量站遥测资料误差等因素，常常导致雨量站单元面平均雨量存在误差。鉴于此，本书又尝试将系统微分响应理论用于修正面平均雨量误差，推求面平均雨量动态系统响应曲线，通过修正面平均雨量来提高实时洪水预报精度。本书通过理想模型和20个具有不同雨量站密度、气候特征和地形地貌特征的实际流域分别对面平均降雨误差动态系统响应曲线修正方法的可行性、合理性和效果进行了验证。此外，本书中也对降雨误差修正的方法进行了改进探讨，例如分雨量单元进行修正、考虑降雨阈值的修正改进以及岭回归估计改进研究。结果表明，该方法对于提高实时洪水预报精度具有明显效果，对于流域面积较大、雨量站密度较小的流域，其修正效果更加显著。

在当下复杂的工程地理系统中，以自然流域为基础发展起来的传统水文模型已经很难精确地描述和表达工程地理系统下的流域产汇流特性；近十几年发展起来的分布式水文模型在实际的应用中并未取得较好的效果，水文模型的实际应用效果受到了很大的制约，模型的发展遇到瓶颈，本书所提出的水文系统微分响应理论在水文模型的发展和应用效果方面取得了较大突破。

全书共分为8章，第1章论述了实时洪水预报误差修正的研究意义及国内外关于这一领域的研究进展；第2章详细介绍了水文模型系统微分响应理论的基本概念及系统微分响应误差修正方法的构建；第3章介绍了线性系统产流量误差修正方法与实例研究；第4章详细介绍了非线性系统中产流量误差的动态系统响应修正方法与技术；第5章介绍了产流误差系统响应方法的改进及其应用研究；第6章详细介绍了面平均降雨误差修正方法及其实例应用分析；第7章介绍了降雨误差微分响应修正方法的改进研究；第8章总结了全书的研究内容并对系统响应误差修正方法进行了展望。

本书的出版得到了国家自然科学基金“基于动态系统微分响应的水文模型关键要素信息提取及误差修正研究”（51709077）、“基于傅里叶级数的河段水流模型结构误差研究”（51279057）、国家博士后基金“基于系统微分响应的水文模型误差修正研究”（2017M611679）以及江苏省博士后基金“基于系统微分响应的面平均雨量误差修正研究”（1701019A）的资助。

在本书的编写过程中，得到了石朋教授、瞿思敏教授的极大帮助，刘可新硕士、杨姗姗硕士为第5章和第7章的撰写提供了大量数据和基本素材，在此致以深深的谢意。

由于作者学识水平有限及时间仓促，书中难免存在不妥之处，敬请读者批评指正。

作者

2018年7月