第四講:水文預(yù)報(bào)方法及海河流域水文預(yù)報(bào)工作

主講人：只德國(guó)

（水利部海河水利委員會(huì)，天津 300170）

水文預(yù)報(bào)是水文工作的精髓，它不僅為防汛抗旱、水資源管理等水利工作提供決策依據(jù)，也為全社會(huì)的諸多方面提供服務(wù)。新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)的水文預(yù)報(bào)工作得到了迅速發(fā)展。在學(xué)習(xí)、吸收原蘇聯(lián)和美國(guó)的水文預(yù)報(bào)方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)我國(guó)不同地區(qū)的流域特點(diǎn)，開(kāi)展了預(yù)報(bào)理論、方法和技術(shù)等全面的研究，對(duì)于流域水文模型的研究和應(yīng)用取得了許多重要成果，提出了新安江模型、陜北模型等一批先進(jìn)的預(yù)報(bào)理論和方法。隨著現(xiàn)代通訊信息技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)在水文預(yù)報(bào)方法、預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)和新技術(shù)應(yīng)用等方面有了很大的提高。同時(shí)，多次的洪災(zāi)考驗(yàn)積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，近年來(lái)在應(yīng)對(duì)長(zhǎng)江、珠江、淮河等大水中成功地開(kāi)展了高水平的水文預(yù)報(bào)，為抗洪工作提供了關(guān)鍵的決策依據(jù)。應(yīng)該說(shuō)，目前我國(guó)的預(yù)報(bào)水平不論是在理論研究還是在作業(yè)預(yù)報(bào)等方面都處于世界先進(jìn)水平。

1 水文預(yù)報(bào)基本方法

水文預(yù)報(bào)是根據(jù)前期和現(xiàn)實(shí)的水文、氣象等信息，對(duì)未來(lái)一定時(shí)段內(nèi)水文情勢(shì)做出定性或定量預(yù)報(bào)。

水文預(yù)報(bào)涉及所有的水文要素預(yù)報(bào)，包括洪水預(yù)報(bào)、徑流預(yù)報(bào)、墑情預(yù)報(bào)、地下水位預(yù)報(bào)、冰情預(yù)報(bào)、風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)、水質(zhì)預(yù)報(bào)等。筆者主要以洪水預(yù)報(bào)為重點(diǎn)進(jìn)行介紹。洪水預(yù)報(bào)主要預(yù)報(bào)暴雨洪水、融雪洪水的洪峰水位（或流量）、洪峰出現(xiàn)時(shí)間、洪水漲落過(guò)程和洪水總量等。

水文預(yù)報(bào)的方法大體可以分為經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法和模型方法兩類(lèi)。

1.1 經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法

經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法是通過(guò)根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累和歷史資料統(tǒng)計(jì)分析出的未知要素與已知要素的特定關(guān)系進(jìn)行水文預(yù)報(bào)的方法。該方法的實(shí)質(zhì)是把水文現(xiàn)象的原因與結(jié)果看作自變量與因變量，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)值用統(tǒng)計(jì)相關(guān)或其他相關(guān)擬合技術(shù)，求出它們之間的定量關(guān)系或者直接用圖解法求相關(guān)關(guān)系。經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法簡(jiǎn)單實(shí)用，是水文上應(yīng)用最早而且現(xiàn)在仍廣泛應(yīng)用的一種方法。在實(shí)際工作中，即便是采用其他方法進(jìn)行的預(yù)報(bào)一般也要用經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行比對(duì)預(yù)報(bào)。其缺點(diǎn)是對(duì)水文要素的變化規(guī)律缺乏明確的物理分析，其關(guān)系是在以往已經(jīng)發(fā)生情況的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，不能保證超過(guò)以往量級(jí)過(guò)程的相關(guān)關(guān)系，同時(shí)無(wú)法考慮下墊面等因素變化對(duì)相關(guān)關(guān)系的影響。

常用的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)方法包括：降雨徑流相關(guān)圖法、相應(yīng)水位（流量）預(yù)報(bào)法、合成流量法等。

降雨徑流相關(guān)圖法是在成因分析與統(tǒng)計(jì)相關(guān)結(jié)合的基礎(chǔ)上，用每場(chǎng)降雨過(guò)程流域的面平均雨量和相應(yīng)產(chǎn)生的徑流量以及影響徑流形成的主要因素建立起來(lái)的一種定量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，點(diǎn)繪出相關(guān)圖。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，且有一定的精度，主要用于產(chǎn)流預(yù)報(bào)，在實(shí)際工作中應(yīng)用較為廣泛。

影響降雨徑流關(guān)系的主要因素有前期影響雨量（Pa） 、降雨歷時(shí)（T）、降雨強(qiáng)度（P）、降雨分布位置（Cp）等。因此，可以點(diǎn)繪徑流量與這些要素的相關(guān)圖，如 R=f（P， Pa）、 R=f（P， P+Pa）、R=f（P， Pa，T）、R=f（P， Pa，Cp）等相關(guān)圖。

相應(yīng)水位（流量）預(yù)報(bào)法是根據(jù)天然河道中的洪水運(yùn)動(dòng)規(guī)律 （以洪水波形態(tài)按照一定規(guī)律沿河道自上游向下游運(yùn)動(dòng)）和歷史數(shù)據(jù)建立河道中上游斷面的水位（流量）與下游斷面的水位（流量）的相關(guān)關(guān)系，由上游斷面的洪水位和洪水流量來(lái)預(yù)報(bào)下游的洪水位和洪水流量。這是一種比較簡(jiǎn)便的預(yù)報(bào)方法，主要用于河道洪水預(yù)報(bào)。為了提高精度，有時(shí)用不同影響因素（如區(qū)間降雨、區(qū)間入流等）作參數(shù)。

1.2 模型方法

模型方法是根據(jù)水文規(guī)律將已知要素和條件與未知要素之間建立起一套數(shù)學(xué)公式，用已發(fā)生的水文要素來(lái)計(jì)算分析未來(lái)水文要素的變化的方法。模型方法的特點(diǎn)是模擬水文系統(tǒng)內(nèi)在關(guān)系的方法，旨在試圖描述水文現(xiàn)象間內(nèi)在的聯(lián)系與變化過(guò)程，比經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法有了很大的進(jìn)步，水文模型一直是水文學(xué)研究的熱點(diǎn)。

從20世紀(jì)60年代起，國(guó)內(nèi)外研發(fā)了許多用于水文預(yù)報(bào)的水文模型，如美國(guó)的斯坦福（Stanford）模型和薩克拉門(mén)托（Sacramento）模型，日本的水箱（或坦克Tank）模型、TOPMODEL模型，我國(guó)開(kāi)發(fā)的新安江模型、雙超模型、陜北模型、河北雨洪模型等，這些模型在水文預(yù)報(bào)中得到了很好應(yīng)用。

流域水文模型按照是否考慮水文過(guò)程的隨機(jī)性問(wèn)題可分為確定性模型、隨機(jī)性模型及混合型三類(lèi)。其中，確定性模型是指使用同樣的輸入數(shù)據(jù)在相同的條件下運(yùn)行模型會(huì)得到同樣的結(jié)果。目前大多數(shù)的水文模型都屬于確定性模型。按照水循環(huán)要素過(guò)程描述方法不同，確定性水文模型分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、概念模型和物理模型三?lèi)。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀址Q(chēng)“黑箱”模型，顧名思義是不分析水文過(guò)程的內(nèi)在物理因果關(guān)系，而只基于對(duì)輸入輸出系列的經(jīng)驗(yàn)性分析建立數(shù)學(xué)方程。代表性模型有：總徑流線(xiàn)性響應(yīng)模型（TLR）、線(xiàn)性擾動(dòng)模型（LPM）以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）等。

概念模型又稱(chēng)“灰箱”模型，利用一些簡(jiǎn)單的物理概念和經(jīng)驗(yàn)公式，如下滲曲線(xiàn)、匯流單位線(xiàn)、蒸發(fā)公式或有物理意義的結(jié)構(gòu)單元如線(xiàn)性水庫(kù)、線(xiàn)性河段等，組成一個(gè)系統(tǒng)來(lái)近似地描述流域水文過(guò)程。模型參數(shù)雖然具有一定的物理意義，但難于直接推算，需要根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行率定。代表性模型有：美國(guó)的斯坦福模型、我國(guó)的新安江模型等。

物理模型又稱(chēng)“白箱”模型，是依據(jù)水流的連續(xù)方程和動(dòng)量方程來(lái)求解水流在流域的時(shí)間和空間的變化規(guī)律。模型參數(shù)可以推求或測(cè)算。代表模型有：SHE模型、DBSIN模型等。

水文模型按照空間尺度劃分，又可分為集總式流域水文模型和分布式水文模型。

集總式模型，不考慮水文過(guò)程、輸入變量、邊界條件和流域幾何特征的空間變異性，把全流域當(dāng)作一個(gè)整體來(lái)建立模型，即對(duì)流域參數(shù)進(jìn)行均勻處理。大多數(shù)傳統(tǒng)的水文模型都屬于這種模型。

分布式模型，考慮水文過(guò)程、輸入變量、邊界條件和流域幾何特征的空間變異性，將流域劃分為很多小單元進(jìn)行建模。分布式水文模型是上世紀(jì)80年代中期以后，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代模型，代表模型有SHE模型、SWAT模型等。

另外，介于集總式模型和分布式模型之間，還有一種所謂的半分布式模型，其典型代表有以地形為水文過(guò)程空間變異性基礎(chǔ)的TOPMODEL模型。

2 海河流域水文預(yù)報(bào)工作發(fā)展過(guò)程及成就

海河流域的水文預(yù)報(bào)工作伴隨著新中國(guó)的成長(zhǎng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，完成了從經(jīng)驗(yàn)到模型、從手工到計(jì)算機(jī)化的進(jìn)步，在“63·8”、“94·7”和“96·8”等大水中發(fā)揮了重要作用。上世紀(jì)80年代末，海委組織海河流域各?。ㄊ小^(qū)）進(jìn)行水文預(yù)報(bào)方案的匯編工作，并于1993年編制完成了《海河流域?qū)嵱盟念A(yù)報(bào)方案》。2006年，對(duì)其進(jìn)行了修訂，目前共有77套預(yù)報(bào)方案，涵蓋了海河流域所有大型水庫(kù)、部分中型水庫(kù)和大部分河道重要防洪控制節(jié)點(diǎn)，其中部分重要節(jié)點(diǎn)有兩套以上預(yù)報(bào)方案。

海河流域利用經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行產(chǎn)流預(yù)報(bào)主要是采用經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖法，使用的流域水文模型主要是新安江模型，此外根據(jù)流域特點(diǎn)還自主研發(fā)了河北雨洪模型等實(shí)用的模型。河道匯流預(yù)報(bào)多采用馬斯京根法，近年對(duì)于部分蓄滯洪區(qū)和河道洪水演進(jìn)預(yù)報(bào)建立了水力學(xué)模型，目前也開(kāi)始嘗試?yán)梅植际剿哪Ｐ烷_(kāi)展洪水預(yù)報(bào)。

海河流域已編制的預(yù)報(bào)方案基本上實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)化，并建立了許多預(yù)報(bào)系統(tǒng)，包括以中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的海河流域洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，與調(diào)度相結(jié)合建立了分河系的預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)，各省市都開(kāi)發(fā)了各自區(qū)域的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。在系統(tǒng)建設(shè)中，一些先進(jìn)的功能如實(shí)時(shí)在線(xiàn)聯(lián)機(jī)在線(xiàn)預(yù)報(bào)、模擬預(yù)報(bào)、人機(jī)交互、多方案對(duì)比等得到實(shí)現(xiàn)，一些先進(jìn)的技術(shù)如參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化技術(shù)、數(shù)字高程提取技術(shù)、遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)等得到初步應(yīng)用。水文預(yù)報(bào)需要的實(shí)時(shí)信息如雨量、流量、水位等基本上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)傳輸、自動(dòng)入庫(kù)，并可以在20 min內(nèi)從測(cè)站收集到流域水文局。

流域內(nèi)建立起了海委水文局、省（市、區(qū)）水文局和地區(qū)水文局三級(jí)預(yù)報(bào)隊(duì)伍。一般過(guò)程洪水，無(wú)論是否有可能出災(zāi)都進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào)。同時(shí)，為了提高鍛煉隊(duì)伍和作業(yè)預(yù)報(bào)水平，經(jīng)常開(kāi)展流域內(nèi)的水文預(yù)報(bào)演練。

由于受客觀(guān)因素影響，海河流域整體水文預(yù)報(bào)工作還不能滿(mǎn)足防汛抗旱等水利工作的要求，水文預(yù)報(bào)難仍然是流域防汛工作難題之一。目前，流域水文預(yù)報(bào)的精度與淮河、長(zhǎng)江等南方流域相比還有差距，許多情況下只能提供參考預(yù)報(bào)。

近年來(lái)，海河流域下墊面發(fā)生了很大變化，如水利工程的建設(shè)、土地的開(kāi)發(fā)、城鎮(zhèn)化的發(fā)展、交通設(shè)施的修建、地下水的開(kāi)采等，使流域的產(chǎn)匯流特性發(fā)生了很大變化，原有預(yù)報(bào)方案已經(jīng)不適合現(xiàn)狀的水文預(yù)報(bào)，而流域多年沒(méi)有出現(xiàn)大水，原有的經(jīng)驗(yàn)方案和模型方案都是依靠90年代以前的場(chǎng)次洪水來(lái)進(jìn)行參數(shù)率定和調(diào)線(xiàn)的，沒(méi)有足夠新增的較大量級(jí)的場(chǎng)次洪水就很難進(jìn)行方案修訂。

制約海河流域水文預(yù)報(bào)水平的因素還有很多。如，信息源不足，雨量站和水文站不能控制降雨和徑流過(guò)程；預(yù)報(bào)方案比較單一，不能適應(yīng)流域復(fù)雜的河流和暴雨洪水特性；部分重要節(jié)點(diǎn)如蓄滯洪區(qū)還沒(méi)有預(yù)報(bào)方案；預(yù)報(bào)系統(tǒng)靈活性、交互性還較差；大部分預(yù)報(bào)人員沒(méi)有經(jīng)過(guò)洪水考驗(yàn)，因而預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)不足等。

3 海河流域水文預(yù)報(bào)工作發(fā)展趨勢(shì)

“更早、更快、更準(zhǔn)、更全面”一直是水文預(yù)報(bào)工作努力的方向。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，通過(guò)水文工作者的不懈努力，水文預(yù)報(bào)工作也會(huì)不斷進(jìn)步。

3.1 信息獲取將從以點(diǎn)為主的方式向以面為主、點(diǎn)面結(jié)合的方式發(fā)展

目前開(kāi)展水文預(yù)報(bào)所需要的信息如雨量、蒸發(fā)量、土壤含水量等主要是通過(guò)設(shè)站監(jiān)測(cè)的方式獲得，不可避免地會(huì)產(chǎn)生代表性是否合理的問(wèn)題，由于密度有限，很難真實(shí)地反映區(qū)域的整體情況。以面監(jiān)測(cè)獲取預(yù)報(bào)信息的手段已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用，并且隨著遙感等技術(shù)的不斷發(fā)展和更加快速、更加經(jīng)濟(jì)、更加實(shí)效的產(chǎn)品的不斷推出，在未來(lái)的水文預(yù)報(bào)中會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。如，利用衛(wèi)星遙感、天氣雷達(dá)等定量測(cè)算面雨量，利用遙感反演陸地和水面蒸發(fā)量，利用遙感監(jiān)測(cè)土壤墑情和含水量，利用遙感及時(shí)掌握流域下墊面的變化情況（如土地利用、地形地貌、植被覆蓋、水利工程、河道變化等）。將獲取的面信息和監(jiān)測(cè)站的信息結(jié)合使用，可以大大提高預(yù)報(bào)信息的準(zhǔn)確度，從而提高預(yù)報(bào)精度。

3.2 物理模型將在預(yù)報(bào)中得到廣泛應(yīng)用

具有明確物理機(jī)理、模型參數(shù)可以推求或測(cè)算的物理模型如現(xiàn)代的分布式水文模型將得到推廣和應(yīng)用，特別是對(duì)于海河流域場(chǎng)次洪水資料缺乏地區(qū)來(lái)說(shuō)更有發(fā)展前景。雖然目前還存在基礎(chǔ)資料和實(shí)時(shí)信息不能滿(mǎn)足物理模型的要求、發(fā)揮其應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)問(wèn)題，但隨著資料獲取和分析技術(shù)的發(fā)展、預(yù)報(bào)信息的豐富、計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高，物理模型將發(fā)揮更大的作用。

3.3 預(yù)報(bào)系統(tǒng)將更加智能化

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)信息和地理信息等技術(shù)的發(fā)展，預(yù)報(bào)系統(tǒng)將更加靈活和智能化。具有良好的人機(jī)對(duì)話(huà)功能，操作靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)，應(yīng)變能力強(qiáng)，可以應(yīng)對(duì)分洪、決口等非常情況下的預(yù)報(bào)需求，具有參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化、自動(dòng)預(yù)警預(yù)報(bào)、自動(dòng)校正、專(zhuān)家交互等功能的預(yù)報(bào)系統(tǒng)將不斷發(fā)展。 預(yù)報(bào)員、專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)將嵌入預(yù)報(bào)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)評(píng)估決策。

預(yù)報(bào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)將更加專(zhuān)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化。流域統(tǒng)一的預(yù)報(bào)平臺(tái)將為各級(jí)預(yù)報(bào)人員提供服務(wù)，且不斷統(tǒng)一升級(jí)，將預(yù)報(bào)人員從復(fù)雜的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中解放出來(lái)，把更多的精力用于理論研究和作業(yè)預(yù)報(bào)。

3.4 水文預(yù)報(bào)服務(wù)將更加全面

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)水文提出了更多需求，水文預(yù)報(bào)范圍也會(huì)不斷擴(kuò)大。目前，海河流域的洪水預(yù)報(bào)還主要針對(duì)大中型水庫(kù)和骨干河道，對(duì)于中小河流洪水、城市洪水還沒(méi)有開(kāi)展有效預(yù)報(bào)。但是，現(xiàn)在的中小河流往往是洪災(zāi)多發(fā)區(qū)，傷亡情況嚴(yán)重；城市防洪問(wèn)題越來(lái)越突出，暴雨造成城市大范圍積水、交通中斷甚至人員傷亡，這都需要開(kāi)展及時(shí)的預(yù)報(bào)，以減輕災(zāi)害損失。在傳統(tǒng)的為防洪服務(wù)的洪水預(yù)報(bào)發(fā)展的同時(shí)，為抗旱、水資源管理、水生態(tài)保護(hù)等服務(wù)的枯季徑流預(yù)報(bào)、墑情預(yù)報(bào)、地下水位預(yù)報(bào)、冰情預(yù)報(bào)、風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)、水質(zhì)預(yù)報(bào)等也將全面發(fā)展?？傊念A(yù)報(bào)是一項(xiàng)非?；A(chǔ)而且重要的工作，也是一項(xiàng)涉及多學(xué)科較為復(fù)雜和具有較高科技含量的工作。海河流域的水文預(yù)報(bào)工作有許多難題亟待破解，需要水文工作者及相關(guān)學(xué)科工作者共同努力，不斷研究探索、大膽創(chuàng)新、勇于實(shí)踐，努力提高海河流域的水文預(yù)報(bào)水平。

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