反饋模擬實時校正技術在洪水預報中的應用

徐 寧戴軍利陳 潔

反饋模擬實時校正技術在洪水預報中的應用

徐 寧1戴軍利2陳 潔2

流域水文系統(tǒng)是一個非常復雜的系統(tǒng)，在考慮水文預報模型結(jié)構(gòu)時，通常要給以一系列的假設和結(jié)構(gòu)簡化近似，這在模型外延中會帶來較大的誤差；在模型參數(shù)確定中，由于歷史水文資料的代表性不夠，也會帶來誤差。實時洪水的預報與估計系統(tǒng)中誤差更多，常見的有：（1）設備故障，導致資料缺測或不合理的觀測數(shù)據(jù)；（2）水利工程、農(nóng)田蓄放水誤差；（3）流域水文規(guī)律的變化；（4）水文規(guī)律簡化誤差，即模型結(jié)構(gòu)誤差。

在洪水預測系統(tǒng)中，常會發(fā)現(xiàn)不同時間發(fā)生的誤差是十分相似的。例如，高強度降雨引起的洪水，常會導致預測的洪峰偏小，長期干旱后的洪水徑流量估計常偏大等。雖然這些洪水發(fā)生在不同年份，但許多相同類型的洪水會有相似的誤差統(tǒng)計特征，稱為誤差的相似性。這些相似性是客觀存在的，是由引起誤差的因素相似性所決定的。

反饋模擬實時校正技術可用于實時洪水預報誤差修正，針對實際洪水預報有一定影響的誤差因素，利用實時系統(tǒng)能獲得的觀測信息和一切能利用的其他信息對預報誤差進行實時校正，以彌補流域水文模型的不足。

一、應用背景

1.實例應用地區(qū)概況

漳河水系位于陜西高原和太行山區(qū)，地跨晉、冀、豫三省，是相對獨立的水系，水文預報誤差不易受系統(tǒng)外因素干擾；其地處山區(qū)，夏季太平洋副熱帶高壓加強北上，易在太行山區(qū)迎風坡形成大暴雨，洪水具有峰高量大、次洪過程迅速的特點，洪水要素明確，且對誤差敏感；漳河水系上游建有多座水庫，農(nóng)田蓄放水和沿河取水活動頻繁，人類活動已對水系水文規(guī)律產(chǎn)生影響；漳河水系洪水預報主要使用降雨徑流模型，產(chǎn)流部分應用了蓄滿產(chǎn)流模型，產(chǎn)流機理較為簡化，近年來洪水預報誤差增大，特別是中小等級的洪水尤為明顯。基于以上特點，本文選取漳河水系進行反饋模擬實時校正技術應用與研究，具有較強的代表性和推廣性。

漳河發(fā)源于山西省長治西部和北部山區(qū)，主要支流有清漳河與濁漳河兩支，見圖2。清漳河又分東西兩源，均發(fā)源于太行山區(qū)，二者于下交漳相匯。濁漳河又分北、西、南三源，均發(fā)源于太岳山區(qū)，三源上分別建有關河、后灣、漳澤3座大型水庫，清漳與濁漳在合漳村匯合后稱漳河。流域面積19537km2，山區(qū)約占95%。

2.水文預報概況

根據(jù)漳河水系地理特征和水文特征將其劃分為三個預報分區(qū)：關河、后灣、漳澤三水庫—石梁區(qū)間，匡門口以上區(qū)間，石梁、匡門口—觀臺區(qū)間（見圖3）。

圖1 實時校正預報過程圖

圖2 漳河流域概化圖

圖3 漳河流域預報分區(qū)圖

通過長期的應用和對比，漳河水系使用降雨徑流模型預報精度優(yōu)于其他預報模型，故本文選用降雨徑流模型進行對比。

二、反饋模擬實時校正技術原理

由于流域降雨在時空分布上的復雜性，根據(jù)現(xiàn)有雨量站點觀測的雨量很難準確地計算出流域?qū)嶋H降雨，同時還有計算及觀測等方面的誤差，這就導致洪水作業(yè)預報中，用產(chǎn)匯流原理作出的預見期內(nèi)的預報值與實測值有較大誤差。實時校正可以最大限度地利用預見期內(nèi)所獲得的各種信息對后期預報值進行反饋校正，以提高預報精度。

一次降雨過程，通過模型計算可以得出Qfi～t預報流量過程，在河流的控制站將逐漸出現(xiàn)DQobi～t實測流量過程。

設DQobi為實測流量，DQobi＞0，其中，i=1，2，…，n；

設Qfi為預報計算流量，Qfi＞0，其中，i=1，2，…，m；

n為實測流量的個數(shù)，m為預報計算流量的總時段數(shù)。

實測流量的差值計算中，設DQobi＝0，從i=2實測值起連續(xù)計算到n，則差值為：DQobi=Qobi-Qobi-1。

預報計算的流量之間差值計算中，設DQfi＝0，從i=2預報值起連續(xù)計算到m，則差值為：DQfi=Qfi-Qfi-1。

相鄰兩個時段實測流量差值之和與預報計算流量差值之和的比值Fact因子，其表達式：

為了判別漲水與退水，采用前式。Fact因子的數(shù)值范圍，通常在0.45到2.21之間，當j=6時，F(xiàn)act0.75j趨近于1.0，其表達式為：

水文預報時實時校正分漲水段和退水段，當DQfi≥0時，則為漲水段；當DQfi＜0時，則為退水段。

漲水段按下列判別式作實時校正：

如i-（n+6）≥0時，i≥7，則Qobi實時校正流量的增量等于Qfi；

如i-（n+6）＜0時，實時校正系數(shù)Fac按下式計算：

i為預報點序數(shù)。因此，漲水段實時校正計算公式為：

退水段按下式作實時校正：

即前一時刻的實測值與預報值之比乘以本時刻的預報值，即為本時刻的實時校正流量。

當只有第一個流量是實測值時，即n=1，漲水段第二個實時校正計算為：Qob2=Qob1+Qf2-Qf1

依此類推得：

由以上可知，退水段和當n=1時，第1個流量為實測時的漲水段不計算Fact。

三、反饋模擬實時校正技術在漳河流域的應用

近十年來漳河水系下墊面變化較小，處于枯水期。在此期間選擇5場次中、小級別洪水，首先使用降雨徑流模型進行水文模擬，然后根據(jù)洪水過程初期的實測流量過程通過反饋模擬實時校正技術對預報結(jié)果進行修正。具體成果見表1降雨徑流方案和反饋模擬實時校正計算結(jié)果比較。

表1 降雨徑流方案和反饋模擬校正計算結(jié)果比較（觀臺站）

四、成果分析

由表1對比分析可得：降雨徑流模型在對中、小級別洪水的模擬中誤差較大，水利工程和人為因素對洪水預報結(jié)果的應尤為明顯。通過反饋模擬實時校正技術進行修正后，洪峰流量的預報精度有了較大提高，同時洪量的相對誤差也不同程度的減小。

反饋模擬實時校正技術在實時預報模型中能有效提高預報精度，最大限度地利用了預見期內(nèi)可獲得的各種水文實測信息，物理意義明確。但由于其數(shù)學理論性不強，所以在使用過程中誤差會不斷累積。預見期比較短的時候可以取得一定的效果，若預見期比較長，校正后的精度反而會降低，如12072908號洪水，由于洪水過程中后期上游水庫持續(xù)泄流，導致洪水過程延長。在預報中，及時分析實測流量的合理性和可靠性可提高校正的精度。這也說明預報功能取決于模型本身結(jié)構(gòu)，實時校正法是一種輔助提高預報精度的方法■

（作者單位：1.海委漳衛(wèi)南運河管理局 253000 2.山東省德州市水利局253000）

（專欄編輯：張 婷）