中小河流洪水預(yù)報(bào)的難點(diǎn)與解決方案探討

柳 林，安會(huì)靜

（海河水利委員會(huì)水文局，天津 300170）

我國(guó)幅員遼闊，各地地形、水文、氣象條件差異較大，關(guān)于大、中、小河流的定義至今尚沒(méi)有明確的規(guī)定?？紤]到國(guó)務(wù)院批復(fù)的 《全國(guó)山洪災(zāi)害防治規(guī)劃》中山洪治理主要針對(duì)流域面積200 km2以下的小流域，而《江河流域規(guī)劃編制規(guī)范》（SL201-97）使用范圍為流域面積大于3 000 km2的河流，從這一意義上講，可以認(rèn)為流域面積小于3 000 km2的河流為中小河流。我國(guó)中小河流眾多，流域面積為100～1 000 km2的河流有5萬(wàn)多條，覆蓋了85%的城鎮(zhèn)及廣大農(nóng)村地區(qū)。由于我國(guó)中小河流防洪標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，洪災(zāi)損失極為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般年份中小河流的水災(zāi)損失占全國(guó)水災(zāi)總損失的70%～80%，近十年水災(zāi)造成的人員死亡中有2/3以上發(fā)生在中小河流。

長(zhǎng)期以來(lái)，中小河流洪水預(yù)報(bào)一直是我國(guó)防洪減災(zāi)工作中的難點(diǎn)。相比我國(guó)大江大河的防洪體系，當(dāng)前我國(guó)中小河流的防洪建設(shè)仍然是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，許多中小河流防洪標(biāo)準(zhǔn)僅3～5年一遇，有的甚至沒(méi)有設(shè)防，多數(shù)中小河流仍處于“大雨大災(zāi)、小雨小災(zāi)”的局面。特別是近年來(lái)全球氣候變暖，極端天氣事件增多，局地強(qiáng)降水造成中小河流突發(fā)性洪水頻繁發(fā)生，加之人類(lèi)活動(dòng)對(duì)中小河流的開(kāi)發(fā)進(jìn)一步助長(zhǎng)了山洪災(zāi)害的威脅。因此，開(kāi)展我國(guó)中小河流洪水分布特征、形成機(jī)理、演進(jìn)規(guī)律及預(yù)報(bào)調(diào)控研究，建立我國(guó)中小河流洪水預(yù)報(bào)體系，是確保我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、保障國(guó)家公共安全和人民生命安全的重大需求，同時(shí)也是我國(guó)水文情報(bào)事業(yè)科技現(xiàn)代化發(fā)展的迫切要求。2011年，全國(guó)中小河流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目全面實(shí)施，計(jì)劃2013年實(shí)現(xiàn)有防洪任務(wù)的5 186條重點(diǎn)中小河流在發(fā)生洪水時(shí)能及時(shí)預(yù)警。因此，我國(guó)中小河流的洪水預(yù)報(bào)工作任務(wù)艱巨，面臨巨大的挑戰(zhàn)。

1 中小河流洪水特點(diǎn)及預(yù)報(bào)難點(diǎn)

1.1 中小河流洪水的特點(diǎn)

與大江大河的洪水相比，我國(guó)中小河流的洪水在時(shí)空分布、成因、形成過(guò)程等方面有著顯著的不同，歸納起來(lái)具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

（1）從空間分布上看，中小河流分布廣、數(shù)量多，各種流域的自然地理、氣候特征復(fù)雜多樣，水文氣象條件也各不相同。

（2）從時(shí)間分布上看，中小河流的洪水具有季節(jié)性、頻發(fā)性和突發(fā)性：洪水主要集中在夏季，雨季的局地強(qiáng)降水往往造成中小河流的突發(fā)性洪水災(zāi)害；不同區(qū)域還存在季節(jié)差異，有些流域在春末或秋初也常有洪水發(fā)生。

（3）從成因上看，中小河流發(fā)生洪水的原因可分為自然因素和人為因素：一方面，強(qiáng)降雨和流域陡峻地形是中小河流洪水驟發(fā)的主要誘因；另一方面，人類(lèi)對(duì)中小流域不合理的開(kāi)發(fā)利用，造成森林植被覆蓋率下降、水土流失、土壤侵蝕、生態(tài)環(huán)境惡化，以及河道侵占、攔河設(shè)障等使河道嚴(yán)重萎縮，都進(jìn)一步引發(fā)或加劇了洪水的災(zāi)害。

（4）從過(guò)程上看，洪水強(qiáng)度大、流速快、歷時(shí)短，匯流時(shí)間一般在6 h以?xún)?nèi)。

（5）從后果上看，中小流域的洪水破壞性強(qiáng)、危害性大、“大雨大災(zāi)，小雨小災(zāi)”，特別是山丘區(qū)洪水（山洪）常伴有泥石流、滑坡等山地災(zāi)害發(fā)生。

1.2 中小河流洪水預(yù)報(bào)的難點(diǎn)

盡管當(dāng)今的水文預(yù)報(bào)和方法浩如煙海，但將其應(yīng)用于中小河流洪水的實(shí)用預(yù)報(bào)時(shí)卻往往難以取得好的效果。預(yù)報(bào)方案不健全、預(yù)報(bào)精度不高，是目前我國(guó)中小河流洪水預(yù)報(bào)面臨的普遍問(wèn)題。因此，中小河流的洪水預(yù)報(bào)已經(jīng)成為水文預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)發(fā)展的一個(gè)瓶頸，以至于水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范中至今尚未制定出其精度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。中小河流洪水的特點(diǎn)決定了中小河流的洪水預(yù)報(bào)與大江大河的洪水預(yù)報(bào)思路不同，其洪水預(yù)報(bào)的難點(diǎn)可以歸納為以下幾個(gè)方面：

（1）中小河流的水文資料一般較為缺乏。

（2）監(jiān)測(cè)站點(diǎn)不足，站網(wǎng)密度不夠，即使對(duì)雨量站布設(shè)較密集的流域，站點(diǎn)的代表性以及面雨量的計(jì)算也存在問(wèn)題，點(diǎn)狀暴雨、局地暴雨時(shí)間、落區(qū)、強(qiáng)度、量級(jí)等預(yù)測(cè)達(dá)不到要求，氣象預(yù)報(bào)的精度還不夠高。

（3）由于暴雨的時(shí)空分布極不均勻，中小河流洪水災(zāi)害發(fā)生在流域內(nèi)某個(gè)小支流而非流域出口，難以被測(cè)知。而且，中小河流的洪水發(fā)生時(shí)間較短，常規(guī)水文6 h的報(bào)汛方法很難對(duì)其進(jìn)行有效的預(yù)報(bào)。

（4）雨洪響應(yīng)的復(fù)雜性和作業(yè)預(yù)報(bào)要求的簡(jiǎn)單性難以兼顧。采用簡(jiǎn)易相關(guān)圖或統(tǒng)計(jì)模型作預(yù)報(bào)，其效果多依賴(lài)于預(yù)報(bào)員的經(jīng)驗(yàn)，在技術(shù)上難以取得進(jìn)一步突破，不易推廣。而將集總模型或現(xiàn)有通用的水文模型直接應(yīng)用于中小河流的洪水預(yù)報(bào)，則往往缺乏針對(duì)性，無(wú)法適應(yīng)洪水的特征，預(yù)見(jiàn)期和預(yù)報(bào)精度難以滿(mǎn)足需求。

2 中小河流洪水預(yù)報(bào)的解決方案

中小河流的洪水預(yù)報(bào)可以采用常規(guī)的水文氣象模型，但針對(duì)上述中小河流洪水的特點(diǎn)及其預(yù)報(bào)難點(diǎn)，采用新技術(shù)、新模型進(jìn)行中小河流洪水過(guò)程模擬，以提高預(yù)報(bào)精度及預(yù)見(jiàn)期，是中小河流洪水預(yù)報(bào)發(fā)展的必然趨勢(shì)。分布式水文模型考慮了水源或來(lái)水（產(chǎn)匯流）的空間變異，按流域各處土壤、植被、土地利用和降水等的不同，將流域劃分為若干個(gè)水文模擬單元，在每一個(gè)單元上以一組參數(shù)表示該部分流域的各種自然地理特征，然后通過(guò)徑流演算得到全流域的總輸出。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、GIS技術(shù)、RS技術(shù)、信息技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展和普及，獲取流域下墊面空間分布信息的技術(shù)日臻完善，分布式水文模型與這些技術(shù)相結(jié)合，不僅是解決中小河流洪水預(yù)報(bào)問(wèn)題的必然選擇，也是中小河流洪水預(yù)報(bào)的發(fā)展方向。

2.1 分布式水文模型的建模過(guò)程

分布式水文模型同其他水文模型一樣，遵循一般水文模型的建模步驟，如圖1所示。

圖1 水文模型的建模過(guò)程

在建立模型之前，必須對(duì)流域水文循環(huán)過(guò)程有一個(gè)大致的了解和判斷，在頭腦中勾畫(huà)模型的藍(lán)圖，確定模型中包含哪些主要的水文過(guò)程，這些過(guò)程又該以什么樣的方式加以描述，比如模型中需不需要包含融雪模塊？流域產(chǎn)流方式是超滲產(chǎn)流還是蓄滿(mǎn)產(chǎn)流？模型的藍(lán)圖取決于建模者的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)資料的擁有情況以及對(duì)研究區(qū)的認(rèn)識(shí)，這些因素在建模過(guò)程中至關(guān)重要，可能影響模型實(shí)現(xiàn)的可能性以及最終建立模型的合理性。

為達(dá)到對(duì)水文過(guò)程進(jìn)行定量模擬的目的，在定性藍(lán)圖下，需要進(jìn)一步確定各相關(guān)水文過(guò)程的控制方程，以實(shí)現(xiàn)模型從自然語(yǔ)言到數(shù)學(xué)語(yǔ)言的轉(zhuǎn)化。需要強(qiáng)調(diào)的是，在應(yīng)用描述水文過(guò)程的數(shù)學(xué)方程時(shí)，必須明確其相關(guān)的前提和假設(shè)，確定模型的適用范圍。

在確定水文過(guò)程的控制方程之后，一個(gè)重要的工作就是把這些數(shù)學(xué)語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，也就是編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行模型開(kāi)發(fā)。構(gòu)成水文模型的數(shù)學(xué)方程可能很簡(jiǎn)單也可能很復(fù)雜。其中，簡(jiǎn)單的如基于水量平衡的模型，較容易通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)；復(fù)雜的如基于非線性偏微分方程的模型，則需應(yīng)用數(shù)值分析的方法逼近原方程，并轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合編程的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

程序編寫(xiě)并調(diào)試成功以后，水文模型也就基本構(gòu)建完成。通常一個(gè)完整的水文模型開(kāi)發(fā)包含了模型參數(shù)的率定及驗(yàn)證模塊，可以通過(guò)參數(shù)自動(dòng)優(yōu)選算法或人工調(diào)試率定模型的參數(shù)。如果模型參數(shù)率定完成且通過(guò)驗(yàn)證，那么模型就可以進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。反之，如果模型無(wú)法通過(guò)驗(yàn)證，那么就必須分析模型存在的問(wèn)題，并對(duì)模型的結(jié)構(gòu)或參數(shù)作必要的調(diào)整。

水文模型的開(kāi)發(fā)乃至發(fā)展成熟是上述幾個(gè)環(huán)節(jié)不斷循環(huán)往復(fù)的過(guò)程。特別應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于不同區(qū)域的中小河流，其水文過(guò)程（洪水過(guò)程）可能有很大的不同，因此相應(yīng)的模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)也會(huì)有所不同。換言之，在某一地區(qū)應(yīng)用效果良好的水文模型并不一定完全適用于另一個(gè)區(qū)域。在模型的構(gòu)建和實(shí)際應(yīng)用中，必須充分重視區(qū)域的差異性。

2.2 分布式水文模型的建模范式

分布式水文模型主要有兩種建模方式：①應(yīng)用數(shù)值分析來(lái)建立相鄰網(wǎng)格單元之間的時(shí)空關(guān)系，如SHE模型等。但它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，計(jì)算繁瑣。②在每一個(gè)網(wǎng)格單元 （或子流域）上應(yīng)用傳統(tǒng)的概念性（或系統(tǒng)理論）模型來(lái)推求凈雨，再進(jìn)行匯流演算，最后求得出口斷面流量，如SWAT模型、TOPMODEL模型等。該類(lèi)模型也被稱(chēng)為半分布式水文模型，模型的結(jié)構(gòu)與計(jì)算過(guò)程相對(duì)比較簡(jiǎn)單。

2.3 分布式水文模型的參數(shù)

分布式水文模型的參數(shù)是一個(gè)反映流域下墊面和氣象因素空間變化的數(shù)集。目前，分布式水文模型參數(shù)的確定有以下方法：①在單元上采用傳統(tǒng)的概念性模型，不改變?cè)心Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)和參數(shù)，但每一個(gè)單元上水文模型的參數(shù)值隨空間變化，參數(shù)值的大小根據(jù)空間信息圖進(jìn)行分類(lèi)計(jì)算。②重新設(shè)計(jì)單元水文模型的結(jié)構(gòu)與參數(shù)。盡量選擇或者重新構(gòu)造既反映空間變化又具有物理意義、且便于計(jì)算的指標(biāo)作為模型的參數(shù)。③將原有模型的參數(shù)同易于獲取的空間指標(biāo)（主要是通過(guò)RS影像或者DEM提取的空間指標(biāo)）建立起某種對(duì)應(yīng)關(guān)系（一般是統(tǒng)計(jì)關(guān)系），從而得到分布式水文模型的參數(shù)計(jì)算方法。

2.4 模塊化的分布式水文模型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

針對(duì)中小河流的區(qū)域差異性、水文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的難獲取性，如果對(duì)每一個(gè)流域開(kāi)發(fā)一套分布式水文模型，不僅需要大量的人力物力財(cái)力，也是不現(xiàn)實(shí)的。因此，如何解決分布式水文模型的適應(yīng)性和通用性問(wèn)題和海量的模型輸入數(shù)據(jù)的獲取、處理、管理問(wèn)題，模型的擴(kuò)展性問(wèn)題以及為不同專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用和資源管理與決策分析提供支持等問(wèn)題，直接關(guān)系到分布式水文模型能否開(kāi)發(fā)成功、是否具有實(shí)用價(jià)值。

為此，在中小河流洪水預(yù)報(bào)中研制和開(kāi)發(fā)的分布式水文模型不再是單一的水文模型，而應(yīng)該是一個(gè)以數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)、以GIS/RS為技術(shù)支撐、集成資源管理與決策功能、具有專(zhuān)業(yè)擴(kuò)展性和廣泛模擬能力和模塊化結(jié)構(gòu)的分布式水文模擬系統(tǒng)。基于模塊化的分布式水文模型系統(tǒng)集成了大量處理不同水文物理過(guò)程的水文模塊，如蒸發(fā)模型、融雪模型、表層水模型、土壤水模型、地下水模型、河網(wǎng)匯模型等，并由相應(yīng)的模型組建模塊負(fù)責(zé)將其組裝成優(yōu)化的分布式水文模型，從而能夠針對(duì)不同區(qū)域或流域、不同應(yīng)用目標(biāo)。

3 展望

目前，基于分布式水文模型的中小河流洪水預(yù)報(bào)研究在國(guó)內(nèi)還處于起步階段。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，分布式水文模型已經(jīng)顯現(xiàn)出了許多集總式水文模型所不具備的優(yōu)勢(shì)，其生命力也在隨著研究的不斷深入、模型的不斷完善而不斷增強(qiáng)。基于分布式水文模擬技術(shù)，研發(fā)適合于中小河流洪水預(yù)報(bào)的水文模型，開(kāi)發(fā)通用性強(qiáng)的模塊化分布式水文模型系統(tǒng)，是未來(lái)我國(guó)中小河流洪水預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展的方向。

展望我國(guó)中小河流洪水預(yù)報(bào)技術(shù)的研究和應(yīng)用趨勢(shì)，在預(yù)報(bào)手段上，采用規(guī)范的數(shù)據(jù)通信方式和水情信息交換系統(tǒng)，形成氣象預(yù)報(bào)、雷達(dá)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸、地理信息系統(tǒng)、數(shù)字流域模型、洪水預(yù)測(cè)等高新技術(shù)與傳統(tǒng)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)相結(jié)合；在預(yù)報(bào)成果上，由單純預(yù)報(bào)流量及流量相關(guān)指標(biāo)向預(yù)報(bào)水文循環(huán)各個(gè)要素方向發(fā)展；在預(yù)報(bào)模型和方法上，在傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)方法、回歸方法、集總式模型基礎(chǔ)上，逐步發(fā)展分布式水文模型；在洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)上，構(gòu)建一個(gè)水文模擬系統(tǒng)，在系統(tǒng)中囊括不同的具有代表性的水文模擬方式和方法，并開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的組件或模塊，提供更加靈活的模擬能力和更簡(jiǎn)單的建模方式，使中小河流的洪水預(yù)報(bào)工作更容易、更廣泛，從而建立起實(shí)用、先進(jìn)的流域性或區(qū)域性洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。