洪水災(zāi)害預(yù)報(bào)系統(tǒng)理論淺析

【摘要】洪水災(zāi)害每年會(huì)給人類帶來(lái)無(wú)可估量的生命財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重影響到社會(huì)及國(guó)家的穩(wěn)定發(fā)展，因此防洪減災(zāi)是實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要保證。而在近階段的防洪減災(zāi)措施中，越來(lái)越受到重視的洪災(zāi)預(yù)報(bào)系統(tǒng)擔(dān)當(dāng)起防范洪災(zāi)的首要屏障。作者認(rèn)為隨著未來(lái)洪災(zāi)預(yù)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)及理論的日趨成熟，在防洪減災(zāi)措施中的預(yù)報(bào)系統(tǒng)將發(fā)揮更大的實(shí)際作用。

【關(guān)鍵詞】洪水災(zāi)害 預(yù)警 問題分析

我國(guó)幅員遼闊，河流水系眾多，由于受季風(fēng)氣候與自然地理?xiàng)l件影響，我國(guó)降水的時(shí)空分布極不均勻，洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。每年因洪水災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)百億元，尤其進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，洪災(zāi)損失正日趨嚴(yán)重，僅1998年大水的直接經(jīng)濟(jì)損失就高達(dá)2466億元之巨。洪澇災(zāi)害已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一。

一、 預(yù)警在防洪減災(zāi)中的重要性

洪水預(yù)報(bào)預(yù)警是預(yù)測(cè)江河未來(lái)洪水要素及其特征值的一門應(yīng)用技術(shù)科學(xué)，是根據(jù)洪水形成和運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，利用過去和實(shí)時(shí)的水文氣象資料，對(duì)未來(lái)一定時(shí)段內(nèi)的洪水發(fā)展情況進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)分析，是防洪抗災(zāi)決策的重要依據(jù)，是一項(xiàng)重要的防洪非工程措施。根據(jù)洪水預(yù)報(bào)，可以事先對(duì)防洪工程（水庫(kù)、閘壩）進(jìn)行合理調(diào)度，及時(shí)攔洪、泄洪、削減洪峰、與下游區(qū)間洪水錯(cuò)峰，有效控制洪水。根據(jù)洪水預(yù)報(bào)，可以有計(jì)劃地運(yùn)用分蓄洪區(qū)攔蓄超額洪水，犧牲局部、保護(hù)全局，減少洪災(zāi)損失。根據(jù)洪水預(yù)報(bào)，可以事先組織群眾進(jìn)行防洪搶險(xiǎn)，加高加固堤防，組織分洪區(qū)群眾轉(zhuǎn)移，保障人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。

作為防汛斗爭(zhēng)的“偵查員”，及時(shí)準(zhǔn)確的洪水預(yù)報(bào)，為正確作出防汛決策提供科學(xué)依據(jù)，在歷次抗洪斗爭(zhēng)中取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。近年來(lái)，為適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展新形勢(shì)，為全面建設(shè)小康社會(huì)提供支撐，保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，我國(guó)防汛抗旱工作提出了堅(jiān)持防汛與抗旱并舉，實(shí)現(xiàn)由控制洪水向洪水管理轉(zhuǎn)變，由單一抗旱向全面抗旱轉(zhuǎn)變的新思路。

二、 目前洪水預(yù)報(bào)技術(shù)的缺陷分析

雖然洪水預(yù)報(bào)在防洪減災(zāi)中發(fā)揮了重要作用，但距離防洪減災(zāi)的高要求仍有差距，主要表現(xiàn)在預(yù)見期較短、部分項(xiàng)目精度不高、預(yù)報(bào)范圍較少等方面。

2.1洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期較短。較長(zhǎng)的洪水預(yù)見期是做好防洪調(diào)度決策、生命財(cái)產(chǎn)安全轉(zhuǎn)移的前提。目前，我國(guó)大部分洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期小于2天，有的甚至只有幾個(gè)小時(shí)，致使防洪調(diào)度決策倉(cāng)促，生命財(cái)產(chǎn)轉(zhuǎn)移不及時(shí)。

2.2有些預(yù)報(bào)項(xiàng)目精度有待提高。預(yù)報(bào)精度是做好防洪調(diào)度決策的另一重要因素，而尤以水位預(yù)報(bào)精度最為重要。特別是防洪重點(diǎn)地區(qū)的大江大河中下游水位預(yù)報(bào)精度，表現(xiàn)在流量精度較高，而通過水位流量轉(zhuǎn)換后的水位預(yù)報(bào)卻滿足不了要求。

2.3 預(yù)報(bào)范圍滿足不了防汛抗旱的要求。目前，開展的預(yù)報(bào)范圍較少，一般只注重大江大河、重要防洪地區(qū)的洪水預(yù)報(bào)，而隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，防汛抗旱工作的拓展，大江大河的支流、非重點(diǎn)防洪地區(qū)的防洪任務(wù)日益繁重，迫切需要開展洪水預(yù)報(bào)工作。

三、 洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)在洪水預(yù)報(bào)各環(huán)節(jié)中廣泛應(yīng)用，將各種計(jì)算機(jī)軟件有機(jī)集成，從而使水情信息處理和預(yù)報(bào)作業(yè)更加方便和快捷。由于洪水預(yù)報(bào)涉及信息的采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)、分析計(jì)算等諸多環(huán)節(jié)，洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)是這些諸多環(huán)節(jié)的有機(jī)整體，因此，先進(jìn)、實(shí)用的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)是做好水文情報(bào)預(yù)報(bào)工作的重要手段。

3.1洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展階段

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段是聯(lián)機(jī)預(yù)報(bào)作業(yè)階段，其主要特點(diǎn)是集水情信息采集、傳輸、處理和洪水預(yù)報(bào)計(jì)算為一體，以便快速完成洪水預(yù)報(bào)作業(yè)；第二階段是實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)校正階段，在洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)中引入現(xiàn)代控制理論，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息和預(yù)報(bào)結(jié)果的實(shí)時(shí)校正；第三階段是交互式洪水預(yù)報(bào)階段，利用圖形交互處理技術(shù)對(duì)洪水預(yù)報(bào)中間環(huán)節(jié)進(jìn)行人工干預(yù)，充分利用專家、預(yù)報(bào)員的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，以有效地提高洪水預(yù)報(bào)水平。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家大多均已進(jìn)入第三階段，技術(shù)日臻成熟，而我國(guó)的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)大多停留在第一階段，并且低水平的重復(fù)開發(fā)現(xiàn)象比較嚴(yán)重，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在較大的差距。

3.2 洪水預(yù)報(bào)關(guān)鍵技術(shù)

為建立全國(guó)通用的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，必須解決以下幾方面的關(guān)鍵技術(shù)。

1.預(yù)報(bào)模型庫(kù)的建立

預(yù)報(bào)模型是預(yù)報(bào)系統(tǒng)的核心，預(yù)報(bào)系統(tǒng)各模塊均是圍繞預(yù)報(bào)模型而開發(fā)，通用的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)必具有通用的預(yù)報(bào)模型庫(kù)。

2.預(yù)報(bào)方案的構(gòu)建

洪水預(yù)報(bào)方案是預(yù)報(bào)模型、預(yù)報(bào)對(duì)象有關(guān)的河段、流域和洪水等特性及根據(jù)站點(diǎn)的有機(jī)整體。由于預(yù)報(bào)對(duì)象所處的河段、流域和洪水千差萬(wàn)別，根據(jù)站點(diǎn)類別、信息種類不同，造成預(yù)報(bào)方案因預(yù)報(bào)對(duì)象不同而不同，因此提出一通用的構(gòu)建技術(shù)構(gòu)建不同的預(yù)報(bào)方案是問題的關(guān)鍵。

3.通用的模型參數(shù)率定

參數(shù)率定好壞直接影響到預(yù)報(bào)方案的精度。模型參數(shù)率定工作要求的專業(yè)性很強(qiáng)，需要具有深厚的相關(guān)理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這給廣大水文工作者在生產(chǎn)實(shí)際工作中提出了很高要求，也帶來(lái)了巨大困難。解決的關(guān)鍵在于開發(fā)出人工試錯(cuò)和自動(dòng)優(yōu)選相耦合，多模型、多參數(shù)自動(dòng)優(yōu)選，友好的率定平臺(tái)，使廣大的水文工作者能簡(jiǎn)便、快捷、高效地完成模型參數(shù)率定工作。

4.實(shí)時(shí)交互式預(yù)報(bào)

預(yù)報(bào)員的豐富經(jīng)驗(yàn)及綜合分析是提高預(yù)報(bào)精度的保證。實(shí)時(shí)交互式預(yù)報(bào)就是把過去只能由預(yù)報(bào)員人工進(jìn)行的洪水預(yù)報(bào)結(jié)果的綜合分析功能納入到洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，依據(jù)有經(jīng)驗(yàn)的預(yù)報(bào)員的分析、確定預(yù)報(bào)的思路來(lái)建立對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行交互分析的基本模式。其關(guān)鍵問題在于能否把預(yù)報(bào)員的各種綜合分析手段以計(jì)算機(jī)人機(jī)交互界面的方式表現(xiàn)，使預(yù)報(bào)員方便地進(jìn)行交互分析。

3.3 預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的暫存問題

從總體上來(lái)說，我國(guó)的洪水預(yù)報(bào)已達(dá)到了較高的水平，但存在的問題也是很明顯的。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）沒有建立全國(guó)通用的預(yù)報(bào)模型庫(kù)，導(dǎo)致全國(guó)多重開發(fā)預(yù)報(bào)模型，無(wú)法保證預(yù)報(bào)模型的正確性。

（2）沒有一套全國(guó)通用的預(yù)報(bào)系統(tǒng)。各單位研制開發(fā)的洪水預(yù)報(bào)軟件系統(tǒng)功能不夠全面，基本上是各自為政，都是為各自所關(guān)心的問題而開發(fā)的。

（3）預(yù)報(bào)調(diào)度常常脫節(jié)，難于發(fā)揮整體功能。

（4）軟硬件開發(fā)平臺(tái)不統(tǒng)一。

這些問題使得現(xiàn)有的預(yù)報(bào)方法、模型和軟件系統(tǒng)推廣使用難、相互交流難，預(yù)報(bào)成果對(duì)比分析難、正確評(píng)估難，進(jìn)而阻礙了洪水預(yù)報(bào)的進(jìn)一步發(fā)展與提高。

3.4 新型洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展方向

全球沒有水系結(jié)構(gòu)完全相同的流域，洪水預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型也只有通用的結(jié)構(gòu)而沒有共同的參數(shù)，加上各種原因，洪水預(yù)報(bào)依據(jù)的數(shù)據(jù)采集方法和傳輸途徑，處理存放方式也各不相同，故洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的使用都是具有專用性質(zhì)的。通用型洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)是在系統(tǒng)研制、運(yùn)行發(fā)展到一定階段后提出來(lái)的。目的是總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，將洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)研制中分散、重復(fù)勞動(dòng)提升為產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)。而更加專業(yè)化的設(shè)計(jì)和研制，有利于提高軟件技術(shù)水平。從我國(guó)洪水預(yù)報(bào)行業(yè)的現(xiàn)狀看，通用預(yù)報(bào)系統(tǒng)的研制尚處在醞釀、起步階段，系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境逐步統(tǒng)一，預(yù)報(bào)方法和數(shù)學(xué)模型的使用逐步規(guī)范還有許多基礎(chǔ)性的研究工作需要開展。同時(shí)，通用化導(dǎo)致軟件復(fù)雜化，對(duì)運(yùn)用維護(hù)人員的技術(shù)素質(zhì)提出了更高要求，也需有一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。