海河流域水文監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)發(fā)展及能力提升對(duì)策

韓瑞光，楊 邦

（水利部海河水利委員會(huì)水文局，300170，天津）

一、“96·8” 洪水以來(lái)海河流域水文監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)發(fā)展

“96·8”洪水以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年建設(shè)，海河流域水文監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)取得長(zhǎng)足發(fā)展。 流域監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)量不斷增加，部分先進(jìn)監(jiān)測(cè)儀器和技術(shù)得到應(yīng)用；水情報(bào)汛網(wǎng)絡(luò)逐步完善， 手段不斷進(jìn)步，先后經(jīng)歷了人工到自動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)到移動(dòng)，單信道到雙信道的轉(zhuǎn)換，報(bào)汛效率與可靠性逐步提高；水文預(yù)報(bào)站點(diǎn)不斷增加，方案逐步完善，預(yù)報(bào)系統(tǒng)不斷改進(jìn)，預(yù)報(bào)能力不斷提升。 目前，海河流域已經(jīng)建立了涵蓋水文監(jiān)測(cè)、水情報(bào)汛、信息處理、監(jiān)視分析、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、預(yù)警發(fā)布等多個(gè)方面的完善的水文監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)體系。

1.水文監(jiān)測(cè)與報(bào)汛

“96·8”暴雨洪水期間，各級(jí)水文部門為防汛決策提供了大量及時(shí)準(zhǔn)確的水文監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)信息，為科學(xué)調(diào)度洪水、最大程度減少洪水災(zāi)害造成的損失起到了重要作用，但同時(shí)也暴露出一些問(wèn)題。 一是監(jiān)測(cè)站點(diǎn)不足。 以河北省為例，1996 年全省監(jiān)測(cè)站點(diǎn)只有377 處， 站網(wǎng)密度為500 km2/站，遠(yuǎn)低于世界氣象組織 （ 以下簡(jiǎn)稱“WMO”）山區(qū)容許最稀雨量站網(wǎng)密度100～250 km2/站的推薦標(biāo)準(zhǔn)， 導(dǎo)致雨水情信息和預(yù)報(bào)成果精度大打折扣。二是報(bào)汛手段落后。 當(dāng)時(shí)流域內(nèi)絕大多數(shù)報(bào)汛站單一采用有線通信， 在暴雨洪水期間， 報(bào)汛通信線路不同程度遭到破壞， 不能確保雨水情信息的安全暢通。 三是水情信息編譯自動(dòng)化程度低。 當(dāng)時(shí)水情報(bào)文翻譯依靠人工手段，計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)尚未普及，消耗了大量人力，且時(shí)效性難以保障。

1996 年以后，流域監(jiān)測(cè)站點(diǎn)逐漸增加。 2019 年底，海河流域共有各類水文測(cè)站15 672 處，包括國(guó)家基本水文站317 處、專用水文站299 處、輔助站13 處、基本水位站24 處、專用水位站1 113 處、雨量站5 545 處、蒸發(fā)站7 處、墑情站350 處、實(shí)驗(yàn)站3 處、水質(zhì)站885 處、 地下水監(jiān)測(cè)站7 068處、水生態(tài)監(jiān)測(cè)站48 處。海河流域國(guó)家基本水文站平均密度為1 011 km2/站，接近WMO 山區(qū)容許最稀站網(wǎng)密度300～1 000 km2/站的推薦標(biāo)準(zhǔn)的上限。海河流域雨量站平均密度為58 km2/站，高于WMO 推薦標(biāo)準(zhǔn)。

流域水情報(bào)汛工作逐步發(fā)展，先后建立了水雨情信息電話數(shù)傳報(bào)汛系統(tǒng)、廣域網(wǎng)報(bào)汛系統(tǒng)和集信息接收處理為一體的雨水情信息傳輸服務(wù)系統(tǒng)。 目前，流域雨量站基本全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)報(bào)。 通過(guò)水利部建設(shè)的水情信息交換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了海委與水利部及流域內(nèi)8 個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）報(bào)汛數(shù)據(jù)及特征值數(shù)據(jù)等的實(shí)時(shí)共享。 2019 年底，海委共計(jì)接收全流域5 473 個(gè)報(bào)汛站資料， 站點(diǎn)數(shù)量約為“96·8”洪水時(shí)的7 倍。

海河流域地形復(fù)雜， 天氣多變，降水時(shí)空分布集中， 暴雨災(zāi)害頻發(fā)，強(qiáng)降水易使現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段失靈。 為彌補(bǔ)雨量數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題，提高面雨量監(jiān)測(cè)能力， 建立了雷達(dá)反演降水方法，為洪水預(yù)報(bào)分析提供重要降水輸入數(shù)據(jù)支撐。 新一代天氣雷達(dá)作為探測(cè)降水系統(tǒng)的主要工具，具有較高的時(shí)空分辨率，并可全天時(shí)連續(xù)工作。 目前建成由全流域21 部雷達(dá)組成的高分辨率雷達(dá)探測(cè)網(wǎng)，可全面監(jiān)測(cè)流域大氣中的水含量， 定量估測(cè)可降水量，對(duì)流域面雨量的監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)具有重要參考價(jià)值。 特別是在極端天氣等非常規(guī)情況下，流域內(nèi)雨量站出現(xiàn)損毀、信號(hào)中斷時(shí)，或者暴雨中心未布設(shè)雨量站，導(dǎo)致重要雨量信息缺失時(shí)，可通過(guò)雷達(dá)反演降水方法進(jìn)行彌補(bǔ)。

2.水文預(yù)報(bào)

1996 年水文預(yù)報(bào)主要依靠1992年編制的 《海河流域水文預(yù)報(bào)方案》進(jìn)行。 該方案包括流域大型水庫(kù)、主要河道、蓄滯洪區(qū)的洪水預(yù)報(bào)方案共69 套， 主要采用河道洪水經(jīng)驗(yàn)相關(guān)、河道匯流演算、暴雨徑流相關(guān)、經(jīng)驗(yàn)單位線、變動(dòng)等時(shí)線等方法。 “96·8”洪水作業(yè)預(yù)報(bào)采用人工查圖計(jì)算，工作量大、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、時(shí)效性較差，導(dǎo)致洪水預(yù)報(bào)的有效預(yù)見(jiàn)期短。

1996 年以后，海委加強(qiáng)了流域水文預(yù)報(bào)方案修訂工作，2003 年利用國(guó)家防指一期工程建設(shè)了洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并編制了3 座直屬大型水庫(kù)的預(yù)報(bào)方案和流域內(nèi)相關(guān)省份10 個(gè)重要斷面的預(yù)報(bào)方案集成。2007 年全面組織開(kāi)展了海河流域洪水預(yù)報(bào)方案修訂工作，編制了《海河流域?qū)嵱妙A(yù)報(bào)方案》，修訂了78 套重要斷面洪水預(yù)報(bào)方案。2014 年利用國(guó)家防指二期工程修訂及新建了38 套斷面預(yù)報(bào)方案及9 個(gè)蓄滯洪區(qū)洪水預(yù)報(bào)方案。 2019年組織修訂了3 座直屬大型水庫(kù)及近年發(fā)生洪水的河系中7 個(gè)重要斷面的洪水預(yù)報(bào)方案， 開(kāi)展了大清河系上游山區(qū)重要斷面洪水預(yù)報(bào)方案分析工作。目前，海河流域各?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市） 共有預(yù)報(bào)斷面294 個(gè)， 編制方案372 套，涵蓋流域所有大型水庫(kù)、部分中型水庫(kù)和重要河道控制斷面。

近年，針對(duì)海河流域洪水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)問(wèn)題突出的現(xiàn)狀，探究下墊面劇烈變化條件下的流域洪水特性，圍繞洪水預(yù)見(jiàn)期短、 預(yù)報(bào)精度不高問(wèn)題，以實(shí)用為出發(fā)點(diǎn)， 綜合運(yùn)用流域水文學(xué)、水文氣象學(xué)、洪水風(fēng)險(xiǎn)分析等理論，采用理論分析、統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)、規(guī)律總結(jié)、“以測(cè)補(bǔ)報(bào)”、 調(diào)度仿真和系統(tǒng)集成相結(jié)合的多種手段進(jìn)行多學(xué)科的綜合應(yīng)用，構(gòu)建了氣象學(xué)、水文學(xué)、水力學(xué)有機(jī)融合，預(yù)報(bào)與工程調(diào)度一體集成的預(yù)報(bào)調(diào)度一體化系統(tǒng)，提高了精細(xì)、精準(zhǔn)預(yù)報(bào)調(diào)度決策水平，主要體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面。

（1）延長(zhǎng)洪水預(yù)見(jiàn)期及提高降水監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)精度方面

①基于ADAS 同化技術(shù)，提高了中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的精度，實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)未來(lái)72 h 流域高時(shí)空分辨率（5 km×5 km，1 h）降水預(yù)測(cè)，并應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)， 預(yù)報(bào)精度接近于實(shí)測(cè)降水精度。 ②利用多部多普勒雷達(dá)組合探測(cè)數(shù)據(jù)， 提升了降水面雨量時(shí)空監(jiān)測(cè)能力， 尤其是提高面雨量時(shí)空分辨率精度， 在雨量站缺失情況下提供有效面雨量輸入數(shù)據(jù)； 實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)流域高時(shí)空分辨率（5 km×5 km，6 min）降水反演。 ③應(yīng)用短臨降水預(yù)報(bào)技術(shù)提高預(yù)報(bào)精度、 延長(zhǎng)洪水預(yù)見(jiàn)期，2019 年實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)5 km×5 km，1 h 時(shí)空分辨率降水預(yù)報(bào)與洪水預(yù)報(bào)的結(jié)合，提高了潘家口水庫(kù)局地洪水洪峰預(yù)報(bào)精度30%。

（2）預(yù)報(bào)模型與產(chǎn)匯流規(guī)律相適應(yīng)方面

①構(gòu)建了分布式河北雨洪模型，通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)河北雨洪模型的產(chǎn)流公式，考慮蓄滿和超滲混合產(chǎn)流特性，提高了產(chǎn)流模擬精度， 并利用分布式單位線實(shí)現(xiàn)河北雨洪模型的分布式化，進(jìn)一步提高流域半濕潤(rùn)半干旱區(qū)域復(fù)雜產(chǎn)流條件下的洪水預(yù)報(bào)精度。 ②基于柵格新安江模型構(gòu)建流域上游區(qū)域分布式水文模型預(yù)報(bào)方案， 提高降水空間變異條件下的模擬精度。 ③通過(guò)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)三參數(shù)GR 模型分布式化。該模型參數(shù)較少， 有利于開(kāi)展無(wú)資料地區(qū)建模。 ④基于河道高精度測(cè)量數(shù)據(jù)， 構(gòu)建考慮動(dòng)態(tài)下滲及水利工程運(yùn)用的一、二維水動(dòng)力耦合模型，提高復(fù)雜匯流條件下的河道洪水預(yù)報(bào)精度。

（3）應(yīng)對(duì)變化劇烈的下墊面及預(yù)報(bào)不確定性因素方面

開(kāi)展流域下墊面查勘和歷史洪水分析， 為方案實(shí)時(shí)修正提供支撐。利用“以測(cè)補(bǔ)報(bào)”技術(shù)，構(gòu)建考慮下滲的河道洪水演進(jìn)模型，利用時(shí)變參數(shù)方法，根據(jù)上游監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)洪水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)下游預(yù)報(bào)斷面的洪水進(jìn)行滾動(dòng)修正預(yù)報(bào)， 提高河道洪水預(yù)報(bào)精度?！耙詼y(cè)補(bǔ)報(bào)”技術(shù)在漳河、滹沱河的應(yīng)用使洪水預(yù)報(bào)平均精度 （確定系數(shù)）提高約13%，適用于北方地區(qū)下滲影響嚴(yán)重的河道洪水模擬。 采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)校正技術(shù)，提高了流域及河道洪水預(yù)報(bào)精度， 在參與統(tǒng)計(jì)的141 個(gè)中小河流站點(diǎn)中， 有130 個(gè)站點(diǎn)平均精度在預(yù)報(bào)期內(nèi)顯著提高。

（4）預(yù)報(bào)與調(diào)度決策一體化方面

基于“二元三層”結(jié)構(gòu)體系，構(gòu)建氣象、水文、水力學(xué)、水工程調(diào)度的松散耦合型Web 洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)平臺(tái)。 基于水文、水力學(xué)精細(xì)化預(yù)報(bào)調(diào)度模型和粒子群算法的水工程聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)水文預(yù)報(bào)、調(diào)度信息源與技術(shù)流全覆蓋，實(shí)現(xiàn)人機(jī)預(yù)報(bào)調(diào)度實(shí)時(shí)決策功能，為流域洪水防御決策提供技術(shù)支撐。

二、當(dāng)前流域水文監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)發(fā)展瓶頸與短板

近年，海河流域在水文監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)方面加大投入，監(jiān)測(cè)站網(wǎng)體系不斷完善，洪水預(yù)報(bào)技術(shù)不斷提高，但在大洪水及極端降雨情況下，監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)精度及預(yù)見(jiàn)期長(zhǎng)度等方面仍有不足。 主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1.大洪水時(shí)監(jiān)測(cè)能力不足

部分國(guó)家基本水文站水文測(cè)報(bào)基礎(chǔ)設(shè)施仍存在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、設(shè)備設(shè)施老化、 防洪測(cè)洪能力不足等問(wèn)題。目前水文站纜道測(cè)流一般只能監(jiān)測(cè)20 年一遇洪水， 發(fā)生超20 年一遇洪水時(shí)， 多數(shù)水文站纜道不能使用，大部分采用橋測(cè)方式 （有橋梁條件時(shí)）或浮標(biāo)法測(cè)流。 當(dāng)發(fā)生超50 年一遇洪水時(shí)， 只能靠橋測(cè)或浮標(biāo)法測(cè)流，但精度不高。 由于流域現(xiàn)有水文站均以人工測(cè)流為主，尚未實(shí)現(xiàn)在線流量監(jiān)測(cè)， 存在大洪水時(shí)測(cè)驗(yàn)頻次低、監(jiān)測(cè)強(qiáng)度大等困難。

2.洪水突發(fā)性強(qiáng)，預(yù)見(jiàn)期短

流域源短流急，山區(qū)部分預(yù)報(bào)站預(yù)見(jiàn)期短；洪水陡漲陡落，洪水預(yù)見(jiàn)期較短。如永定河官?gòu)d山峽區(qū)間產(chǎn)匯流時(shí)間極短，只有3～4h。 中小型水庫(kù)控制流域面積小、匯流時(shí)間短，預(yù)見(jiàn)期也非常短。

3.歷史洪水少，參數(shù)率定難

1949 年以來(lái)，海河流域在1956年、1963 年、1996 年、2016 年發(fā)生了影響范圍較廣的大洪水， 場(chǎng)次洪水資料少，資料一致性、代表性差，不足以以此掌握流域暴雨洪水規(guī)律，難以有效率定水文模型參數(shù)及修訂洪水預(yù)報(bào)方案。

4.洪水預(yù)報(bào)方案適配性不足

隨著人類活動(dòng)影響加劇，流域內(nèi)下墊面變化劇烈，流域原有的產(chǎn)匯流規(guī)律改變，導(dǎo)致原有洪水預(yù)報(bào)方案適用性較差。 平原河道多河網(wǎng)化，下滲較為嚴(yán)重，中下游洪水精細(xì)化演進(jìn)預(yù)報(bào)精度不高。

5.局地強(qiáng)降水預(yù)報(bào)精度低

流域內(nèi)降水空間變異性大，局地強(qiáng)降水造成的突發(fā)性洪水預(yù)報(bào)難度較大。 如“16·7”觀臺(tái)洪水及“18·7”張家墳洪水， 降水集中在出口斷面，洪水突發(fā)，陡漲陡落，原有集總式預(yù)報(bào)方案預(yù)報(bào)精度較低。

三、對(duì)策與措施

1.全力提升洪水在線監(jiān)測(cè)能力

為有效應(yīng)對(duì)大洪水時(shí)監(jiān)測(cè)能力不足的問(wèn)題，基于高洪測(cè)流雷達(dá)等技術(shù)手段，在重要水文站點(diǎn)建設(shè)大洪水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 結(jié)合斷面水文特性，通過(guò)對(duì)斷面流速、水位數(shù)據(jù)的采集及流量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷面流量的在線監(jiān)測(cè)，可以有效提高大洪水時(shí)的監(jiān)測(cè)密度與精度， 減少人工測(cè)驗(yàn)安全隱患，提高大洪水實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)能力。

2.加強(qiáng)流域產(chǎn)匯流機(jī)理研究

加強(qiáng)基礎(chǔ)研究工作，通過(guò)流域產(chǎn)匯流機(jī)理性研究及構(gòu)建模型方法，從根本上提升水文預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)能力。 通過(guò)進(jìn)行不同暴雨級(jí)別、不同下墊面條件下的流域產(chǎn)匯流實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展變化條件下尤其是半干旱區(qū)的流域產(chǎn)匯流機(jī)理研究，分析流域“四水”轉(zhuǎn)化機(jī)理，探索流域典型產(chǎn)匯流區(qū)產(chǎn)匯流本構(gòu)關(guān)系，構(gòu)建適合流域產(chǎn)匯流特性的模型方法。

3.全面推進(jìn)精細(xì)化模型及預(yù)報(bào)調(diào)度一體化建設(shè)

在前期試點(diǎn)建設(shè)的基礎(chǔ)上，全面推進(jìn)流域精細(xì)化預(yù)報(bào)模型建設(shè)。 一方面構(gòu)建全流域上游區(qū)域分布式水文模型預(yù)報(bào)方案，另一方面構(gòu)建中下游重要河段水力學(xué)演進(jìn)模型，實(shí)現(xiàn)空天地一體、上下游銜接、預(yù)報(bào)調(diào)度一體的流域精細(xì)化預(yù)報(bào)與調(diào)度。

4.大力推廣水文氣象結(jié)合應(yīng)用

在流域?qū)用娲罅ν茝V短臨預(yù)報(bào)降水、雷達(dá)降水反演等多元?dú)庀蠼邓畔⑴c水文預(yù)報(bào)的結(jié)合應(yīng)用，彌補(bǔ)區(qū)域極端天氣降水監(jiān)測(cè)不足，延長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期，提高預(yù)見(jiàn)期降水預(yù)測(cè)精度，進(jìn)一步提高預(yù)見(jiàn)期洪水預(yù)報(bào)精度。

5.深入開(kāi)展“以測(cè)補(bǔ)報(bào)”

“以測(cè)補(bǔ)報(bào)” 技術(shù)是具有海河流域特色的河道匯流演算技術(shù)，可有效解決下墊面劇烈變化條件下的河道演算問(wèn)題。 進(jìn)一步推進(jìn)“以測(cè)補(bǔ)報(bào)”，構(gòu)建流域重要河流水文視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 對(duì)重點(diǎn)應(yīng)急監(jiān)測(cè)斷面的水位、流量等洪水要素進(jìn)行全方位視頻監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)修正河道洪水滾動(dòng)演進(jìn)預(yù)報(bào)，提高中下游河道洪水預(yù)報(bào)精度。

6.推動(dòng)水文智能感知與智慧分析應(yīng)用

推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算等新技術(shù)在流域水文監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用。 在可視化技術(shù)的支持下實(shí)現(xiàn)水文智能感知與智慧分析，有效提高洪水監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)精度。 ■