黃河龍門水文站實用水文預報方案改進及應用

史玉品 范國慶 狄艷艷 張防修

摘 要：依據(jù)最新河道條件及延長后的洪水資料序列對龍門水文站3個實用水文預報方案進行重新定線，使圖表方案動態(tài)化，將傳統(tǒng)的預報技術轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢赃M行自動作業(yè)預報的預報系統(tǒng)。結合吳堡—龍門區(qū)間1981—2018年23場典型洪水對比預報方案修訂前后的模擬精度，并與黃河洪水預報系統(tǒng)中馬斯京根演算法模擬結果進行比較。結果表明：修訂后的預報方案對洪峰流量的模擬精度較修訂前有明顯改善，馬斯京根演算法模擬結果精度稍高于實用水文預報方案，但實用水文預報方案對以吳堡來水為主的洪水模擬精度較高，而龍門水文站較大洪水主要來自吳堡以上。建議作業(yè)預報時幾種預報方案聯(lián)合運用，進一步提高龍門站洪水預報精度。

關鍵詞：漲峰系數(shù);峰前漲率;實用水文預報方案;龍門水文站;吳堡水文站;黃河

中圖分類號：P338;TV882.1文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.008 引用格式：史玉品，范國慶，狄艷艷，等.黃河龍門水文站實用水文預報方案改進及應用[J].人民黃河，2021，43（1）：40-44，60.

Improvement and Application of Practical Hydrologic Forecasting

Schemes at Longmen Station of the Yellow River

SHI Yupin1， FAN Guoqing1， DI Yanyan1， ZHANG Fangxiu2

（1.Hydrological Bureau， YRCC， Zhengzhou 450004， China;

2.Yellow River Institute of Hydraulic Research， YRCC， Zhengzhou 450003， China）

Abstract：According to the latest river channel conditions and the extended flood data， the three practical flood forecasting schemes of Longmen Hydrologic Station were recalibrated. The chart schemes were made dynamic and the traditional forecast technology was transformed into a forecasting system which could make automatic operation forecast. The simulated accuracy of the schemes before and after the improvement was combined with 23 typical measured flood data from 1981 to 2018 in Wubao-Longmen reach. The forecasting results were compared with Muskingum routing method in the flood forecasting system. The results show that the simulation accuracy of revised schemes for flood peak is obviously improved compared with traditional schemes and a little less than the Muskingum routing method， but the highest accuracy of the practical flood forecasting schemes is present for the floods which is mainly from Wubao Station. The larger flood at the Longmen Station mainly comes from the river reach above Wubao Station. It is suggested that several forecasting schemes should be combined to improve the accuracy of flood forecasting in Longmen Station.

Key words： flood peak rising coefficient; pre-peak rising ration; practical hydrologic forecasting schemes; Longmen Station;Wubao Station; Yellow River

1 引 言

水文預報是在充分掌握客觀水文規(guī)律的基礎上預報未來水文現(xiàn)象的一門應用科學，是防洪減災的非工程措施之一[1]。早期的水文預報主要是以經(jīng)驗性預報方法為基礎的實用水文預報，隨著計算機、地理信息系統(tǒng)和遙感等現(xiàn)代科學技術的快速發(fā)展及人們對水文過程認識的不斷深入，國內(nèi)外學者針對具體流域、不同水文過程和研究目標，構建了豐富多樣的水文模型[2-3]。但在實際應用中，受模型適用范圍的局限性、各種水文不確定性及工作人員的操作方式等各方面的影響，一些水文模型的實際應用結果并不令人滿意[4-5]。實用水文預報方案是水文預報人員根據(jù)多年工作經(jīng)驗總結的預報方法，它既有一定的理論依據(jù)，又有大量的實測資料為基礎，能充分結合河段的特征，具有較高的預報精度。這些方案以圖表形式匯編，計算簡單，操作方便，并能隨時根據(jù)實際發(fā)生的情況進行修訂[6]。

黃河流域?qū)嵱盟念A報方案已經(jīng)在黃河流域防洪、防凌和有關生產(chǎn)建設中發(fā)揮了重要作用。龍門水文站預報方案經(jīng)過多年作業(yè)預報考驗和多次完善、修正，在實際洪水預報中仍有很大參考價值。但是圖表形式的預報方案一般由人工定線，效率低，在洪水作業(yè)預報中的應用逐漸減少。為了讓這些成熟的預報方案繼續(xù)在洪水預報中發(fā)揮作用，需要利用最新的河道條件和洪水資料對方案進行修訂和完善，并讓靜態(tài)的圖表方案動態(tài)化，將傳統(tǒng)預報技術轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢赃M行自動作業(yè)預報的預報系統(tǒng)。

2 研究區(qū)域概況及資料來源

2.1 研究區(qū)域概況

龍門水文站是黃河中游干流河道控制站，其上游275 km處為吳堡水文站，下游136.5 km處為潼關水文站。吳（吳堡）龍（龍門）區(qū)間集水面積64 038 km2，兩岸支流眾多，水系發(fā)達，主要的一級支流及入黃控制站如下：三川河（后大成）、屈產(chǎn)河（裴溝）、無定河（白家川）、清澗河（延川）、昕水河（大寧）、延河（甘谷驛）、汾川河（新市河）、仕望川（大村）、州川河（吉縣），見圖1。各入黃控制站集水面積之和為52 377 km2;無控制站的集水面積為11 661 km2，為吳龍區(qū)間未控區(qū)，占總面積的18.2%。

2.2 資料來源

黃河流域?qū)嵱盟念A報方案于1986年開始編制，1989年編制完成。編制方案采用的均為1984年以前的洪水資料。20世紀90年代以后，受流域內(nèi)氣候環(huán)境變化及人類活動的影響，年降水量較之前普遍偏小，降雨徑流也隨著下墊面情況及河道條件的改變而發(fā)生變化。為使預報方案中的相關關系更契合當前的河道條件及洪水特征，需用最新的資料對方案進行修訂。整理黃河水情數(shù)據(jù)庫中研究區(qū)域的洪水資料，對預報方案所需的1985—2018年洪水資料進行補充。

3 預報方案的建立與修訂

黃河流域?qū)嵱盟念A報方案中采用不同方法編制了3套龍門站洪水預報方案，預報項目為龍門站的洪峰流量和峰現(xiàn)時間。方案一與方案二是依據(jù)上下游站洪峰流量相關法預報龍門站洪峰，方案三是利用洪峰流量與傳播時間相關關系計算龍門站峰現(xiàn)時間。

3.1 方案的修訂

區(qū)間來水量是龍門站實用水文預報方案中的一個重要參數(shù)，但原方案中區(qū)間來水量的計算只是把與吳堡站洪峰相應的支流流量簡單疊加，未考慮區(qū)間支流洪水在干流河道演進中的變化。龍門站較大洪水主要來自吳堡以上，吳龍區(qū)間支流發(fā)生暴雨洪水的頻次較少，對龍門站洪峰的影響較小，但也存在區(qū)間加水較多甚至以區(qū)間來水為主的情況，如果不考慮區(qū)間支流洪水演進中的坦化，對龍門站洪峰流量的預報會產(chǎn)生較大影響。為此，根據(jù)吳龍區(qū)間支流洪水特點，引入支流洪水的演進參數(shù)，重新計算區(qū)間來水流量。利用延長后的洪水資料序列及重新計算的參數(shù)對預報方案進行修訂和完善，使其適應當前流域下墊面、河道條件和洪水特征。

3.2 方案一

該方案采用上下游洪峰流量相關法建立。根據(jù)上游吳堡站和下游龍門站洪峰流量，以吳堡站的漲峰系數(shù)η和區(qū)間來水流量（區(qū)間來水流量是指與吳堡站洪峰相應的支流合成流量）為參數(shù)繪出相關關系線，制作相關關系圖（見圖2），預報龍門站洪峰流量：

Q龍=f（Q吳，∑ni=1Qi，η）（1）

式中：Q龍為龍門站洪峰流量;Q吳為吳堡站洪峰流量;∑ni=1Qi為區(qū)間支流站后大成、白家川、延川、大寧、甘谷驛等的合成流量。

吳堡站的漲峰系數(shù)η的計算公式為

η=Q吳/Q3（2）

式中：Q3為吳堡站峰前3 h流量，m3/s。

3.3 方案二

方案二也是采用上下游洪峰流量相關法建立的。根據(jù)上游吳堡站與下游龍門站洪峰流量，以吳堡站的峰前漲率ΔQΔt和區(qū)間來水流量為參數(shù)，建立吳堡—龍門站洪峰流量相關關系線（見圖3），預報龍門站洪峰流量：

Q龍=f（Q吳，∑ni=1Qi，ΔQΔt）（3）

吳堡站的峰前漲率ΔQ/Δt為

ΔQΔt=（Q吳-Q0）/Δt（4）

式中：Q0為吳堡站的起漲流量，m3/s;Δt為起漲時刻與峰頂時刻之間的時差，h。

3.4 方案三

方案三根據(jù)吳堡及各支流河口與龍門站之間的距離和洪水傳播時間，以吳堡站洪峰流量與區(qū)間來水的合成流量為參數(shù)繪制相關線（見圖4），預報龍門站峰現(xiàn)時間：

T=f（Q吳+∑ni=1qi，L）（5）

式中：Τ為吳堡至龍門的傳播時間;L為吳堡及各支流入黃口距龍門的距離;qi為區(qū)間支流流量。

該方案的基本原理是在洪峰從吳堡向龍門演進過程中依次加上區(qū)間各支流的入黃流量，隨著洪峰流量的增大，流速也逐漸變大，傳播時間相應縮短。計算過程是先計算洪峰演進到每個支流入黃口的時間及合成流量，最后計算龍門站洪峰流量和峰現(xiàn)時間，見圖5。由于方案三沒有考慮吳堡以上洪水演進過程中的坦化及削減，模擬的洪峰流量一般偏大，精度較低，達不到洪水預報的要求。與前兩個方案不同的是該方案對洪水來源的要求不高，無論是上游來水為主還是區(qū)間來水為主，對模擬精度的影響沒有明顯差別。

3.5 結果對比與分析

3.5.1 洪水預報精度評定

預報方案精度評定依據(jù)《水文情報預報規(guī)范》（GB/T 22482—2008）[7]進行，該規(guī)范對洪水預報的許可誤差和預報精度評定作如下規(guī)定。

（1）許可誤差。①洪峰流量許可誤差：降雨徑流預報以實測洪峰流量的20%為許可誤差，河道流量預報以實測洪峰流量的10%為許可誤差。②峰現(xiàn)時間預報許可誤差：以預報時間至實測洪峰出現(xiàn)時間之間時距的30%為許可誤差，當許可誤差小于3 h或一個計算時段長時，則以3 h或一個計算時段長為許可誤差。

（2）預報項目精度評定。一次預報的誤差小于許可誤差時，為合格預報。合格預報次數(shù)占預報總次數(shù)的百分數(shù)為合格率，表示多次預報總體的精度水平。合格率按下式計算：

QR=nm×100%（6）

式中：QR為合格率（取1位小數(shù)）;n為合格預報次數(shù);m為預報總次數(shù)。

預報項目的精度按合格率或確定性系統(tǒng)的大小分為3個等級，甲等為QR≥85%，乙等為85%>QR≥70%，丙等為70%>QR≥60%。

經(jīng)精度評定后，洪水預報方案精度達到甲、乙兩個等級者，可用于正式發(fā)布預報;方案精度達到丙級的，可用于參考性預報;丙級以下者，只能用于參考性預估。

3.5.2 預報方案修訂前后精度對比

采用動態(tài)鏈接庫（DLL）形式將龍門站實用水文預報方案編成經(jīng)驗模型，植入黃河洪水預報系統(tǒng)，直接鏈接實時水情數(shù)據(jù)庫，運用黃河洪水預報系統(tǒng)進行作業(yè)預報。分別應用修訂前后的預報方案對龍門站1981—2018年的洪峰流量進行模擬計算，對比分析方案修訂前后的模擬精度。由于區(qū)間支流無加水或加水較少時修訂前后模擬結果沒有明顯差別，區(qū)間支流加水較多或以支流來水為主時對模擬結果的影響較大，因此表1只列出了區(qū)間加水大于1 000 m3/s場次洪水的模擬精度。表1中相對誤差均值為所有場次洪水相對誤差絕對值的平均值，峰現(xiàn)時差均值為峰現(xiàn)時差絕對值的平均值。

由表1可以看出，修訂后預報方案的模擬精度相比修訂前有明顯改善，方案一修訂前、后洪峰流量相對誤差的均值分別為12.9%和9.3%，而且修訂后洪峰相對誤差均在20%以內(nèi);方案二修訂前、后洪峰流量相對誤差的均值分別為13.4%和9.7%;方案三計算的峰現(xiàn)時差修訂后無太大變化。洪峰流量模擬精度提高的主要原因是修訂后的預報方案考慮了區(qū)間支流洪水在干流河道中的演進坦化，修訂后的方案更適用于吳龍區(qū)間的洪水模擬。

3.5.3 與馬斯京根演算結果對比

馬斯京根演算是一種基于槽蓄方程和水量平衡方程的河道流量演算法，因其使用方便，精度也較高，在生產(chǎn)實踐中得到廣泛應用。黃河洪水預報系統(tǒng)中編制了以馬斯京根演算為基礎的吳龍區(qū)間洪水預報方案，該方案利用馬斯京根演算法分別計算吳堡和區(qū)間支流流量演進至龍門后再進行線性疊加。為了檢驗實用水文預報方案對龍門站洪峰流量的模擬效果，選取1981—2018年共23場洪水進行實用水文預報方案與馬斯京根演算法的模擬結果比較。

采用河道洪峰流量和峰現(xiàn)時間許可誤差進行評定。各場次洪水洪峰流量計算結果的誤差見表2。方案一洪峰流量合格率為69.5%，方案二洪峰流量合格率為73.9%;馬斯京根演算洪峰流量合格率為78.3%。其中方案二和馬斯京根演算法的模擬精度達到乙級水平，可以用于洪水預報，方案一模擬精度為丙級，只能用于參考性預報。峰現(xiàn)時間方案三和馬斯京根演算法均有3場洪水不合格，其他場次洪水的峰現(xiàn)時差在3 h之內(nèi)，方案三與馬斯京根演算法對峰現(xiàn)時間的模擬都滿足預報精度的要求。

由于龍門站較大洪水主要來自吳堡以上，由表1、表2的計算結果可知，實用洪水預報方案對吳龍區(qū)間無加水或加水較少的洪水模擬結果精度較高，因此建議龍門站洪水作業(yè)預報時馬斯京根演算法和實用水文預報方案同時運用，有效提高龍門站的預報精度。

3.6 預報方案動態(tài)化

實用水文預報方案是大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和科學歸納，以及大量預報經(jīng)驗的積累和應用，是行之有效的作業(yè)預報方法[6]。但隨著計算機技術的飛速發(fā)展，水文情報預報工作已經(jīng)全面實現(xiàn)信息化，費時費力、手工查圖計算的預報方式制約了實用水文預報方案的推廣使用。只有改變傳統(tǒng)的預報方式，才能與信息化技術銜接，繼續(xù)在水文預報工作中發(fā)揮作用。筆者以Oracle數(shù)據(jù)庫和Excel為基礎，以VB為開發(fā)工具，將龍門站的實用水文預報方案轉(zhuǎn)換為可以自動作業(yè)預報的預報系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由預報方案圖、計算模塊及數(shù)據(jù)庫接口模塊組成。 VB、Oracle和 Excel的結合使用，不僅可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)、圖形和界面的有機結合，而且可以對數(shù)據(jù)進行有效管理。

4 結 語

以吳堡—龍門區(qū)間為研究區(qū)域，將傳統(tǒng)的、經(jīng)驗性的龍門水文站實用水文預報方案轉(zhuǎn)換為可以進行自動作業(yè)預報的預報系統(tǒng)，實現(xiàn)了相關關系圖模型建模標準化、預報動態(tài)化的目標，可以有效提高實用水文預報方案建模的效率和質(zhì)量。預報系統(tǒng)的建立能夠再現(xiàn)手工作業(yè)預報的思維方式，操作過程更加規(guī)范，可取得與手工作業(yè)預報相當?shù)念A報精度[8]。該方法對同類預報方案的研究具有一定的參考價值。

實用水文預報方案的編制是以吳堡以上的洪峰流量演進為主，對于支流加水采用直接疊加的方法，沒有考慮支流洪水在干流河道演進中的坦化問題，如果區(qū)間加水較大甚至占主導地位，對預報結果會產(chǎn)生較大影響。例如“20170727”洪水，吳堡站洪峰流量3 560 m3/s，區(qū)間支流加水4 400 m3/s，方案一對該次洪水的計算結果偏大32.1%，方案二計算結果偏大24.9%。為了提高實用水文預報方案在該區(qū)域的適用性，應根據(jù)區(qū)間支流水文資料，引入支流洪水的演進參數(shù)，并對方案中區(qū)間來水量的參數(shù)曲線進行修正。

吳堡—龍門區(qū)間尚有20%的未控區(qū)，許多直接入黃的小支流沒有控制站，馬斯京根演算法與龍門站實用水文預報方案都是單純的河道演進，沒有考慮未控區(qū)的降雨產(chǎn)流，一旦這些地區(qū)發(fā)生暴雨洪水，就會導致龍門站洪水預報精度降低，因此需要加強未控區(qū)暴雨產(chǎn)流模型研究，盡快研制洪水預報方案，進一步提高洪水預報的精度。

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【責任編輯 許立新】