長(zhǎng)江上游“20·8”洪水預(yù)報(bào)及預(yù)警實(shí)踐

（長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局，重慶 400020）

1 研究背景

1.1 寸灘水文站及“20·8”洪水概況

寸灘水文站位于長(zhǎng)江干流與嘉陵江匯合口以下7.5 km，東經(jīng)106°36＇，北緯29°37＇，集水面積866 559 km2，為長(zhǎng)江與嘉陵江匯合后控制站及三峽水庫(kù)入庫(kù)控制站。寸灘站洪水預(yù)報(bào)預(yù)警在重慶市、長(zhǎng)江上游水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度乃至長(zhǎng)江流域防汛工作中都起著十分重要的支撐作用。寸灘水文站防汛區(qū)位示意見(jiàn)圖1。

2020年8月中旬，長(zhǎng)江上游岷江、沱江、嘉陵江發(fā)生兩次持續(xù)強(qiáng)降雨，大范圍暴雨洪水造成河流水位猛漲，岷江高場(chǎng)、沱江富順、涪江小河壩站先后出現(xiàn)建站以來(lái)最高洪水位，三峽水庫(kù)出現(xiàn)成庫(kù)以來(lái)最大洪水，入庫(kù)洪峰達(dá)75 000 m3/s（8月20日08：00）。長(zhǎng)江、嘉陵江洪水在重慶城區(qū)發(fā)生遭遇，8月12日00：00長(zhǎng)江第4號(hào)洪水于寸灘站起漲水位170.14 m，8月14日20：00出現(xiàn)洪峰水位183.90 m，超保證水位0.40 m，歷時(shí)68 h，水位漲幅13.76 m；長(zhǎng)江第5號(hào)洪水于8月16日11：00起漲水位180.36 m，20日08：15出現(xiàn)洪峰水位191.62 m，歷時(shí)93 h，水位漲幅11.26 m，兩次洪水的總漲幅21.48 m，流量增加近6萬(wàn)m3/s。寸灘站出現(xiàn)峰高、量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的歷史罕見(jiàn)特大洪水，洪峰水位位居實(shí)測(cè)記錄第2位，給防汛工作帶來(lái)了巨大的壓力，也對(duì)寸灘站實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)預(yù)警提出了更高的要求。

圖1 寸灘水文站防汛區(qū)位示意

1.2 洪水預(yù)報(bào)預(yù)警概述

實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)是預(yù)測(cè)江河洪水要素及其特征值的一門(mén)應(yīng)用技術(shù)科學(xué)，是一種適應(yīng)式“滾動(dòng)”預(yù)報(bào)，不斷地根據(jù)實(shí)際觀測(cè)值和模型預(yù)報(bào)值產(chǎn)生的預(yù)報(bào)誤差信息（新息），運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及時(shí)地校正和改善原有模型參數(shù)或預(yù)報(bào)值，使預(yù)報(bào)誤差盡可能減小［1］，是提高流域洪水預(yù)報(bào)精度的有效途徑。利用實(shí)時(shí)“新息”，對(duì)洪水預(yù)報(bào)模型結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)校正是實(shí)際工作和洪水預(yù)報(bào)研究常用的模式。李致家等［2］將卡爾曼半自適應(yīng)濾波模型用于復(fù)雜河道行蓄洪的調(diào)度和實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)；瞿思敏等［3］利用誤差的相似性擴(kuò)大實(shí)時(shí)修正信息量，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)異聯(lián)想記憶技術(shù)，提出了綜合實(shí)時(shí)修正方法；梁忠民等［4］應(yīng)用線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型建立了實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)方案；左保河［5］對(duì)實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)過(guò)程中的誤差分布特性進(jìn)行了研究，提出了不同預(yù)報(bào)期的誤差預(yù)測(cè)及修正方法；程銀才［6］將差分模型和衰減記憶最小二乘遞推算法組合預(yù)測(cè)模型應(yīng)用到實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)中。趙英林［7］采用相應(yīng)漲差法、楊瑞祥等［8］基于粒子濾波同化方法、胡康［9］基于貝葉斯方法、趙超等［10］采用抗差估計(jì)理論、盧世浪［11］采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊集理論、姚超宇［12］基于GBDT開(kāi)展實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)研究和應(yīng)用，效果較好。在洪水預(yù)警預(yù)報(bào)方面，梁廖蘭蘭［13］、莫桂蘭［14］研究了漲率分析法在洪水預(yù)警預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，朱國(guó)洪［15］在社會(huì)空間信息基礎(chǔ)上建立了洪水預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，梁忠民［16］構(gòu)建了一種新型的洪水超前預(yù)警合理性“精度-可靠度"評(píng)價(jià)方法，蘇筠［17］分析了洪水預(yù)警對(duì)洞庭湖區(qū)公眾的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知的影響，左良棟［18］研究了嘉陵江流域洪水預(yù)警機(jī)制。

2 河道流量演算及誤差修正

2.1 河道流量演算方法

2.1.1 合成流量法

在集水面積較大的河段，其上、下游斷面同位相的水文要素值之間存在一定的規(guī)律，河段洪水預(yù)報(bào)即利用該定量關(guān)系，根據(jù)上游斷面出現(xiàn)的水位（流量）值預(yù)測(cè)下游斷面未來(lái)的水位（流量）值。對(duì)于區(qū)間來(lái)水比例不大，河槽穩(wěn)定的河段，上、下游站的水位（流量）是一種關(guān)系較好的簡(jiǎn)單相應(yīng)關(guān)系。當(dāng)河段支流來(lái)水量大，干、支流洪水之間干擾影響顯著時(shí)，宜采用合成流量法進(jìn)行洪水演算［19］，方法如下。

由河段的相應(yīng)流量概念和洪水波運(yùn)動(dòng)的變形可知，下游站的流量為

2.1.2 馬斯京根法

目前河道流量演算常用的水文學(xué)方法是對(duì)圣維南方程組近似得到的水量平衡方程和槽蓄方程進(jìn)行求解，利用上斷面流量過(guò)程演算成下斷面的流量過(guò)程。馬斯京根連續(xù)演算法是將河段劃分為n個(gè)單元，相應(yīng)的參數(shù)為Kl、xl，時(shí)段為△t，i為河段數(shù)，j為時(shí)段數(shù)。在時(shí)段j-1、j對(duì)水量平衡與槽蓄方程進(jìn)行差分：

對(duì)于有較大支流匯入的河段，根據(jù)洪水組成，采用先合后演法或先演后合法，將干、支流斷面流量迭加在一起，作為河段總?cè)肓鳎礋o(wú)支流河段方法進(jìn)行連續(xù)馬斯京根演算。

2.2 實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)誤差修正

流域水文系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，傳統(tǒng)水文模型大多是時(shí)不變的離線系統(tǒng)，以大多數(shù)洪水能取得好的預(yù)報(bào)結(jié)果為優(yōu)選準(zhǔn)則，其參數(shù)所概括的是一般性或者平均化的規(guī)律［20］。在實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)中，引起洪水特征變化的因素具有動(dòng)態(tài)性、多樣性和不確定性，不可避免出現(xiàn)誤差，且預(yù)見(jiàn)期越長(zhǎng)，精度也越低。這樣的預(yù)報(bào)方案常得不到滿意的結(jié)果，需對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正，提高預(yù)報(bào)精度以滿足需求。

2.2.1 主客觀融合的綜合洪水預(yù)報(bào)法

主客觀融合的綜合洪水預(yù)報(bào)法，是在洪水演算模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)測(cè)站洪水特性和多年預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行人工干預(yù)。該方法將主觀預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)與客觀水文模型相結(jié)合，具有較大的靈活性，在應(yīng)對(duì)復(fù)雜條件和特殊緊急情況下的洪水預(yù)報(bào)，是非常有效的手段，但是對(duì)預(yù)報(bào)員的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)要求較高。

2.2.2 誤差自回歸實(shí)時(shí)校正方法

實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)技術(shù)，突破了靜態(tài)、時(shí)不變的局限［21］，是提高洪水預(yù)報(bào)精度的主要方法。在水文預(yù)報(bào)中，受可利用的實(shí)時(shí)信息量的限制，洪水預(yù)報(bào)誤差信息量，只夠提供簡(jiǎn)單修正技術(shù)，或連簡(jiǎn)單修正方法所需的信息量也不夠，許多復(fù)雜的修正技術(shù)，盡管設(shè)計(jì)思路科學(xué)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)精細(xì)，但修正效果往往與簡(jiǎn)單的自回歸方法相近［3］。因此，可以采用傳統(tǒng)的自回歸（Auto-Regressive，AR）模型進(jìn)行誤差實(shí)時(shí)校正。該法不涉及洪水預(yù)報(bào)模型本身結(jié)構(gòu)或數(shù)學(xué)表達(dá)式［22］，可與上述合成流量演算法和馬斯京根演算法配合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校正。

依時(shí)序變化，模型計(jì)算值和實(shí)測(cè)值之差構(gòu)成一個(gè)時(shí)間序列，稱為誤差序列。誤差序列中各值都是相關(guān)的，正是由于按時(shí)間順序排列的各誤差之間具有相關(guān)關(guān)系，才有可能利用這個(gè)時(shí)間序列進(jìn)行未來(lái)值的預(yù)報(bào)［22］。自回歸模型是把誤差系列用一個(gè)p階自回歸模型來(lái)模擬。誤差自回歸模型描述的過(guò)程為：誤差序列的當(dāng)前值εt，可以用這個(gè)過(guò)程的過(guò)去值的線性和與一個(gè)干擾量ξt來(lái)表示。

式中：εt為t時(shí)刻的模型誤差，εt=Qt-QΦt；Qt為實(shí)測(cè)流量；QΦt為計(jì)算流量；ξt為t時(shí)刻的殘差。

將誤差系列ε1,ε2,…,εp，代入自回歸式中，用向量矩陣表達(dá)為

在自回歸分析中，有（p+1）個(gè)未知數(shù)，即Φ1，Φ2，…，Φp，和ξt的方差σ2。這些未知參數(shù)只能從過(guò)去的誤差序列資料中確定。干擾ξt對(duì)于ξ（t-1）、ξ（t-2）…獨(dú)立，一般認(rèn)為ξt均值為零，但有一定方差的正態(tài)分布白噪聲［22］。實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)值就是把線性擾動(dòng)模型和自回歸模型的計(jì)算值進(jìn)行線性疊加［23］，則預(yù)報(bào)結(jié)果的校正式為：Qt=εt+QΦt。

2.2.3 誤差修正效果評(píng)估

一種實(shí)時(shí)誤差修正方案應(yīng)用主要考慮修正效果、修正方法的適用性和方法的合理性及應(yīng)用效果檢驗(yàn)［18］。修正效果的評(píng)定指標(biāo)一般采用效率系數(shù)和洪峰合格率兩項(xiàng)。

效率系數(shù)：

式中：S2為模型預(yù)報(bào)誤差的平方和；σ2為預(yù)報(bào)要素值的離差平方和。

洪峰流量相對(duì)誤差DQ：

式中：Qm為洪峰流量實(shí)測(cè)值；Qm′為洪峰流量預(yù)報(bào)值。

根據(jù)GB/T 22482-2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》規(guī)定，效率系數(shù)高于0.7，洪峰流量相對(duì)誤差低于20%時(shí)為合格。

3 洪水預(yù)警方法

洪水預(yù)警是一項(xiàng)十分重要的非工程防洪措施。精確的預(yù)報(bào)可轉(zhuǎn)化為可靠的預(yù)警［24］，建立以“3S”為核心的洪水預(yù)警系統(tǒng)，在及時(shí)、準(zhǔn)確地洪水預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上，快速、靈活地以圖、文、聲、像的方式提供水情、雨情、工情等信息，迅速、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和統(tǒng)計(jì)實(shí)際災(zāi)情，分析、評(píng)價(jià)各調(diào)度方案的風(fēng)險(xiǎn)和可行性，科學(xué)、實(shí)時(shí)調(diào)整防汛、調(diào)度手段，為防汛搶險(xiǎn)、決策實(shí)施提供支撐服務(wù)。這是防洪工作的實(shí)際需要，也是新時(shí)代、新技術(shù)發(fā)展的必然。

洪水的形成是一個(gè)逐步演化的過(guò)程，根據(jù)洪水預(yù)報(bào)方案，利用當(dāng)前時(shí)刻雨情、水情和未來(lái)天氣預(yù)報(bào)等信息即可實(shí)現(xiàn)未來(lái)洪水特征（如洪峰水位）的預(yù)報(bào)［16］。根據(jù)洪水預(yù)報(bào)成果，準(zhǔn)確把控洪水預(yù)警關(guān)鍵時(shí)機(jī)，第一時(shí)間向防汛機(jī)構(gòu)和相關(guān)區(qū)域發(fā)出洪水預(yù)警，能夠?yàn)榉姥磽岆U(xiǎn)工作贏得寶貴的時(shí)間。

利用洪峰水位與面降雨量、起漲水位、同時(shí)水位建立多元回歸關(guān)系，是一種簡(jiǎn)捷有效的洪水預(yù)警方法［25］，如洪水漲率法。在掌握洪水漲率隨時(shí)程演變規(guī)律的基礎(chǔ)上，應(yīng)用漲率分析法實(shí)時(shí)把控洪水預(yù)警預(yù)報(bào)時(shí)機(jī)，快速進(jìn)行大江大河洪峰段精細(xì)化洪峰預(yù)報(bào)。

天然河道洪水的水位隨時(shí)間變化過(guò)程可以概化為拋物線（二次函數(shù)）型的數(shù)學(xué)模型：Z（t）=at2+bt+c，對(duì)其時(shí)間求導(dǎo)，即可得到洪水漲率隨時(shí)間變化的線性關(guān)系：Z′（t）=K（t）=2at+b，其中漲水階段漲率為正，退水階段漲率為負(fù)。漲水段可分為：①漲水起漲點(diǎn)至漲水段水位過(guò)程拐點(diǎn)；②從拐點(diǎn)至洪峰。前者是漲率由零逐漸增大的過(guò)程，后者相反，即由最大逐漸減小的過(guò)程（洪峰處漲率為零）［13］。

4 “20·8”洪水預(yù)報(bào)及預(yù)警實(shí)踐

4.1 洪水預(yù)報(bào)因素分析

寸灘站作為長(zhǎng)江、嘉陵江匯合后的控制站，長(zhǎng)江、嘉陵江兩江來(lái)水相互作用，同時(shí)高水部分受下游銅鑼?shí){控制，預(yù)報(bào)難度大。

4.1.1 洪水組成

“20·8”洪水是由上游岷江、沱江、涪江、嘉陵江洪水并發(fā)，多支流遭遇形成的。由表1可知，寸灘站洪水組成中長(zhǎng)江、嘉陵江匯流比約為0.6∶0.4，兩江洪峰傳播至寸灘時(shí)間相差20 h左右，且北碚（三）站峰后退水緩慢，洪水基本形成遭遇，寸灘洪峰以長(zhǎng)江來(lái)水為主。

表1 “20·8”洪水寸灘站洪水組成情況

4.1.2 水位流量關(guān)系呈繩套型

“20·8”洪水過(guò)程中，寸灘洪水受上游來(lái)水漲落影響，洪水波運(yùn)動(dòng)中附加比降的作用十分明顯，屬于擴(kuò)散波，圣維南方程組動(dòng)力方程可表達(dá)為

圖2 “20·8”洪水期間寸灘站水位流量關(guān)系曲線

4.1.3 洪峰附近突變

由于寸灘站水位流量關(guān)系曲線呈逆時(shí)針繩套，導(dǎo)致在洪峰附近流量發(fā)生突變，在繩套轉(zhuǎn)折處流量出現(xiàn)跌落式下降。同時(shí)由于河道槽蓄作用的影響，水位并未隨流量一起快速下降，而是如圖3中時(shí)段①③所示，呈緩慢退水趨勢(shì)。

圖3 “20·8”洪水寸灘站水位受銅鑼?shí){壅水頂托影響

4.1.4 峰前削減，峰時(shí)退后

流量過(guò)程割線是預(yù)報(bào)作業(yè)時(shí)重要的參考因素，雖然不同場(chǎng)次、量級(jí)的流量割線不完全相同，但許多相同類型的洪水具有相似的特性。因此，在現(xiàn)行預(yù)報(bào)系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)校正的情況下，可基于實(shí)時(shí)洪水具有和歷史洪水一樣的割線相似性規(guī)律，開(kāi)展洪水預(yù)報(bào)。由圖4可知，長(zhǎng)江第4，5號(hào)洪水過(guò)程，寸灘站洪水漲水面流量合成均偏高，隨著流量上漲，兩者逐漸接近，至洪峰前后轉(zhuǎn)為偏小，且洪水量級(jí)越大，洪峰時(shí)段削減量也越大。原因如下：①上游入流站流量坦化；②本次洪水量級(jí)大，達(dá)到20 a一遇水平，長(zhǎng)江、嘉陵江洪水基本遭遇，且兩江水量相當(dāng)（匯流比為0.6∶0.4），洪水在重慶朝天門(mén)匯合后，相互頂托，阻礙了洪水匯流，因此削減量明顯；同時(shí)由于匯合口大量壅水，也造成了寸灘站洪峰時(shí)間的退后和洪峰持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)。相反地，寸灘站洪峰出現(xiàn)在嘉陵江北碚（三）站洪峰過(guò)后，其退水速度和水量使流量合成偏小，但由于河道的槽蓄作用，寸灘站實(shí)際預(yù)報(bào)需取一定的折扣考慮，即流量上抬。

圖4 2020年8月寸灘流量合成及割線

4.1.5 洪峰水位、流量錯(cuò)時(shí)出現(xiàn)

根據(jù)洪水波運(yùn)動(dòng)特性，在一次洪水過(guò)程中，最大特征值一般不在同一時(shí)刻出現(xiàn)，最大流量先于最高水位出現(xiàn)。“20·8”洪水寸灘站8月19日04：00出現(xiàn)最大流量，08：15出現(xiàn)最高水位，兩個(gè)特征值出現(xiàn)時(shí)間相差約4 h。

4.1.6 銅鑼?shí){壅水頂托

寸灘站下游8 km處的銅鑼?shí){，為峽谷型河道，河寬狹窄，對(duì)寸灘站高洪起到控制作用。洪水至此受到約束，泄流不暢，進(jìn)而頂托寸灘站洪水位。根據(jù)《寸灘站相應(yīng)流量報(bào)汛方案》，在不受銅鑼?shí){壅水頂托的影響時(shí)，寸灘站采用一條多年較為穩(wěn)定的綜合H-Q關(guān)系線進(jìn)行水位預(yù)報(bào)，此種情況下，洪水漲水面實(shí)際水位略低于報(bào)汛流量查詢水位，且水位差值趨于穩(wěn)定；當(dāng)洪水達(dá)到一定量級(jí)，銅鑼?shí){壅水影響寸灘水位，實(shí)際水位隨洪水的上漲逐漸高于報(bào)汛流量查詢水位，如圖3中時(shí)段②所示，T1時(shí)刻開(kāi)始水位差逐漸加大；加之長(zhǎng)江第4號(hào)、第5號(hào)洪水寸灘水位流量關(guān)系呈連續(xù)的逆時(shí)針繩套，且在洪峰時(shí)刻流量突變，故查得的水位偏低；兩者共同影響，使得洪峰T2時(shí)刻水位差值最大約為2.60 m。

4.2 河道流量演算

為分析長(zhǎng)江上游“20·8”洪水預(yù)報(bào)效果，分析洪水預(yù)報(bào)的不同影響因素，檢驗(yàn)預(yù)報(bào)模型、實(shí)時(shí)校正方法的適用性、合理性和有效性，本文采用寸灘站報(bào)汛流量進(jìn)行河道流量演算。

4.2.1 合成流量法

寸灘站洪水以長(zhǎng)江干流朱沱（三）站，支流綦江五岔和嘉陵江北碚（三）站為入流站，河段支流來(lái)水量大，干、支流洪水之間干擾影響顯著，因此采用合成流量法進(jìn)行洪水演算。預(yù)報(bào)方法為：合成流量預(yù)報(bào)成果與區(qū)間降雨徑流過(guò)程q區(qū)疊加。計(jì)算公式如式（13），公式參數(shù)見(jiàn)表2，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

表2 寸灘站流量組成及洪水傳播時(shí)間

圖5 合成流量法、馬斯京根法演算“20·8”寸灘站流量過(guò)程

4.2.2 馬斯京根法

根據(jù)寸灘站干支流匯合的洪水特性，采用先合后演的馬斯京根法，將干、支流斷面朱沱（三）、北碚（三）站的流量迭加在一起，作為河段總?cè)肓鳎礋o(wú)支流河段方法進(jìn)行連續(xù)馬斯京根演算。計(jì)算方法見(jiàn)式（14）、式（15），其參數(shù)見(jiàn)表3，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

（1）以朱沱來(lái)水為主：

其中，Q上t-12=Q朱t-12+Q北t-5+Q五t-8

（2）以北碚來(lái)水為主：

其中，Q上t-9=Q朱t-9+Q北t-2+Q五t-5

表3 馬斯京根演算法推算寸灘站流量參數(shù)

由圖5和表4可以看出，合成流量法和馬斯京根法演算寸灘站“20·8”洪水，模擬的洪水過(guò)程均與實(shí)際洪水過(guò)程一致，效率系數(shù)分別達(dá)到0.912 9，0.873 5。但由于寸灘站洪水預(yù)報(bào)的復(fù)雜性，這兩種方法無(wú)法將前文分析的諸多影響因素考慮進(jìn)來(lái)，模擬的洪峰前后均存在較大的偏差，洪峰流量相對(duì)誤差分別為14.88%，12.33%，絕對(duì)誤差分別較實(shí)際洪峰流量大11 100 m3/s和9 200 m3/s，不能夠滿足防汛搶險(xiǎn)和調(diào)度支撐的需求，需采用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，以提高預(yù)報(bào)精度。

4.3 實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)誤差修正

4.3.1 主客觀融合的綜合洪水預(yù)報(bào)法

在“20·8”洪水預(yù)報(bào)工作中，通過(guò)分析寸灘站洪水預(yù)報(bào)各影響因素，采用主客觀融合的綜合洪水預(yù)報(bào)法，在洪水演算模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)洪水特性和預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)演算結(jié)果進(jìn)行人工干預(yù)。即考慮長(zhǎng)江、嘉陵江洪水組成，水位流量關(guān)系逆時(shí)針繩套現(xiàn)象，干支流洪峰附近相互頂托和銅鑼?shí){壅水頂托等因素，開(kāi)展精細(xì)化滾動(dòng)洪水預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)成果見(jiàn)圖6、圖7。預(yù)報(bào)結(jié)果顯示寸灘站流量過(guò)程效率系數(shù)達(dá)到0.989 5，洪峰流量相對(duì)誤差為0.54%，預(yù)報(bào)效果理想，為重慶市防汛搶險(xiǎn)和長(zhǎng)江上游水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度提供了有力的技術(shù)支撐。

圖6 綜合預(yù)報(bào)法預(yù)報(bào)“20·8”寸灘站流量過(guò)程

圖7 綜合預(yù)報(bào)法預(yù)報(bào)“20·8”寸灘站水位過(guò)程

4.3.2 誤差自回歸實(shí)時(shí)校正方法

結(jié)合長(zhǎng)江上游和寸灘站實(shí)際情況，選擇模型預(yù)報(bào)+誤差自回歸實(shí)時(shí)校正的思路，建立AR（p）實(shí)時(shí)校正模型。合成流量演算法實(shí)時(shí)校正AR（3）模型：εt=0.245εt-1+0.601εt-2-0.38εt-3+ξt；馬斯京根演算法實(shí) 時(shí) 校 正 AR（3）模 型 ：εt=0.228εt-1+0.491εt-2-0.272εt-3+ξt。實(shí)時(shí)校正結(jié)果如圖8、圖9所示，可以看出：AR（p）模型能夠較好地對(duì)合成流量演算法、馬斯京根演算和洪水綜合預(yù)報(bào)法進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，校正結(jié)果與實(shí)際發(fā)生流量過(guò)程基本吻合，尤其是通過(guò)實(shí)時(shí)校正，洪峰前后時(shí)段較之前有較大提高。AR（p）模型實(shí)時(shí)校正效果詳見(jiàn)誤差修正效果評(píng)估。

圖8 合成流量法演算的“20·8”寸灘流量過(guò)程實(shí)時(shí)校正前后對(duì)比

4.3.3 誤差修正效果評(píng)估

采用效率系數(shù)和洪峰合格率作為誤差修正效果的評(píng)定指標(biāo)。寸灘站不同洪水預(yù)報(bào)方法實(shí)時(shí)校正效果評(píng)定見(jiàn)表4。

圖9 馬斯京根法演算的“20·8”寸灘流量過(guò)程實(shí)時(shí)校正前后對(duì)比

表4 寸灘站不同洪水預(yù)報(bào)方法實(shí)時(shí)校正效果評(píng)定

由表4可以看出，3種洪水預(yù)報(bào)方法的結(jié)果均合格。在未進(jìn)行實(shí)時(shí)校正前，合成流量法和馬斯京根法演算寸灘站“20·8”洪水過(guò)程效率系數(shù)分別為0.912 9，0.873 5，合成流量法略好于馬斯京根法；但合成流量法演算洪峰流量的相對(duì)誤差比馬斯京根法高2.55%。經(jīng)過(guò)AR（p）模型實(shí)時(shí)校正后，合成流量法和馬斯京根法演算洪水過(guò)程效率系數(shù)分別提高了0.084 2和0.124 5，洪峰流量校正效果顯著，其相對(duì)誤差分別下降了13.83%和11.48%。綜合預(yù)報(bào)法考慮了洪水組成、繩套型水位流量關(guān)系、干支流相互影響和銅鑼?shí){壅水頂托等因素，并開(kāi)展精細(xì)化滾動(dòng)洪水預(yù)報(bào)，其預(yù)報(bào)效果明顯優(yōu)于未校正前的前兩種演算結(jié)果，與校正后的兩種演算效果接近。但通過(guò)對(duì)綜合預(yù)報(bào)法預(yù)報(bào)的流量過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，效果并無(wú)明顯改善，洪峰流量相對(duì)誤差指標(biāo)反而增加了0.25%。原因如下：①未校正前預(yù)報(bào)效果已經(jīng)較高，改善空間有限；②由于水位流量關(guān)系呈繩套型，峰后流量跌落式下降，流量發(fā)生突變，AR（p）模型認(rèn)為誤差之間是相關(guān)的，造成校正效果不明顯。

5 洪水預(yù)報(bào)預(yù)警

寸灘站作為長(zhǎng)江上游重要控制站，流域集水面積大，地形差異大。金沙江、橫江、岷江、沱江、嘉陵江（含其支流涪江、渠江）等支流匯流時(shí)間長(zhǎng)短不一，“20·8”洪水是由岷江、沱江、嘉陵江流域持續(xù)性暴雨形成，暴雨中心位于四川盆地，為寸灘站洪水預(yù)警預(yù)留了時(shí)間。同時(shí)，長(zhǎng)江上游水庫(kù)群分布于上游干支流上，水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度根據(jù)水雨情變化實(shí)時(shí)調(diào)整方案，給洪水預(yù)警增加了一定的不確定性。

“20·8”洪水預(yù)報(bào)預(yù)警實(shí)踐模式，技術(shù)方面采用氣象水文耦合與實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化技術(shù)，根據(jù)實(shí)時(shí)降雨、未來(lái)降雨和上下游水庫(kù)防洪調(diào)度情況，結(jié)合洪水漲率，對(duì)洪水發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行滾動(dòng)預(yù)測(cè)；實(shí)施方面采用多對(duì)象、多途徑的氣象、水情、防汛、調(diào)度多目標(biāo)會(huì)商，以防汛專業(yè)工作人員和社會(huì)公眾對(duì)防汛需求為導(dǎo)向，分類推送預(yù)警信息，同時(shí)確保信息公開(kāi)、暢通。該模式具有以下特點(diǎn)。

（1）趨勢(shì)預(yù)報(bào)與精準(zhǔn)預(yù)報(bào)相結(jié)合。根據(jù)專業(yè)中期氣象預(yù)報(bào)，當(dāng)時(shí)預(yù)計(jì)2020年8月15～17日岷江、沱江、涪江、嘉陵江流域?qū)⒂幸淮未?暴雨天氣過(guò)程。13日結(jié)合未來(lái)降雨和前期水雨情，開(kāi)展趨勢(shì)預(yù)報(bào)，提前7 d預(yù)判出寸灘站洪峰流量將超過(guò)長(zhǎng)江第4號(hào)洪水；16日，四川盆地西部出現(xiàn)強(qiáng)降雨過(guò)程后，發(fā)布正式預(yù)報(bào)，提前4 d預(yù)報(bào)長(zhǎng)江干流寸灘站19日上午將出現(xiàn)60 000 m3/s量級(jí)的洪峰流量。隨著長(zhǎng)江上游流域降雨的逐日加強(qiáng)，以及溪洛渡、向家壩、亭子口、三峽等水庫(kù)實(shí)施聯(lián)合防洪調(diào)度，滾動(dòng)開(kāi)展發(fā)布精準(zhǔn)洪水預(yù)報(bào)；在洪峰階段，運(yùn)用漲率分析法進(jìn)行洪水預(yù)警預(yù)報(bào)時(shí)機(jī)把控（見(jiàn)圖10），19日16：00提前15 h預(yù)測(cè)寸灘站將于20日上午出現(xiàn)洪峰流量75 000 m3/s，將超保證水位8～9 m，實(shí)際洪峰流量74 600 m3/s，洪峰水位191.62 m。

圖10 漲率分析法開(kāi)展洪水預(yù)警預(yù)報(bào)時(shí)機(jī)把控（2020年8月）

（2）預(yù)警信息分類定向傳遞。通過(guò)視頻、電話、短信、傳真等多種途徑和方式，及時(shí)將洪水最新信息、水庫(kù)調(diào)度最新方案報(bào)告給長(zhǎng)江水利委員會(huì)、重慶市防汛抗旱指揮部等相關(guān)部門(mén)。通過(guò)政府平臺(tái)、新聞媒體、網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)，面向防汛搶險(xiǎn)工作人員和社會(huì)大眾，分別推送洪水預(yù)警信息，普及宣傳洪水避險(xiǎn)常識(shí)。

高時(shí)效、高精度的洪水預(yù)報(bào)預(yù)警為重慶市應(yīng)急轉(zhuǎn)移、防汛搶險(xiǎn)以及長(zhǎng)江水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度和全流域防汛工作提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

6 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論

本文在無(wú)歷史洪水作參考的情況下，針對(duì)2020年長(zhǎng)江上游寸灘站發(fā)生的歷史罕見(jiàn)特大洪水，采用合成流量演算法、馬斯京根連續(xù)演算法進(jìn)行“20·8”洪水寸灘站流量模擬。結(jié)果顯示，兩種方法演算的洪水過(guò)程均與實(shí)際洪水過(guò)程一致，效率系數(shù)分別為0.912 9和0.873 5，合成流量法略好于馬斯京根法；但兩種方法無(wú)法考慮影響寸灘站洪水預(yù)報(bào)的多種影響因素，模擬的洪峰前后均存在較大偏差，絕對(duì)誤差分別較實(shí)際洪峰流量大11 100 m3/s和9 200 m3/s。采用模型預(yù)報(bào)+誤差自回歸實(shí)時(shí)校正的思路，建立了AR（p）實(shí)時(shí)校正模型，校正后合成流量法和馬斯京根法演算洪水過(guò)程效率系數(shù)分別提高了0.084 2和0.124 5，且洪峰流量校正效果顯著，其相對(duì)誤差分別下降了13.83%和11.48%。結(jié)合實(shí)際預(yù)報(bào)作業(yè)中所采用的綜合預(yù)報(bào)法和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，分析總結(jié)了“20·8”寸灘站洪水預(yù)報(bào)中長(zhǎng)江、嘉陵江洪水組成，水位流量關(guān)系呈逆時(shí)針繩套現(xiàn)象，干支流洪峰附近相互頂托和銅鑼?shí){壅水頂托等主要影響因素，并總結(jié)了長(zhǎng)江、嘉陵江洪水遭遇情況下的主客觀融合洪水預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)。實(shí)踐表明，綜合預(yù)報(bào)法在存在諸多不確定因素時(shí)的預(yù)報(bào)效果相對(duì)理想。

對(duì)本次洪水過(guò)程中洪水預(yù)警為防汛救災(zāi)工作提供支撐的實(shí)踐模式進(jìn)行了探索：①采用氣象水文耦合與實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化技術(shù)，趨勢(shì)預(yù)報(bào)與精準(zhǔn)預(yù)報(bào)相結(jié)合，開(kāi)展?jié)L動(dòng)預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)；②采用多對(duì)象、多途徑的氣象、水情、防汛、調(diào)度多目標(biāo)會(huì)商，以防汛專業(yè)工作人員和社會(huì)公眾對(duì)防汛需求為導(dǎo)向，推送預(yù)警信息，確保信息及時(shí)、公開(kāi)。該模式可為將來(lái)洪水預(yù)報(bào)預(yù)警和防汛救災(zāi)工作起到一定的參考作用。

6.2 展望

實(shí)踐證明，長(zhǎng)江上游“20·8”洪水雖然給川渝地區(qū)帶來(lái)了較大的防汛壓力，但是在水利部、長(zhǎng)江水利委員會(huì)的科學(xué)指導(dǎo)、調(diào)度和各級(jí)防汛機(jī)構(gòu)的協(xié)同努力下，成功應(yīng)對(duì)了此次歷史罕見(jiàn)特大洪水。有力的應(yīng)對(duì)得益于有效的洪水預(yù)報(bào)，長(zhǎng)江上游控制站寸灘水文站精準(zhǔn)的洪水預(yù)報(bào)預(yù)警為重慶市實(shí)現(xiàn)“零傷亡”目標(biāo)、長(zhǎng)江上游水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度和全流域防汛工作提供了重要的支撐；但同時(shí)也暴露出部分短板，未來(lái)可以從以下方面進(jìn)一步完善提高。

（1）加強(qiáng)和完善流域內(nèi)洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)方法的研究，特別是將氣象與水文耦合，開(kāi)展流域洪水實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)。事實(shí)上，隨著氣象預(yù)報(bào)技術(shù)的進(jìn)步，部分地區(qū)或流域已實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)格化定量降雨預(yù)報(bào)。如何將此降雨預(yù)報(bào)成果與洪水預(yù)報(bào)模型相結(jié)合，運(yùn)用洪水實(shí)時(shí)校正方法，進(jìn)一步提高預(yù)報(bào)精度，是未來(lái)洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)研究和實(shí)踐的方向。

（2）向早期洪水預(yù)報(bào)預(yù)警拓展，構(gòu)建超前預(yù)警預(yù)報(bào)方案。結(jié)合流域匯流時(shí)間合理篩選預(yù)報(bào)因子，獲得足夠的預(yù)見(jiàn)期。之后隨著洪水過(guò)程的演進(jìn)，雨洪信息不斷累積，采用滾動(dòng)預(yù)報(bào)方式及時(shí)對(duì)超前預(yù)警進(jìn)行更新，獲得越來(lái)越準(zhǔn)確的洪水發(fā)展情勢(shì)預(yù)估，為防洪應(yīng)急管理提供預(yù)警信息服務(wù)。

（3）預(yù)報(bào)調(diào)度一體化，發(fā)揮水工程（群）的綜合功能。根據(jù)水、雨、工情實(shí)況和暴雨、洪水預(yù)報(bào)，統(tǒng)籌全流域防洪、協(xié)調(diào)局部?jī)?yōu)先等級(jí)，設(shè)計(jì)最優(yōu)化的防洪調(diào)度方案，科學(xué)、合理、精細(xì)地實(shí)現(xiàn)水工程（群）的調(diào)度控制，調(diào)節(jié)流域干支流洪水，提高流域整體防洪能力。

（4）提升水文信息化，保障預(yù)報(bào)預(yù)警。隨著先進(jìn)專業(yè)技術(shù)和現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，多源信息融合、數(shù)據(jù)同化、人工智能、大數(shù)據(jù)、集合預(yù)報(bào)、分布式模擬等技術(shù)取得了實(shí)質(zhì)進(jìn)步，未來(lái)這些技術(shù)應(yīng)用到洪水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，將可大幅提升洪水預(yù)報(bào)精度和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警能力。

（5）洪水預(yù)報(bào)預(yù)警信息為社會(huì)公眾提供專業(yè)服務(wù)。隨著互聯(lián)網(wǎng)特別是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，社會(huì)公眾獲得信息、交換信息的方式發(fā)生巨變。借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為社會(huì)公眾提供專業(yè)服務(wù)是今后水文行業(yè)面向社會(huì)、服務(wù)社會(huì)的重要領(lǐng)域。平時(shí)注重對(duì)社會(huì)公眾普及洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、洪水避險(xiǎn)常識(shí)，使防汛宣傳工作大眾化、常態(tài)化；洪水期間，針對(duì)人們廣泛關(guān)注的洪水信息，以通俗易懂的形式，及時(shí)主動(dòng)地公布釋疑、宣傳引導(dǎo)，可有效提高公眾的防汛減災(zāi)和避險(xiǎn)意識(shí)，提升人民生活的安全感、幸福感。