段明威，田京楠，田長濤

( 伊春水文局，黑龍江 伊春153000)

0 前 言

洪水預(yù)報(bào)作為防洪工作的一項(xiàng)重要非工程措施，被稱為防汛搶險(xiǎn)工作的“耳目”和“參謀”。傳統(tǒng)的洪水預(yù)報(bào)技術(shù)多建立在單要素經(jīng)驗(yàn)相關(guān)的基礎(chǔ)上，隨著系統(tǒng)論、信息論、控制論等新理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)在信息處理技術(shù)以及預(yù)報(bào)方法上較以往傳統(tǒng)的方法都有所突破，明顯地提高了洪水預(yù)報(bào)精度，增長了有效預(yù)見期。在高海拔山區(qū)流域，由于水文站網(wǎng)分布密度較低;受支流匯入影響河段較多;洪水組成比較復(fù)雜;洪水來源隨機(jī)性強(qiáng);匯流時(shí)間短;漲落迅速等原因，傳統(tǒng)洪水預(yù)報(bào)手段針對這類河段常常是勉強(qiáng)應(yīng)對或是無能為力，導(dǎo)致洪水過程難以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，不能達(dá)到洪水預(yù)報(bào)的最佳效益。本文根據(jù)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)軟件和實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)庫技術(shù)，采用多模型結(jié)合使用的方法來進(jìn)行受區(qū)間入流影響河段的洪水預(yù)報(bào)方法分析。

1 實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)介紹

所謂“實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)”，是指對暴雨、洪水信息觀測資料的采集、傳遞、輸入，處理運(yùn)算并作出洪水預(yù)報(bào)的全過程，其中包括對預(yù)報(bào)過程的誤差實(shí)時(shí)校正。這一系列的操作，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，人工不予干涉。當(dāng)前，建立實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，大體有兩條途徑: ①把流域或河道的雨洪關(guān)系直接視作一個(gè)線性系統(tǒng)，用狀態(tài)方程、量測方程或常微分方程來描述，然后采用近代控制理論中的卡爾曼濾波方法來求解狀態(tài)變量即預(yù)報(bào)變量;②把流域或河道的雨洪關(guān)系，先用近代流域水文模型來描述，通過對這種確定性預(yù)報(bào)模型的計(jì)算值與本時(shí)段相應(yīng)實(shí)測值的比較，獲得它們的實(shí)際誤差序列系統(tǒng)，并建立模型和估算參數(shù)，并對流域水文預(yù)報(bào)模型作補(bǔ)充描述，也就是預(yù)報(bào)模型加實(shí)時(shí)校正。

通過研究和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)第2 種途徑概念較清晰，立論也比較新穎，是確定性與隨機(jī)性的有機(jī)結(jié)合，符合實(shí)際情況，在進(jìn)行模型計(jì)算時(shí)也可以盡量簡化處理誤差系統(tǒng)部分。

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)一般包括6個(gè)子系統(tǒng)，即歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng);數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng);數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng);預(yù)報(bào)模型計(jì)算與休整系統(tǒng);預(yù)報(bào)發(fā)布系統(tǒng); 預(yù)報(bào)評估系統(tǒng)。決定洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的質(zhì)量關(guān)鍵在于兩點(diǎn): ①快速，即通過各種水文信息的及時(shí)采集、迅速傳輸和處理運(yùn)算來實(shí)現(xiàn);②準(zhǔn)確，即通過預(yù)報(bào)變量實(shí)時(shí)信息的反饋對預(yù)報(bào)模型計(jì)算成果或參數(shù)不斷進(jìn)行實(shí)時(shí)校正來達(dá)到。這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)必須始終貫徹于從數(shù)據(jù)采集、處理到預(yù)報(bào)、發(fā)布整個(gè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)中。洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的具體內(nèi)容包括:

1) 歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng): 主要收集流域內(nèi)的雨量站、水位站、水文站觀測的雨、水情信息。

2) 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng):系統(tǒng)將收集到的雨水情信息采用短信平臺、超短波等方式傳送至信息接收中心。

3) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng): 為數(shù)據(jù)處理與存儲環(huán)節(jié)，具體的信息處理內(nèi)容有:①翻譯雨水情電報(bào)報(bào)文; ②識別錯(cuò)誤信息并處理;③根據(jù)洪水預(yù)報(bào)輸入要求，生成相應(yīng)時(shí)段的水文要素過程;④根據(jù)用戶信息查詢要求，制成相應(yīng)的圖表;⑤遇特殊雨水情發(fā)出預(yù)警;⑥向有關(guān)部門轉(zhuǎn)發(fā)信息，在處理信息之后，原始信息和處理后的信息將被存儲到數(shù)據(jù)庫。

4) 預(yù)報(bào)模型計(jì)算與修正系統(tǒng):經(jīng)過處理后的信息從數(shù)據(jù)庫中提取出來進(jìn)入到預(yù)報(bào)模型計(jì)算系統(tǒng)，經(jīng)過處理后進(jìn)行典型雨洪分析。在計(jì)算系統(tǒng)中，最重要的環(huán)節(jié)是模型率定參數(shù)的確定，一是利用歷史資料建模并進(jìn)行率定，二是利用實(shí)時(shí)資料對模型參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)充、修改，最后按照實(shí)際模擬達(dá)到合格要求后，才能確定預(yù)報(bào)模型的參數(shù)。

5) 預(yù)報(bào)發(fā)布系統(tǒng): 根據(jù)確定后的預(yù)報(bào)模型，輸入實(shí)時(shí)雨水情信息進(jìn)行產(chǎn)流、匯流計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果及時(shí)向社會發(fā)布洪水預(yù)報(bào)。

6) 預(yù)報(bào)評估系統(tǒng): 在預(yù)報(bào)發(fā)布后，要更新數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算出的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)比較后，評價(jià)此次預(yù)報(bào)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，如果出現(xiàn)預(yù)測失誤的現(xiàn)象，就需要及時(shí)調(diào)整模型參數(shù)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 模型選擇和參數(shù)率定

實(shí)現(xiàn)水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)建模的前提條件是正確地選擇模型的結(jié)構(gòu)型式。在同一信息系統(tǒng)里，往往可以得到多種模型結(jié)構(gòu)。本文依據(jù)“模擬誤差最小”和“參數(shù)節(jié)省”的優(yōu)選準(zhǔn)則，選用了預(yù)報(bào)系統(tǒng)軟件中的“三水源蓄滿產(chǎn)流模型( SMS_3) 、三水源滯后演算匯流模型( LAG_3) 和馬斯京根河道分段連續(xù)演算法模型( MSK) ”來建立多支流匯入河段出口斷面的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)方案。上述模型和方法屬于概念性模型，其參數(shù)都有明確的物理意義，原則上可以根據(jù)其物理意義來確定其數(shù)值。但由于量測上的困難，在實(shí)際應(yīng)用中難以做到，一般采用系統(tǒng)默認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)值作為模型的初始值。用初始參數(shù)值模擬出產(chǎn)匯流過程，并與實(shí)際過程進(jìn)行比較和分析，以與實(shí)測過程的誤差最小為原則，用人工試錯(cuò)和自動(dòng)優(yōu)選相結(jié)合的方式率定模型參數(shù)。模型可以隨時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行誤差訂正，逐步接近實(shí)際參數(shù)值。參數(shù)率定是模型識別的主要環(huán)節(jié)，其目標(biāo)是尋求模擬客觀系統(tǒng)的最滿意的模型參數(shù)。

2.2 應(yīng)用實(shí)例

選擇湯旺河伊新站為例來介紹多支流匯入河段的洪水預(yù)報(bào)模型建立過程。伊新站洪水來源可分成3 部分:①上游五營站控制斷面來水; ②五營至伊新區(qū)間流域來水，該區(qū)間流域面積為3 600 km2，共有友好河、雙子河、長青河、梅花河4條較大無測驗(yàn)斷面的河流匯入湯旺河;③右岸支流伊春站控制斷面的伊春河來水。以上來水具備隨機(jī)不確定性，均可單獨(dú)或共同形成伊新站的洪水過程，詳見圖1。

根據(jù)選定模型和實(shí)際預(yù)報(bào)河段的雨水情采集信息情況，建立伊新站預(yù)報(bào)模型時(shí)五營和伊春站采用馬斯京根河道分段連續(xù)演算法，區(qū)間流域使用三水源蓄滿產(chǎn)流模型和三水源滯后演算匯流模型。利用預(yù)報(bào)系統(tǒng)的參數(shù)率定功能和實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)庫中10 次較大洪水過程的歷史數(shù)據(jù)對上述模型進(jìn)行參數(shù)率定，最終優(yōu)選結(jié)果見表1。

表1 湯旺河伊新站洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)各模型參數(shù)率定成果表

表1 參數(shù)中WM、KK、ES、F 需人為確定，實(shí)際使用發(fā)現(xiàn)SM 參數(shù)比較重要而且敏感，對洪峰值影響明顯，一般需要人工多次試驗(yàn)優(yōu)選來確定，其它參數(shù)取率定值即可。( 各年份參數(shù)率定和檢驗(yàn)過程略) 。根據(jù)以上參數(shù)即可進(jìn)行伊新站洪水過程預(yù)報(bào)。該模型自起報(bào)時(shí)刻起每3 h計(jì)算一次預(yù)報(bào)值。圖2 為使用該模型對2005年7月28日8 時(shí)—8月2日2 時(shí)伊新站一次較大洪水過程作出的預(yù)報(bào)結(jié)果。經(jīng)檢驗(yàn)，預(yù)報(bào)洪水過程流量平均絕對誤差為22.0 m3/s，平均相對誤差為4.5%，均方誤差為45.9 m3/s，洪峰流量相對誤差為0.54%，預(yù)見期為72 h，達(dá)到了《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》( SL250－2000)規(guī)定的甲級預(yù)報(bào)方案精度標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 伊新站2005731 次洪水過程預(yù)報(bào)誤差統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié) 語

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)是流域防洪調(diào)度決策支持系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，是實(shí)現(xiàn)防洪調(diào)度系統(tǒng)科學(xué)、高效、可靠決策的基礎(chǔ)，其預(yù)報(bào)結(jié)果精度客觀上依賴于水文資料的質(zhì)量、代表性以及觀測精度。隨著時(shí)間的推移和人類活動(dòng)的影響，模型參數(shù)必然發(fā)生變化，因此需要定期對模型參數(shù)進(jìn)行重新率定分析。

模型參數(shù)依賴于模型的結(jié)構(gòu)和輸入輸出的信息，盡管它會受到模擬概化的影響和輸入信息的隨機(jī)干擾，但參數(shù)的物理機(jī)制仍將起主導(dǎo)地位，在選用預(yù)報(bào)模型時(shí)建議選擇物理機(jī)制明顯且便于掌握的模型來使用。

人工試錯(cuò)法調(diào)試參數(shù)可以避免系統(tǒng)自動(dòng)率定參數(shù)時(shí)出現(xiàn)的“虛假擬合”現(xiàn)象，還可以充分利用用戶的知識技能和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)的實(shí)用性，有利于模型的實(shí)際應(yīng)用，在參數(shù)率定中要給予高度的重視。

實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)目前在通用性和操作簡便性方面還存在一些不足，對終端用戶要求還較高，主要體現(xiàn)在可選模型較少，小江河應(yīng)用效果較差，模型參數(shù)過多，人機(jī)交互界面復(fù)雜等幾個(gè)方面，有待進(jìn)一步完善和提高。

圖1 湯旺河五營站至伊新站區(qū)間各支流分布圖

圖2 湯旺河伊新站2005731 次洪水實(shí)測與預(yù)報(bào)過程圖

［1］長江水利委員會. 水文預(yù)報(bào)方法:第二版［M］. 北京:中國水利電力出版社，1993.

［2］葛守西. 現(xiàn)代洪水預(yù)報(bào)技術(shù)［M］. 北京:中國水利水電出版社，1999.

［3］水利部水利信息中心. SL330－2005 水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國水利水電出版社，2005.