徐 寧戴軍利陳 潔

反饋模擬實時校正技術(shù)在洪水預(yù)報中的應(yīng)用

徐 寧1戴軍利2陳 潔2

流域水文系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，在考慮水文預(yù)報模型結(jié)構(gòu)時，通常要給以一系列的假設(shè)和結(jié)構(gòu)簡化近似，這在模型外延中會帶來較大的誤差；在模型參數(shù)確定中，由于歷史水文資料的代表性不夠，也會帶來誤差。實時洪水的預(yù)報與估計系統(tǒng)中誤差更多，常見的有：（1）設(shè)備故障，導(dǎo)致資料缺測或不合理的觀測數(shù)據(jù)；（2）水利工程、農(nóng)田蓄放水誤差；（3）流域水文規(guī)律的變化；（4）水文規(guī)律簡化誤差，即模型結(jié)構(gòu)誤差。

在洪水預(yù)測系統(tǒng)中，常會發(fā)現(xiàn)不同時間發(fā)生的誤差是十分相似的。例如，高強度降雨引起的洪水，常會導(dǎo)致預(yù)測的洪峰偏小，長期干旱后的洪水徑流量估計常偏大等。雖然這些洪水發(fā)生在不同年份，但許多相同類型的洪水會有相似的誤差統(tǒng)計特征，稱為誤差的相似性。這些相似性是客觀存在的，是由引起誤差的因素相似性所決定的。

反饋模擬實時校正技術(shù)可用于實時洪水預(yù)報誤差修正，針對實際洪水預(yù)報有一定影響的誤差因素，利用實時系統(tǒng)能獲得的觀測信息和一切能利用的其他信息對預(yù)報誤差進行實時校正，以彌補流域水文模型的不足。

一、應(yīng)用背景

1.實例應(yīng)用地區(qū)概況

漳河水系位于陜西高原和太行山區(qū)，地跨晉、冀、豫三省，是相對獨立的水系，水文預(yù)報誤差不易受系統(tǒng)外因素干擾；其地處山區(qū)，夏季太平洋副熱帶高壓加強北上，易在太行山區(qū)迎風坡形成大暴雨，洪水具有峰高量大、次洪過程迅速的特點，洪水要素明確，且對誤差敏感；漳河水系上游建有多座水庫，農(nóng)田蓄放水和沿河取水活動頻繁，人類活動已對水系水文規(guī)律產(chǎn)生影響；漳河水系洪水預(yù)報主要使用降雨徑流模型，產(chǎn)流部分應(yīng)用了蓄滿產(chǎn)流模型，產(chǎn)流機理較為簡化，近年來洪水預(yù)報誤差增大，特別是中小等級的洪水尤為明顯?；谝陨咸攸c，本文選取漳河水系進行反饋模擬實時校正技術(shù)應(yīng)用與研究，具有較強的代表性和推廣性。

漳河發(fā)源于山西省長治西部和北部山區(qū)，主要支流有清漳河與濁漳河兩支，見圖2。清漳河又分東西兩源，均發(fā)源于太行山區(qū)，二者于下交漳相匯。濁漳河又分北、西、南三源，均發(fā)源于太岳山區(qū)，三源上分別建有關(guān)河、后灣、漳澤3座大型水庫，清漳與濁漳在合漳村匯合后稱漳河。流域面積19537km2，山區(qū)約占95%。

2.水文預(yù)報概況

根據(jù)漳河水系地理特征和水文特征將其劃分為三個預(yù)報分區(qū)：關(guān)河、后灣、漳澤三水庫—石梁區(qū)間，匡門口以上區(qū)間，石梁、匡門口—觀臺區(qū)間（見圖3）。

圖1 實時校正預(yù)報過程圖

圖2 漳河流域概化圖

圖3 漳河流域預(yù)報分區(qū)圖

通過長期的應(yīng)用和對比，漳河水系使用降雨徑流模型預(yù)報精度優(yōu)于其他預(yù)報模型，故本文選用降雨徑流模型進行對比。

二、反饋模擬實時校正技術(shù)原理

由于流域降雨在時空分布上的復(fù)雜性，根據(jù)現(xiàn)有雨量站點觀測的雨量很難準確地計算出流域?qū)嶋H降雨，同時還有計算及觀測等方面的誤差，這就導(dǎo)致洪水作業(yè)預(yù)報中，用產(chǎn)匯流原理作出的預(yù)見期內(nèi)的預(yù)報值與實測值有較大誤差。實時校正可以最大限度地利用預(yù)見期內(nèi)所獲得的各種信息對后期預(yù)報值進行反饋校正，以提高預(yù)報精度。

一次降雨過程，通過模型計算可以得出Qfi～t預(yù)報流量過程，在河流的控制站將逐漸出現(xiàn)DQobi～t實測流量過程。

設(shè)DQobi為實測流量，DQobi＞0，其中，i=1，2，…，n；

設(shè)Qfi為預(yù)報計算流量，Qfi＞0，其中，i=1，2，…，m；

n為實測流量的個數(shù)，m為預(yù)報計算流量的總時段數(shù)。

實測流量的差值計算中，設(shè)DQobi＝0，從i=2實測值起連續(xù)計算到n，則差值為：DQobi=Qobi-Qobi-1。

預(yù)報計算的流量之間差值計算中，設(shè)DQfi＝0，從i=2預(yù)報值起連續(xù)計算到m，則差值為：DQfi=Qfi-Qfi-1。

相鄰兩個時段實測流量差值之和與預(yù)報計算流量差值之和的比值Fact因子，其表達式：

為了判別漲水與退水，采用前式。Fact因子的數(shù)值范圍，通常在0.45到2.21之間，當j=6時，F(xiàn)act0.75j趨近于1.0，其表達式為：

水文預(yù)報時實時校正分漲水段和退水段，當DQfi≥0時，則為漲水段；當DQfi＜0時，則為退水段。

漲水段按下列判別式作實時校正：

如i-（n+6）≥0時，i≥7，則Qobi實時校正流量的增量等于Qfi；

如i-（n+6）＜0時，實時校正系數(shù)Fac按下式計算：

i為預(yù)報點序數(shù)。因此，漲水段實時校正計算公式為：

退水段按下式作實時校正：

即前一時刻的實測值與預(yù)報值之比乘以本時刻的預(yù)報值，即為本時刻的實時校正流量。

當只有第一個流量是實測值時，即n=1，漲水段第二個實時校正計算為：Qob2=Qob1+Qf2-Qf1

依此類推得：

由以上可知，退水段和當n=1時，第1個流量為實測時的漲水段不計算Fact。

三、反饋模擬實時校正技術(shù)在漳河流域的應(yīng)用

近十年來漳河水系下墊面變化較小，處于枯水期。在此期間選擇5場次中、小級別洪水，首先使用降雨徑流模型進行水文模擬，然后根據(jù)洪水過程初期的實測流量過程通過反饋模擬實時校正技術(shù)對預(yù)報結(jié)果進行修正。具體成果見表1降雨徑流方案和反饋模擬實時校正計算結(jié)果比較。

表1 降雨徑流方案和反饋模擬校正計算結(jié)果比較（觀臺站）

四、成果分析

由表1對比分析可得：降雨徑流模型在對中、小級別洪水的模擬中誤差較大，水利工程和人為因素對洪水預(yù)報結(jié)果的應(yīng)尤為明顯。通過反饋模擬實時校正技術(shù)進行修正后，洪峰流量的預(yù)報精度有了較大提高，同時洪量的相對誤差也不同程度的減小。

反饋模擬實時校正技術(shù)在實時預(yù)報模型中能有效提高預(yù)報精度，最大限度地利用了預(yù)見期內(nèi)可獲得的各種水文實測信息，物理意義明確。但由于其數(shù)學(xué)理論性不強，所以在使用過程中誤差會不斷累積。預(yù)見期比較短的時候可以取得一定的效果，若預(yù)見期比較長，校正后的精度反而會降低，如12072908號洪水，由于洪水過程中后期上游水庫持續(xù)泄流，導(dǎo)致洪水過程延長。在預(yù)報中，及時分析實測流量的合理性和可靠性可提高校正的精度。這也說明預(yù)報功能取決于模型本身結(jié)構(gòu)，實時校正法是一種輔助提高預(yù)報精度的方法■

（作者單位：1.海委漳衛(wèi)南運河管理局 253000 2.山東省德州市水利局253000）

（專欄編輯：張 婷）