王冉旋

摘 ? 要：水文預(yù)報對于水電企業(yè)來說是做好水庫調(diào)度工作的關(guān)鍵，是進(jìn)行水調(diào)決策的重要依據(jù)，高精度的水文預(yù)報對于梯級水電站優(yōu)化調(diào)度顯得尤為重要。新疆YLKSH流域處于高寒地區(qū)，洪水分為消融型洪水和消融與暴雨疊加的混合型洪水，傳統(tǒng)的水文預(yù)報方法已經(jīng)不能滿足目前流域梯級電站智慧調(diào)度的要求，在此背景下開展基于高精度氣象數(shù)值預(yù)報的融雪徑流預(yù)報技術(shù)的研究迫在眉睫，針對KSH流域特性和需求，擬定研究內(nèi)容包括資料收集整理、技術(shù)方案研制、預(yù)報方案編制和預(yù)報系統(tǒng)研制四大部分。

關(guān)鍵詞：氣象數(shù)值 ?高精度 ?融雪徑流 ?預(yù)報技術(shù)

中圖分類號：P333.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）11（b）-0021-02

1 ?資料收集整理

1.1 資料收集

融雪徑流預(yù)報除所有水文預(yù)報必需的水雨情資料外，還需要氣溫、降雨等氣象和積雪信息。KSH流域融雪徑流預(yù)報資料內(nèi)容收集、整理概況為四類。

（1）水雨情信息。

流域測站、傳播時間等的描述性信息，和與預(yù)報時段等時長的降水、水位、流量信息。

（2）氣候、氣象信息。

與水雨情資料時間匹配的流域內(nèi)各站點氣溫資料，時段長與實時預(yù)報時段相同;與水雨情資料時間匹配的蒸發(fā)資料，時段長可為日。

（3）積雪信息。

與水雨情資料時間匹配的流域內(nèi)積雪覆蓋面積、深度、密度信息，資料以日為時長。積雪覆蓋面積通常為≤ 500m 的網(wǎng)格信息;深度、密度可為氣象觀測站點信息或更精細(xì)的網(wǎng)格信息。

（4）地形、地貌信息。

在流域水文模擬研究中充分考慮地形因素，可以從物理成因機制上更深入地研究水文規(guī)律。地貌、土壤信息對流域產(chǎn)流、土壤蓄水、蒸發(fā)等眾多水文過程有重要影響，地表覆蓋、土壤信息也是資料收集整理的重要信息。

1.2 資料整理

資料整理內(nèi)容為將上述資料規(guī)范化整理為同一時間序列內(nèi)，與實時預(yù)報同時段類型的數(shù)據(jù)資料，其中包括數(shù)據(jù)插補、時段處理、插值、錯誤判別處理等工作。

地形信息需借助 GIS 相關(guān)軟件自動計算各網(wǎng)格的水流方向、集水面積，生成水系單元等，并提取流域的邊界、等高線等信息。

土地利用類型信息需提取出各網(wǎng)格的土地覆蓋類型，如森林、草地、農(nóng)田等。

土壤類型信息需提取各網(wǎng)格的土壤類型信息，如薄層土、粗骨土、沙丘等。

2 ?技術(shù)方案研制

KSH流域水源主要是河源區(qū)融冰雪水，以及夏季降雨，河道呈現(xiàn)上游相對較陡、中游相對較緩、下游出口次之，整體自然落差大，水流湍急，匯流時間相對短促，各梯級電站間距小，依據(jù)KSH流域洪水特性、洪水傳播時間分析，可將流域劃分為3個預(yù)報斷面，平均預(yù)見期約為15、23、34 h，由此可見通常以日為時段的預(yù)報難以滿足上游電站的預(yù)報需求，因此在資料條件許可的情況下擬采用3h與日預(yù)報兩種方式，并將不同時段的預(yù)報相結(jié)合，層層設(shè)防，逐步校正，提高預(yù)報的精度。主要研究技術(shù)包括：

（1）數(shù)字流域信息提取處理技術(shù)。

依據(jù)地形信息提取流域的邊界、河長、等高線等，同時依據(jù)地貌信息提取流域的植被、土壤等信息;所有數(shù)字流域信息需與水文預(yù)報單元進(jìn)行匹配，以滿足水文預(yù)報需求。

（2）積雪信息提取處理技術(shù)。

積雪覆蓋面積、深度是融雪徑流計算的重要基礎(chǔ)信息，信息的準(zhǔn)確度和時空分辨率是影響融雪預(yù)報精度的重要因素。氣象部門通常有當(dāng)?shù)剌^為精細(xì)的積雪覆蓋信息，美國地球觀測系統(tǒng)的 MODIS 數(shù)據(jù)可作為積雪信息的一種補充?；诳色@取的積雪覆蓋面積、深度、密度的時間、空間尺度進(jìn)行數(shù)字化處理，并與水文預(yù)報模型匹配銜接。

（3）數(shù)值天氣預(yù)報信息提取處理技術(shù)。

通過氣象數(shù)值預(yù)報，與洪水預(yù)報模型耦合進(jìn)行實時洪水預(yù)報，可以延長洪水預(yù)報的預(yù)見期，提高預(yù)報精度。

（4）融雪徑流模型技術(shù)。

目前通用的融雪徑流模型多為 SRM 模型和新安江改進(jìn)融雪型模型，模型結(jié)構(gòu)中無融雪深度、密度的計算處理，且當(dāng)前融雪徑流模型多以日為預(yù)報時長。

（5）模型參數(shù)校正技術(shù)。

任何預(yù)報都是存在誤差的，在實時預(yù)報中盡量減小誤差是預(yù)報的重要環(huán)節(jié)，它可以減小因預(yù)報模型誤差導(dǎo)致的誤差累積，從而保證預(yù)報精度。

3 ?預(yù)報方案編制

預(yù)報方案是指根據(jù)預(yù)報任務(wù)，及時收集降雨、蒸發(fā)、水位、溫度、流量、積雪及流域特性等有關(guān)資料，根據(jù)洪水的形成規(guī)律和特點，選擇適當(dāng)預(yù)報模型和根據(jù)站點，建立由當(dāng)前采集的水文信息推算未來洪水大小和出現(xiàn)時間的一整套計算方法。

預(yù)報方案編制是水文預(yù)報系統(tǒng)研究的重要環(huán)節(jié)，好的預(yù)報方案應(yīng)充分考慮當(dāng)前流域特性，利用一切可以獲取的數(shù)據(jù)源為系統(tǒng)提供高精度、長預(yù)見期的預(yù)報方案，滿足現(xiàn)場預(yù)報需求，并應(yīng)具備在實時數(shù)據(jù)獲取和資料積累的基礎(chǔ)上提高預(yù)報精度和增長有效預(yù)見期的功能。預(yù)報方案編制從業(yè)務(wù)內(nèi)容上可將其劃分為資料整理復(fù)核、預(yù)報方案定制、預(yù)報方案評定檢驗三個階段，包含業(yè)務(wù)工作的全部內(nèi)容。

4 ?預(yù)報系統(tǒng)研制

水文預(yù)報運行軟件需要以實際需求為導(dǎo)向，滿足輸入、輸出的開放性，設(shè)計為界面友好，操作靈活、方便，圖表簡潔、美觀的實用型系統(tǒng)，力求滿足預(yù)報的實時性、精度和預(yù)見期。

融雪徑流預(yù)報涉及到多種類型數(shù)據(jù)的實時獲取，獲取的數(shù)據(jù)類型、格式多樣，因此除水文預(yù)報運行軟件外還需研制開發(fā)不同類型數(shù)據(jù)的自動定時獲取處理軟件，如數(shù)值天氣預(yù)報和積雪覆蓋數(shù)據(jù)自動定時下載處理模塊、水文預(yù)報軟件可自動讀取實時遙測的水雨情、氣溫數(shù)據(jù)等。

5 ?技術(shù)難點和創(chuàng)新點

（1）精細(xì)時間尺度的融雪徑流預(yù)報。

從KSH流域洪水特性和預(yù)報斷面需求分析，因預(yù)見期限制，以日為時段的融雪徑流預(yù)報難以反映上游電站實際洪水過程，因此需要根據(jù)可獲取資料條件研發(fā)適宜流域預(yù)見期的更精細(xì)化的預(yù)報模型，如何在有限資料條件下開展 3h和日預(yù)報是項目研究的一個難點。

（2）結(jié)合雪深的改進(jìn)型融雪徑流模型。

當(dāng)前的融雪徑流模型均基于氣溫和積雪覆蓋面積進(jìn)行融雪徑流計算，未考慮積雪深度，如何在原模型的基礎(chǔ)上完成改造，增加雪深對融雪徑流的作用，達(dá)到較好的預(yù)報效果是一個創(chuàng)新點。

（3）積雪信息時空尺度匹配和數(shù)據(jù)校正。

MODIS 獲取的積雪覆蓋信息有兩種時段：1日和8日。1日積雪產(chǎn)品中包含了大量受云覆蓋影響的圖像，因云的遮蔽，使積雪面積減小，8日積雪數(shù)據(jù)則相對準(zhǔn)確，通常采用 8 日數(shù)據(jù)，1日數(shù)據(jù)作為參考。但8日時間尺度與 3h、日的水文預(yù)報時間尺度差別較大，需著重研究如何利用各類地形、地貌、水文、氣象信息降低時間尺度，使得積雪信息與水文預(yù)報時間尺度匹配并校正以減小誤差。

（4）不同時段預(yù)報方案的結(jié)合。

位于KSH流域中游河段的JY水電站為不完全多年調(diào)節(jié)電站，中長期徑流預(yù)報對于該電站的指導(dǎo)意義比較重要，在模型中增加中長期氣象數(shù)值預(yù)報與水文預(yù)報的耦合，隨著氣象數(shù)值預(yù)報技術(shù)的發(fā)展，中長期水文預(yù)報精度將大幅提高。中長期、日和3h 為三種預(yù)報方案，模型的參數(shù)、方案配置均不同，結(jié)果也必定存在差別，如何將三種方案結(jié)合是研究的重點。

（5）實時校正參數(shù)模型研制。

通過目前大數(shù)據(jù)云計算技術(shù)，利用歷次預(yù)報結(jié)果與實際數(shù)據(jù)對比，自動分析偏差原因，對預(yù)報模型的參數(shù)、狀態(tài)變量、輸入向量或預(yù)報值進(jìn)行某種修正，以達(dá)到實時自動校正的目的。

6 ?結(jié)語

本文主要根據(jù)融雪徑流模型的研究現(xiàn)狀，結(jié)合KSH流域特性，在水文預(yù)報模型方面進(jìn)行的創(chuàng)新性的研究和探索，對于高寒地區(qū)的融雪徑流預(yù)報研究有很好的指導(dǎo)和借鑒意義。

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