王春青，陳冬伶

（黃河水利委員會水文局，河南鄭州450004）

1 引 言

黃河是我國西北和華北地區(qū)的重要水源［1］。為加強黃河水資源統(tǒng)一管理,有效緩解水資源供需矛盾,1998年國務(wù)院批準(zhǔn)了“黃河可供水量年度分配及干流水量調(diào)度方案”和“黃河水量調(diào)度管理辦法”,授權(quán)黃河水利委員會（以下簡稱黃委)負責(zé)黃河水量統(tǒng)一調(diào)度［2］。1999年3月黃委正式實施黃河水量統(tǒng)一調(diào)度,水量統(tǒng)一調(diào)度的河段是劉家峽水庫以下至河口干流河段,時段為當(dāng)年11月至翌年6月。2006年8月1日《黃河水量調(diào)度條例》頒布實施,黃河水量調(diào)度范圍從干流延伸到渭河、沁河等重要支流,調(diào)度時段由非汛期11月至翌年6月擴展到全年。

徑流預(yù)報是水量調(diào)度的重要依據(jù)。黃河水量統(tǒng)一調(diào)度以前,黃河流域徑流預(yù)報主要為防汛服務(wù)；水量統(tǒng)一調(diào)度以后,原有的面向黃河防汛的徑流預(yù)報系統(tǒng)已不能滿足黃河水資源統(tǒng)一調(diào)度的需要［1］。為此,1999—2001年依托治黃專項“黃河上中游徑流中長期預(yù)報系統(tǒng)（第一期)”,黃委水文局開發(fā)了黃河主要來水站（區(qū))非汛期徑流預(yù)報方案,初步建立了黃河主要來水站（區(qū))非汛期徑流預(yù)報系統(tǒng),該系統(tǒng)可為黃河水量統(tǒng)一調(diào)度提供較為準(zhǔn)確、及時的徑流預(yù)報,為確保1999年以來黃河下游連續(xù)不斷流做出了突出貢獻。2008—2013年依托“黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)（二)期”項目,黃委水文局利用近十幾年資料對原有的黃河主要來水站（區(qū))非汛期徑流預(yù)報模型參數(shù)重新進行率定,修訂和完善了原有的徑流預(yù)報方案,開發(fā)了黃河主要來水站（區(qū))汛期徑流預(yù)報方案及重要支流渭河、沁河非汛期徑流預(yù)報方案,并建立了黃河中長期徑流預(yù)報系統(tǒng)［3］,為更加科學(xué)合理地實施黃河水資源統(tǒng)一調(diào)度提供了重要技術(shù)支撐。

2 黃河徑流預(yù)報的主要內(nèi)容

圍繞黃河水量統(tǒng)一調(diào)度需求,黃河流域中長期徑流預(yù)報主要包括汛期徑流預(yù)報和非汛期徑流預(yù)報,非汛期徑流預(yù)報又分為干流徑流預(yù)報和支流徑流預(yù)報。

非汛期徑流預(yù)報的主要內(nèi)容包括：每年10月中下旬做出黃河上中游主要來水站（區(qū))非汛期徑流總量、逐月平均流量預(yù)報,黃河重要支流非汛期徑流總量、逐月平均流量預(yù)報,同時提供花園口、華縣和武陟站當(dāng)年7月—翌年6月天然徑流總量預(yù)報,作為黃委編制“黃河可供耗水量年度分配及非汛期水量調(diào)度計劃”的依據(jù)；在實時調(diào)度期間,及時做出下月和旬徑流預(yù)報,為編制月和旬水量調(diào)度方案提供依據(jù)。

汛期徑流預(yù)報主要是每月25日做出黃河上中游主要來水站（區(qū))下月平均流量預(yù)報。

黃河上中游主要來水站（區(qū))預(yù)報站點包括：唐乃亥、龍劉區(qū)間（紅旗+折橋)、劉蘭區(qū)間（民和+享堂)、河龍區(qū)間、華縣、河津+頭、黑石關(guān)、武陟。支流徑流預(yù)報主要包括渭河和沁河兩條支流,預(yù)報站點包括渭河的北道、楊家坪、雨落坪和華縣站,沁河的潤城、五龍口和武陟站。

3 徑流預(yù)報方法

3.1 徑流影響因素

3.1.1 降水

降水是河道徑流的直接來源。黃河流域降水量年內(nèi)分配不均,汛期降水量占年降水量的60%～70%,非汛期降水較少,尤其11月—翌年3月降水量不足全年的10%。從唐乃亥以上區(qū)域汛期降水量與唐乃亥站汛期徑流量變化（見圖1)可以看出,徑流量與降水量的變化基本同步,唐乃亥站汛期降雨徑流相關(guān)系數(shù)達0.72。

圖1 唐乃亥以上區(qū)域汛期降水量與唐乃亥站汛期徑流量變化

4—6月,黃河流域降水量逐漸增大,其中蘭州以上降水量占年降水量的32%。4—6月降水量為影響徑流量的不可忽略的因素之一。

3.1.2 前期徑流

11月—翌年3月,黃河流域降水稀少,河川徑流主要由流域蓄水補給,前期徑流能較好地反映地下蓄水量的多少。11月—翌年3月黃河主要來水站（區(qū))各站平均流量與前月下旬流量相關(guān)系數(shù)平均為0.68,最高為0.93,而4—6月前后期徑流的相關(guān)系數(shù)明顯偏低,為0.34～0.67。說明前期徑流是11月—翌年3月徑流的主要影響因素,4—6月徑流除了受前期徑流影響外,還受降水影響。

3.1.3 灌區(qū)耗水

隨著沿黃農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展,黃河流域灌溉面積和引耗水量呈逐年增大的趨勢,農(nóng)業(yè)灌溉耗水量占流域耗水量的90%以上,灌區(qū)引水量已成為影響非汛期徑流的主要因素之一［2,4］。

3.1.4 水庫調(diào)度

隨著黃河流域的治理與開發(fā),黃河上中游地區(qū)修建了不少大中型水利樞紐工程。水庫的運用改變了黃河徑流的天然屬性,對黃河上中游地區(qū)非汛期徑流影響比較明顯,特別是黃河上游龍羊峽、劉家峽水庫建成運用對蘭州站的徑流影響非常顯著。此外,大夏河、洮河、湟水等支流各類大中型水庫的運用同樣對非汛期徑流有不同程度的影響［2,4］。

3.1.5 氣溫

黃河上游唐乃亥以上區(qū)域氣溫對徑流的影響比較明顯。如2019年4月上旬黃河源區(qū)旬平均氣溫較常年偏高0.9～2.5℃；進入4月中旬,氣溫回升更加迅速,旬平均氣溫較常年同期偏高4.0～5.0℃,其中達日氣象站4月中旬平均氣溫為3.4℃,為有資料以來同期最高。受前期降水偏多及氣溫迅速回升影響,4月中旬以來,黃河源區(qū)冰雪消融較快,河道流量迅速增大,唐乃亥水文斷面4月中旬平均流量達500 m3/s,較常年同期偏多。

此外,黃河寧蒙河段由于處于黃河流域最北端,因此每年冬季都要結(jié)冰封河。封河期冰蓋阻水,河道流量減小,河道內(nèi)形成較大的槽蓄水增量；開河期,隨著冰的消融,槽蓄水增量釋放,河道流量逐漸增大。因此,冬季氣溫的變化對寧蒙河段及下游流量影響較大。

3.2 服務(wù)于黃河水量調(diào)度的徑流預(yù)報方法

影響水文過程的因素十分復(fù)雜,既有氣候因素、地形地貌因素,又有人類活動的影響,因此中長期徑流預(yù)報一直是水文學(xué)研究的難點。以經(jīng)典的統(tǒng)計理論為基礎(chǔ),結(jié)合計算機技術(shù),充分考慮徑流影響因子的物理意義,多種統(tǒng)計方法相結(jié)合是現(xiàn)代中長期水文預(yù)報的重要特點。

黃河中長期徑流預(yù)報模型以提高預(yù)報精度為目標(biāo),從每個控制站點水文序列的影響因子和自身演變規(guī)律出發(fā),根據(jù)各站點不同時期、不同影響因素,選擇適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計方法,包括多元回歸分析法、門限回歸分析法、時間序列分析法等,分別建立徑流預(yù)報模型,并對模型的有效性進行合理性檢驗,以建立最優(yōu)預(yù)報模型。

3.2.1 中長期降水預(yù)報方法

降水是汛期徑流的主要影響因素,其時空分布直接影響產(chǎn)流量,同時非汛期4—6月黃河流域降水對徑流的影響程度加大,并居于主導(dǎo)地位。中長期降水預(yù)報是中長期徑流預(yù)報的重要支撐。

（1)長期降水預(yù)報。黃河流域長期降水預(yù)報主要采用天氣、統(tǒng)計和動力相結(jié)合的預(yù)報方法。以影響降水的外強迫信號和降水歷史演變規(guī)律為基礎(chǔ),建立黃河流域長期降水預(yù)測回歸模型,并將預(yù)測結(jié)果同數(shù)值預(yù)報模式的輸出產(chǎn)品進行疊加,得到黃河流域長期降水的趨勢變化預(yù)測。

（2)中期降水預(yù)報。黃河流域中期降水預(yù)報主要采用相似計算和概率預(yù)報相給合的方法。前者基于形勢相似和相關(guān)預(yù)報指標(biāo)相似,從歷史天氣系統(tǒng)庫中查找與當(dāng)前天氣形勢相似的樣本,繼而做出黃河流域中期降水預(yù)報。后者對降雨等級進行分級,統(tǒng)計某一天氣系統(tǒng)所造成的某一級降雨出現(xiàn)的概率。

（3)支流非汛期降水預(yù)報模型。采用前期降水量和大氣環(huán)流指數(shù)作為初選預(yù)報因子,利用多元回歸分析方法建立沁河、涇渭河3—6月各月降水預(yù)報方程。

3.2.2 非汛期徑流預(yù)報方法

（1)黃河上中游主要來水站（區(qū))非汛期徑流預(yù)報模型。在分析降雨徑流變化規(guī)律及影響因素的基礎(chǔ)上,進行預(yù)報因子的篩選和參數(shù)率定,采用多元回歸分析、門限回歸分析和時間序列分析等多種方法,建立黃河上中游主要來水站（區(qū))非汛期徑流預(yù)報方案,包括非汛期徑流總量預(yù)報模型、非汛期月徑流預(yù)報模型和非汛期逐旬、月滾動徑流預(yù)報模型。

預(yù)報因子的挑選是統(tǒng)計模型建模的關(guān)鍵。影響徑流的主要因子包括前期/上游徑流、前期降水、同期降水、氣溫、人類活動耗水、大氣海洋物理量等,通過相關(guān)分析、相關(guān)系數(shù)計算篩選預(yù)報因子,預(yù)報因子的選取以相關(guān)系數(shù)高為原則,預(yù)報效果相同的情況下以預(yù)報因子最少為原則。

黃河流域非汛期徑流變化以退水為主,因此河道前期徑流量是非汛期中長期徑流預(yù)報建模首選因子；隨著氣溫的逐漸升高,在有積雪（冰凍)存在的集水區(qū)域,2—4月的融雪（冰)過程也是影響徑流變化的重要因素；4—6月,黃河流域降水逐漸增多,降水是影響該時段徑流變化的又一重要因素。黃河上游唐乃亥站非汛期徑流預(yù)報模型見表1。

表1 黃河上游唐乃亥站非汛期徑流總量及非汛期逐月徑流量預(yù)報模型

（2)渭河、沁河主要站非汛期月徑流預(yù)報方法。隨著2006年《黃河水量調(diào)度條例》的頒布實施,黃河水量調(diào)度范圍從干流擴展到重要支流,渭河和沁河是較早進行水量統(tǒng)一調(diào)度的支流。黃河支流渭河和沁河徑流具有流量小、變率大的特點,在分析徑流變化特點和主要影響因素的基礎(chǔ)上,建立了渭河和沁河主要站非汛期徑流總量預(yù)報方案、月徑流預(yù)報方案和逐月滾動徑流預(yù)報方案等。

3.2.3 汛期徑流預(yù)報方法

汛期徑流變化受降雨影響強烈,受技術(shù)條件限制,目前很難提供整個汛期各來水區(qū)間降雨的定量預(yù)報,僅靠定性或者降雨趨勢預(yù)報無法估計整個汛期來水狀況。流域降水主要受大氣環(huán)流等因子影響,因此從前期環(huán)流因子中挑選預(yù)報因子,建立黃河上中游主要來水站（區(qū))汛期徑流總量預(yù)估方案。根據(jù)中國氣象局提供的74項環(huán)流指數(shù),采用相關(guān)普查、物理意義分析等方法,遴選預(yù)報意義顯著的環(huán)流因子作為徑流預(yù)估的預(yù)報因子（見表2),利用多元回歸方法建立黃河上中游主要來水站（區(qū))汛期徑流總量預(yù)報模型：

式中：x′1為上一年 7 月南海副高北界（100E～120E)；x′2為上一年9月北半球極渦強度指數(shù)（5區(qū),0～360)；x′3為上一年9月亞洲經(jīng)向環(huán)流指數(shù)（IM,60E～150E)；x′4為1月印度副高北界（65E～95E)；x′5為1月大西洋副高北界（55W～25W)；x′6為 3月北半球極渦面積指數(shù)（5區(qū),0～360)。

徑流總量預(yù)報方案的合格率為73%～94%,平均相對誤差為26%。

表2 入選環(huán)流因子與汛期徑流總量相關(guān)系數(shù)

汛期各站（區(qū))徑流總量及逐月徑流量預(yù)報方案采用多種方案相結(jié)合的方式：一是采用經(jīng)驗、統(tǒng)計相關(guān)等方法建立以前期徑流、區(qū)間降水為主要因子的預(yù)報方案；二是采用天文氣象學(xué)方法,建立以氣象因子為主要因子的預(yù)報方案；三是對于華縣、黑石關(guān)和武陟站汛期徑流總量,建立以上一年度汛期徑流總量為因子的自回歸模型。

3.2.4 天然徑流量預(yù)報方法

天然徑流量指實測河川徑流量的還原水量,一般指實測徑流量加上實測斷面以上的利用水量（扣除回歸部分)。因此,可以根據(jù)實測徑流量預(yù)報和年度用水趨勢來預(yù)測水文斷面年度天然來水情況。此外,天然徑流量變化主要受降水、地貌、植被、土壤等自然因素影響,與大氣環(huán)流的演變和全球氣候背景的變化有一定關(guān)聯(lián),具有周期性和隨機性等特點。因此,采用實測徑流還原方法、時間序列分析及大氣海洋物理因子相關(guān)法相結(jié)合的方式建立天然徑流量預(yù)報模型。

3.3 分布式徑流預(yù)報模型與概率預(yù)報模型

3.3.1 黃河源區(qū)大尺度分布式徑流預(yù)報模型

2004—2006年,黃委水文局依托中荷合作項目“建立基于衛(wèi)星的黃河流域水監(jiān)測和河流預(yù)報系統(tǒng)”［3］,開發(fā)了黃河河源區(qū)徑流預(yù)報系統(tǒng),系統(tǒng)的核心為分布式水文模型。該模型是項目合作方聯(lián)合國教科文組織國際水利學(xué)院（UNESCO-IHE)研制的基于空間分布網(wǎng)格化的大尺度分布式水文模型,采用的網(wǎng)格尺寸為5 km×5 km。模型的輸入為能量與水平衡系統(tǒng)（EWBMS)推演的降雨、融雪、蒸散發(fā)及水文站網(wǎng)觀測的徑流量,也可以用站點預(yù)報降雨及蒸發(fā)處理成網(wǎng)格尺度的“有效降雨”作為模型的輸入,模型可用于黃河源區(qū)唐乃亥等站日徑流過程模擬預(yù)報。

3.3.2 中長期徑流概率預(yù)報模型

2013—2016年,黃委水文局依托“十二五”國家科技支撐計劃項目“黃河流域旱情監(jiān)測與水資源調(diào)配技術(shù)研究與應(yīng)用”,建立了唐乃亥站中長期徑流概率預(yù)報模型,包括非汛期徑流總量、非汛期逐月滾動及汛期徑流總量預(yù)報模型。

隨著預(yù)見期加長,影響中長期水文預(yù)報的因素逐漸增多,其預(yù)報難度及不確定性增大,為了定量研究黃河源區(qū)中長期徑流預(yù)報的不確定性,采用貝葉斯預(yù)報系統(tǒng)（Bayesian Forecasting System,BFS)中的水文不確定性處理器（Hydrologic Uncertainty Processor,HUP),實現(xiàn)唐乃亥站中長期徑流概率預(yù)報。

BFS最早由美國學(xué)者Krzysztofowicz提出,是一種通用的理論框架,能與任意確定性水文預(yù)報模型協(xié)同工作［5］。水文不確定性處理器是BFS的主要組成部分［6］,用來分析除降雨之外的所有其他不確定性。其特點是,不需要直接處理預(yù)報模型的結(jié)構(gòu)與參數(shù),而是從預(yù)報模型預(yù)報結(jié)果入手,分析其與實測水文過程的誤差,再利用貝葉斯公式估計預(yù)報變量的后驗分布,從而實現(xiàn)預(yù)報不確定性分析及概率預(yù)報。

中長期徑流概率預(yù)報以1971年11月—2010年10月共計39 a（其中非汛期為11月—翌年6月,汛期為7—10月)相應(yīng)時段徑流量的確定性預(yù)報結(jié)果作為BFS-HUP概率預(yù)報模型的輸入,進行模型參數(shù)率定；選用驗證期（2010年11月—2013年6月)資料,進行中長期概率預(yù)報檢驗,對置信度90%的區(qū)間預(yù)報結(jié)果進行統(tǒng)計,并給出流量概率分布的期望值預(yù)報結(jié)果（非汛期以實測流量的20%作為定值預(yù)報的許可誤差,汛期以實測值序列最大變幅的20%作為定值預(yù)報的許可誤差)。唐乃亥站率定期非汛期徑流總量概率預(yù)報置信度為90%的預(yù)報區(qū)間覆蓋率在84%以上（見圖2)。

圖2 唐乃亥站11月—翌年6月徑流總量概率預(yù)報過程線

4 黃河流域中長期徑流預(yù)報系統(tǒng)

黃河流域中長期徑流預(yù)報系統(tǒng)是黃委水文局目前服務(wù)于黃河水量調(diào)度的主要業(yè)務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括干流長期徑流預(yù)報、干流中期徑流預(yù)報、重點支流徑流預(yù)報、桃汛水量預(yù)報和資料管理5個核心模塊,下設(shè)二級子模塊,用于實現(xiàn)不同類型的預(yù)報功能、數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計功能。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)見圖3。為滿足徑流預(yù)報業(yè)務(wù)需求,系統(tǒng)具有降水徑流資料查詢處理、徑流預(yù)報制作、徑流預(yù)報結(jié)果顯示和保存打印功能。此外,還有流域站點簡介等輔助功能。

5 近幾年徑流預(yù)報在黃河水量調(diào)度中的應(yīng)用

黃河流域中長期徑流預(yù)報緊密結(jié)合全河水量統(tǒng)一調(diào)度需求,在1999—2018年20 a的水量調(diào)度中,提供了準(zhǔn)確的年度水量預(yù)報和旬月徑流預(yù)報,為黃河水量統(tǒng)一管理調(diào)度提供了重要依據(jù),對緩解水資源供需矛盾,確保黃河下游連續(xù)20 a不斷流具有重要意義,為維護黃河健康生命提供了有力的技術(shù)支撐,取得了明顯的社會和經(jīng)濟效益。

1999—2018年每年10月中下旬發(fā)布的花園口站年度天然徑流總量預(yù)報平均誤差為3.7%,最小預(yù)報誤差為0.6%。1999—2018年歷年花園口站年度天然徑流量預(yù)報與實況對比見圖4。

圖3 黃河流域中長期徑流預(yù)報系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖4 1999—2018年歷年花園口站年度天然徑流量預(yù)報與實況對比

2002—2003年度黃河遭遇有史以來最嚴重旱情,花園口年度天然來水量僅282億m3,為歷史最少。黃委水文局在2002年11月準(zhǔn)確預(yù)報了2003年1—6月黃河流域來水量為1950年以來最少,比多年同期均值偏少51%,水庫可調(diào)節(jié)水量只有35億m3,黃河水量調(diào)度面臨著自1999年實施全河水量調(diào)度以來最為嚴峻的考驗。根據(jù)《中華人民共和國水法》第四十五條規(guī)定,黃委在征求沿黃?。▍^(qū))水利、電力部門意見的基礎(chǔ)上,編制完成了《2003年旱情緊急情況下黃河水量調(diào)度預(yù)案》并上報水利部。水利部在報國務(wù)院同意后以水汛［2003］138號文印發(fā)實施。該預(yù)案為新《水法》施行以來全國第一個由流域機構(gòu)編制的旱情緊急調(diào)度預(yù)案。水文預(yù)報為該預(yù)案的編制和審批提供了技術(shù)支撐和決策依據(jù)。在黃河水量緊急調(diào)度期中,黃委水文局及時提供調(diào)度期內(nèi)中長期徑流預(yù)報,預(yù)報精度較高,為緊急調(diào)度預(yù)案的成功實施提供了保障。

6 結(jié) 語

徑流預(yù)報是黃河水量調(diào)度的重要依據(jù)。隨著黃河水資源管理、調(diào)度工作的不斷深入,對徑流預(yù)報工作的要求將不斷提高,預(yù)報項目和時段增加,預(yù)見期延長,同時要求更高的預(yù)報精度。為適應(yīng)黃河水量調(diào)度新形勢,徑流預(yù)報服務(wù)的能力與水平應(yīng)不斷提升,應(yīng)該從以下幾個方面進一步努力：

（1)加強部門間的協(xié)作,擴大預(yù)報和服務(wù)領(lǐng)域,構(gòu)建新的徑流預(yù)報模式。黃河水文情勢受人類活動影響非常強烈,其徑流預(yù)報在很大程度上不僅依賴技術(shù)的發(fā)展,而且需要通過對人類活動影響的分析和模擬來解決,這個過程非常復(fù)雜和難以把握。因此,需要建立一種新的徑流預(yù)報模式,即預(yù)報與調(diào)度部門之間多層次、全方位、交互式的信息交流與反饋。徑流預(yù)報輸入的信息除了常規(guī)的水文氣象信息,還要有流域引退水、管理部門的水利工程水量調(diào)度指令及實際執(zhí)行情況等各種人類活動影響資料；預(yù)報部門除了提供常規(guī)的徑流預(yù)報,還應(yīng)該對特定條件下可能出現(xiàn)的徑流形勢進行分析預(yù)估,并通過信息交互及時對預(yù)報項目進行實時修正,實現(xiàn)滾動預(yù)報。這要求各部門之間建立良好的溝通渠道,及時交流、反饋各自的信息,以滿足調(diào)度與預(yù)報的需求。

（2)加強基礎(chǔ)研究。20 a來預(yù)報部門雖然努力進行了一些基礎(chǔ)研究,但是受多方面因素影響,研究尚不夠深入,很多問題尚待解決,因此必須加強基礎(chǔ)研究,使黃河流域徑流預(yù)報工作不斷改進和完善。

（3)關(guān)鍵技術(shù)和薄弱環(huán)節(jié)的研究。降雨預(yù)報是影

響徑流預(yù)報的關(guān)鍵因子,尤其對于汛期,降雨預(yù)報精度與預(yù)見期直接影響徑流預(yù)報的水平。目前中長期降雨預(yù)報在預(yù)報區(qū)域和預(yù)報時段上仍不能滿足徑流預(yù)報的需求,必須在原有基礎(chǔ)上進一步研究,研制黃河流域各分區(qū)汛期、非汛期中長期降水預(yù)報方法,使之能夠為中長期徑流預(yù)報提供更好的支撐。