摘 要：隨著全球氣候變化和人類活動的不斷加劇，水文水資源的預(yù)報預(yù)測預(yù)警成為水資源管理和災(zāi)害防治的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。概述了多尺度水文水資源預(yù)報預(yù)測預(yù)警體系的必要性，詳細介紹了該體系的構(gòu)建理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)和方法。在此基礎(chǔ)上，探討了該體系在洪水預(yù)報、干旱監(jiān)測、生態(tài)保護等領(lǐng)域的具體應(yīng)用，為我國水文水資源科學(xué)管理和防災(zāi)減災(zāi)能力現(xiàn)代化提供參考。

關(guān)鍵詞：多尺度；水文水資源；預(yù)測預(yù)警體系

中圖分類號：P338 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）07–0-03

在全球氣候變化和人類活動的影響下，水文水資源的時空分布發(fā)生了顯著變化。而水資源的合理管理和利用是全球可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。由于水資源系統(tǒng)的復(fù)雜性和多變性，傳統(tǒng)的單尺度水文預(yù)測方法已難以滿足現(xiàn)代社會對水資源管理的高精度和全面性要求。因此，構(gòu)建一個多尺度信息的水文水資源預(yù)報預(yù)測預(yù)警體系顯得尤為重要[1]。通過將多種分辨率的數(shù)據(jù)信息、先進的預(yù)測模型與實時監(jiān)控預(yù)警機制相結(jié)合，以滿足不同層次、不同區(qū)域?qū)λY源預(yù)報精度和時效性的多元化需求。在提高我國水文水資源管理水平的同時，提高其在復(fù)雜環(huán)境條件下的決策支持能力和風險防控水平[2]。

1 多尺度水文水資源預(yù)報預(yù)測預(yù)警體系構(gòu)建的必要性

地表水文過程在不同空間尺度上具有顯著的復(fù)雜性和異質(zhì)性，如流域、河段、城市區(qū)域等。單一尺度模型往往無法全面反映這種差異，而多尺度預(yù)報體系能夠捕捉從微觀到宏觀的不同特征，從而提供更為精細和準確的預(yù)報結(jié)果；水文現(xiàn)象的時間尺度廣泛，包括短時降雨、小時至幾天的徑流響應(yīng)，以及長期的氣候趨勢變化。多尺度預(yù)報體系能夠結(jié)合短期、中期及長期預(yù)報模型，滿足不同決策階段對信息時效性的需求；對于洪水、干旱等極端水文事件，需要在多個時間和空間尺度上進行綜合分析和預(yù)警，以便提前發(fā)現(xiàn)風險，及時采取措施，有效減少災(zāi)害損失；在水資源管理中，無論是水資源供需平衡分析，還是跨區(qū)域調(diào)水、水庫蓄泄決策等，都需要依據(jù)不同尺度下的水文水資源狀況進行科學(xué)、合理的調(diào)配[3]。多尺度預(yù)報體系可為管理者提供不同層次的決策支持信息；國家和地方層面的水資源政策制定、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃、公共服務(wù)和社會經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略都離不開精準的水文水資源預(yù)報數(shù)據(jù)。

2 多尺度水文水資源預(yù)報預(yù)測預(yù)警體系構(gòu)建的理論基礎(chǔ)

在水文學(xué)中，多尺度主要體現(xiàn)在空間尺度和時間尺度2個維度。

空間尺度包括微觀尺度、中觀尺度和大尺度。其中，微觀尺度，關(guān)注于小流域或局部區(qū)域的水文循環(huán)，如土壤水分運動等；中觀尺度，研究較大流域內(nèi)的水文過程及其相互作用，涉及地形地貌、水資源分布等問題；大尺度，探討跨地區(qū)甚至全球范圍內(nèi)的水文循環(huán)、氣候變化影響下的水資源演變規(guī)律。

時間尺度包括短期尺度、中長期尺度和長期尺度。其中，短期尺度，包括小時、日、周等時段的降雨預(yù)測、洪水預(yù)警等實時預(yù)報，通常用于防洪減災(zāi)和水資源調(diào)度管理；中長期尺度，覆蓋季節(jié)至數(shù)年的時間段，主要應(yīng)用于干旱監(jiān)測、水資源供需分析、水庫運行策略等方面；長期尺度，研究數(shù)十年乃至百年以上的水文周期和趨勢變化，對于評估氣候變化背景下水資源的可持續(xù)性和適應(yīng)性至關(guān)重要。

多尺度分析方法有助于揭示水文現(xiàn)象的內(nèi)在復(fù)雜性和非線性特性，從而提升預(yù)報預(yù)警的準確性，為水資源管理和災(zāi)害防御提供有力支撐[4]。

3 預(yù)測預(yù)警體系構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)和方法

3.1 數(shù)據(jù)同化技術(shù)

數(shù)據(jù)同化技術(shù)利用統(tǒng)計學(xué)和優(yōu)化理論，通過建立數(shù)學(xué)模型描述觀測數(shù)據(jù)與模型狀態(tài)之間的關(guān)系，并對模型內(nèi)部狀態(tài)進行更新或校正，使得模型輸出更貼近實際狀態(tài)。數(shù)據(jù)同化過程包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、同化算法、狀態(tài)更新和動態(tài)循環(huán)。數(shù)據(jù)預(yù)處理：需要收集不同來源（如氣象站、遙感衛(wèi)星、地面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)等）的數(shù)據(jù)，并對其進行質(zhì)量控制、時空匹配及格式轉(zhuǎn)換；同化算法：應(yīng)用數(shù)據(jù)同化算法（如擴展卡爾曼濾波、集合卡爾曼濾波、四維變分法等），將觀測數(shù)據(jù)的信息融入模型預(yù)報，從而修正模型的參數(shù)或狀態(tài)變量；狀態(tài)更新：根據(jù)同化算法計算出的狀態(tài)估計值，更新模型中的土壤濕度、地下水位、徑流等關(guān)鍵水文狀態(tài)參數(shù)，形成更準確的流域水文狀況模擬；動態(tài)循環(huán)：隨著新的觀測數(shù)據(jù)不斷輸入，數(shù)據(jù)同化過程是一個持續(xù)的動態(tài)循環(huán)過程，每次迭代都試圖進一步縮小模型預(yù)測與實際情況的差距[5]。

3.2 遙感與GIS技術(shù)

遙感衛(wèi)星能夠提供大面積的地表覆蓋信息，包括降水分布、地表溫度、植被狀況、土壤濕度、冰川雪蓋變化等重要參數(shù)，這些參數(shù)對理解和模擬水循環(huán)過程至關(guān)重要。通過連續(xù)觀測，可以實時追蹤降雨、蒸發(fā)、徑流等水文變量的變化，這對于短期和突發(fā)性水文事件（如洪水、干旱）的預(yù)報預(yù)警尤其重要。

GIS系統(tǒng)能夠?qū)臻g化的水文數(shù)據(jù)進行高效管理和綜合分析，如流域劃分、地形地貌特征提取、土地利用分類等，這些都是構(gòu)建精細化水文模型的基礎(chǔ)。GIS的圖形化功能可以直觀展示水文要素的空間分布和時間演變，有利于決策者快速理解并提出應(yīng)對措施。結(jié)合時間和空間維度，GIS可用于建立動態(tài)時空模型，用于模擬不同季節(jié)、不同氣候條件下的水文過程，支持多尺度預(yù)報。

3.3 高性能計算與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

高性能計算通過超級計算機或集群系統(tǒng)提供強大的運算能力，能夠支持分布式水文模型的并行計算，快速模擬復(fù)雜的水循環(huán)過程。尤其是對多尺度、高分辨率的流域模擬，以及長時間序列的氣候變化情景預(yù)測等，需要處理大量計算密集型任務(wù)時，高性能計算技術(shù)是必不可少的。借助高性能計算，可以加快水文模型的計算速度，從而更迅速生成預(yù)警信息，為災(zāi)害防范、水資源調(diào)度等決策提供數(shù)據(jù)支持。

大數(shù)據(jù)分析技術(shù)被用于收集、整理和挖掘不同來源、不同類型（如氣象、遙感、監(jiān)測站數(shù)據(jù)等）的水文相關(guān)大數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗、標準化、融合后，為構(gòu)建準確且精細的水文模型提供了豐富而全面的數(shù)據(jù)支撐。應(yīng)用機器學(xué)習(xí)和人工智能算法對大數(shù)據(jù)進行深度分析，識別水文規(guī)律、趨勢和極端事件的潛在觸發(fā)條件，調(diào)整水文模型參數(shù)，并提高預(yù)報模型的精度和可靠性[6]。

3.4 極端事件分析方法

峰值超越法，基于極端事件的定義，通過確定一個閾值，收集并分析超過該閾值的所有觀測數(shù)據(jù)，進而估算極值分布和重現(xiàn)期；廣義極值分布，是一種常用的統(tǒng)計模型，用于描述極端事件的最大或最小值的概率分布特性，可以用于估計未來可能發(fā)生的極端水文事件的概率。運用ARIMA、狀態(tài)空間模型等時序分析方法，對歷史水文數(shù)據(jù)進行趨勢和周期性分析，以確定適應(yīng)不同氣候條件下的動態(tài)閾值，及時捕捉極端事件的發(fā)生[7]。通過構(gòu)建考慮地形地貌、土壤類型、植被覆蓋等因素影響的分布式水文模型，模擬極端降水如何轉(zhuǎn)化為徑流過程，預(yù)測可能出現(xiàn)的極端洪水事件。開發(fā)適用于實時數(shù)據(jù)流的復(fù)雜系統(tǒng)監(jiān)測算法，如自回歸滑動窗口、奇異值分解等，以快速識別可能導(dǎo)致極端事件的前期征兆，提前發(fā)出預(yù)警。

4 預(yù)測預(yù)警體系構(gòu)建

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)架構(gòu)通常包括多個層次和模塊。（1）數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理層，通過各種傳感器、遙感衛(wèi)星、氣象站等設(shè)備實時收集各種基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)，并對原始數(shù)據(jù)進行清洗、去噪、填補缺失值等預(yù)處理工作。（2）模型計算與分析層，基于GIS平臺構(gòu)建分布式水文模型，模擬不同地理單元上的水循環(huán)過程，結(jié)合氣象模式，模擬大氣降水如何轉(zhuǎn)化為地表徑流及地下水補給的過程，運用統(tǒng)計學(xué)方法和機器學(xué)習(xí)算法，分析極端事件特征和重復(fù)出現(xiàn)規(guī)律。（3）預(yù)報預(yù)測層，基于實時觀測數(shù)據(jù)和短臨氣候預(yù)報信息，進行未來數(shù)小時至數(shù)日內(nèi)的洪水、干旱等水文過程預(yù)報。利用氣候模式輸出結(jié)果驅(qū)動水文模型，進行月、季乃至年際的水資源供需平衡和水情趨勢預(yù)測。（4）預(yù)警決策支持層，根據(jù)預(yù)報結(jié)果進行風險等級劃分，評估災(zāi)害可能造成的損失和社會影響。建立分級預(yù)警機制，根據(jù)風險程度及時發(fā)布預(yù)警信號，并通過短信、App、廣播等渠道向相關(guān)部門和社會公眾傳達，集成應(yīng)急措施與預(yù)案，當預(yù)警發(fā)出時能迅速啟動并指導(dǎo)實際操作。

4.2 數(shù)據(jù)采集與處理流程

數(shù)據(jù)采集，從國家氣象部門、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)等渠道獲取實時及歷史的各種氣象參數(shù)，收集各水文站點的實時觀測數(shù)據(jù)。收集包括地形地貌、土地利用類型、植被覆蓋度、土壤類型等GIS數(shù)據(jù)，用于構(gòu)建分布式水文模型；數(shù)據(jù)預(yù)處理，檢查原始數(shù)據(jù)，剔除異常值或錯誤記錄，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。將不同來源、不同時段的數(shù)據(jù)整合到統(tǒng)一的空間和時間坐標系中，通過內(nèi)插方法填補空白區(qū)域或缺失時段的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)集成與同化，綜合分析各種來源的水文、氣象、地理和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，形成多維度、多層次的數(shù)據(jù)集。應(yīng)用卡爾曼濾波、四維變分法等數(shù)據(jù)同化技術(shù)，將實時觀測數(shù)據(jù)與模型模擬結(jié)果相結(jié)合，校正模型狀態(tài)，提高預(yù)報精度；數(shù)據(jù)存儲與管理，建立結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全存儲、高效檢索及更新維護。記錄每個數(shù)據(jù)集的來源、格式、時間范圍、精度等相關(guān)元信息，便于后期數(shù)據(jù)分析和解釋。

4.3 預(yù)警機制設(shè)計與實施

根據(jù)歷史水文數(shù)據(jù)、災(zāi)害損失情況及社會經(jīng)濟影響等因素，為不同類型的水文事件確定科學(xué)、合理的預(yù)警閾值。預(yù)警閾值可能根據(jù)空間尺度和時間尺度的不同而變化，如對于流域內(nèi)不同的地理位置和季節(jié)性特征，需要設(shè)置不同的預(yù)警級別；設(shè)計由低到高不同級別的預(yù)警信號，分別對應(yīng)不同等級的風險程度和緊急響應(yīng)要求。每個預(yù)警級別應(yīng)明確對應(yīng)的水文指標和發(fā)生概率；建立健全預(yù)警信息生成、審核、發(fā)布和反饋機制，確保預(yù)警信息的及時、準確和有效傳播。應(yīng)用現(xiàn)代通信技術(shù)（如短信、App、網(wǎng)絡(luò)平臺等）將預(yù)警信息快速傳遞給相關(guān)部門、決策者和社會公眾；對照預(yù)警級別，預(yù)先制訂詳細的應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，包括人員疏散、物資調(diào)配、工程調(diào)度、生態(tài)修復(fù)等措施；在預(yù)警信息發(fā)布后，繼續(xù)通過實時監(jiān)測系統(tǒng)對水文狀況進行追蹤，評估預(yù)警效果，并根據(jù)實際情況適時調(diào)整預(yù)警級別或解除預(yù)警。

5 預(yù)測預(yù)警體系的應(yīng)用

5.1 洪水預(yù)報

應(yīng)用地面雨量計、氣象雷達、衛(wèi)星遙感等技術(shù)實時監(jiān)測降雨情況。通過流量監(jiān)測站和水位計等設(shè)備收集河流、湖泊和水庫的水位及流速數(shù)據(jù)；將收集到的降水數(shù)據(jù)輸入洪水模型，如流域水文模型，進行洪水模擬。模型模擬可以提供河流流量、洪水演進和可能泛濫區(qū)域的預(yù)測信息；根據(jù)模型預(yù)測結(jié)果和設(shè)定的預(yù)警閾值，及時發(fā)布洪水預(yù)警信息[8]。預(yù)警信息包括可能受影響的區(qū)域、預(yù)計洪水到達時間、洪水深度和建議的疏散路線等；結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）進行洪水風險評估，分析不同區(qū)域的洪水脆弱性和潛在影響。評估結(jié)果有助于決策者優(yōu)化資源分配，制訂緊急應(yīng)對措施；根據(jù)洪水預(yù)報和風險評估結(jié)果，實施應(yīng)急響應(yīng)措施，例如啟動應(yīng)急響應(yīng)、疏散低洼地區(qū)居民、關(guān)閉重要設(shè)施等。對水庫、河堤等水利工程進行調(diào)度，例如提前泄洪、加固堤防等，以減輕洪水可能造成的影響；洪水事件發(fā)生后，持續(xù)跟蹤洪水發(fā)展情況，更新預(yù)報和預(yù)警信息。進行災(zāi)后評估，分析洪水造成的影響，為未來的防洪減災(zāi)工作提供經(jīng)驗。

5.2 干旱監(jiān)測

采用降水、蒸發(fā)、土壤濕度、地下水位、河流流量等水文氣象指標構(gòu)建干旱指數(shù)（如SPI、PDSI等），反映干旱的強度、持續(xù)時間和范圍。結(jié)合遙感技術(shù)監(jiān)測地表植被狀態(tài)、土壤濕度變化，以及湖泊、水庫等水體面積變化，間接推斷干旱的發(fā)展程度；利用GIS地理信息系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)干旱信息的空間可視化，揭示干旱演變的空間分布特征及其動態(tài)遷移過程。針對不同時間尺度，分析歷史干旱事件的發(fā)生規(guī)律，預(yù)測未來可能出現(xiàn)的干旱發(fā)展趨勢；應(yīng)用分布式水文模型、生態(tài)水文模型等工具，模擬干旱條件下水量平衡、蒸散發(fā)過程和生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)，提高干旱預(yù)測的精度[9]。將氣候模式輸出與水文模型相結(jié)合，研究氣候變化背景下的極端干旱事件，并進行中長期干旱預(yù)測。構(gòu)建集監(jiān)測、預(yù)警、評估和決策于一體的干旱監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)，為各級政府部門提供科學(xué)的抗旱減災(zāi)決策依據(jù)。實現(xiàn)與水利、農(nóng)業(yè)、氣象等部門的信息共享和聯(lián)動機制，提升干旱應(yīng)對的協(xié)同性和有效性。

5.3 生態(tài)保護領(lǐng)域

利用多尺度模型預(yù)測不同季節(jié)、不同氣候條件下的徑流變化，科學(xué)計算河流的最小生態(tài)流量需求，確保在滿足人類用水和防洪要求的同時，保證生態(tài)系統(tǒng)對水流的需求。對于濕地保護區(qū)、魚類洄游通道等重要生態(tài)區(qū)域，通過精細化的水文模擬，提前制訂合理的水量調(diào)度方案，維持水生生物多樣性及生態(tài)環(huán)境健康；預(yù)測并預(yù)警水源地或流域內(nèi)的潛在污染事件，如通過實時監(jiān)測降雨量、地下水位及污染物濃度的變化，及時采取措施防止污染物擴散，保護飲用水源安全。分析不同土地利用類型和人類活動對水質(zhì)的影響，為水資源保護規(guī)劃提供決策支持。結(jié)合全球氣候模式和水文模型，預(yù)測未來氣候變化下水資源供需形勢，為生態(tài)保護提供長期戰(zhàn)略規(guī)劃依據(jù)；以多尺度水文模型為核心，建立覆蓋整個流域的生態(tài)水文信息平臺，集成環(huán)境、社會、經(jīng)濟等數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)跨部門、跨領(lǐng)域的協(xié)同管理和決策[10]。

6 結(jié)束語

通過多尺度水文水資源預(yù)報預(yù)測預(yù)警體系的構(gòu)建和應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對水文水資源的全面、精準和及時監(jiān)測、預(yù)報和預(yù)警。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和應(yīng)用，多尺度水文水資源預(yù)報預(yù)測預(yù)警體系將迎來更多的發(fā)展機遇。通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和體系優(yōu)化，可以進一步提高預(yù)報預(yù)測的精度和時效性，為水資源管理、防洪減災(zāi)和生態(tài)保護等領(lǐng)域提供更加全面、精準和高效的技術(shù)支持。

參考文獻

[1] 施韶暉，黃文成.水文水資源勘測中遙感技術(shù)的應(yīng)用分析[J].冶金管理，2022（21）：81-83.

[2] 白央.水文水資源工作中遙感技術(shù)的應(yīng)用分析[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2018，38（22）：85.

[3] 王銘.我國水文水資源領(lǐng)域技術(shù)需求分析及推廣應(yīng)用[J].河南科技，2018（13）：79-80.

[4] 談兵.水文水資源領(lǐng)域技術(shù)需求分析及推廣應(yīng)用[J].河南水利與南水北調(diào)，2016（2）：29-30.

[5] 余鐘波，楊傳國.多尺度水文水資源預(yù)報預(yù)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究[J].中國環(huán)境管理，2018，10（1）：103-104.

[6] 孔德譽，羅賢昌，梁鵬程，等.多尺度水文水資源預(yù)報預(yù)測預(yù)警體系建構(gòu)和應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（30）：138-140.

[7] 鄭萌，張志雄.清水河流域水文預(yù)報與水資源優(yōu)化管理技術(shù)探究[J].綠色科技，2020（16）：160-161.

[8] 吳云峰.水文預(yù)報與水資源優(yōu)化：以龍山水文站為例[J].科技視界，2022（28）：101-103.

[9] 高明.水資源優(yōu)化管理中水文預(yù)報技術(shù)應(yīng)用探討[J].地下水，2020，42（3）：179-180.

[10] 劉志雨.我國水文監(jiān)測預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)展望[J].中國防汛抗旱，2019，29（11）：31-34，61.