第四讲:水文预报方法及海河流域水文预报工作

主讲人：只德国

（水利部海河水利委员会，天津 300170）

水文预报是水文工作的精髓，它不仅为防汛抗旱、水资源管理等水利工作提供决策依据，也为全社会的诸多方面提供服务。新中国成立以来，我国的水文预报工作得到了迅速发展。在学习、吸收原苏联和美国的水文预报方法的基础上，针对我国不同地区的流域特点，开展了预报理论、方法和技术等全面的研究，对于流域水文模型的研究和应用取得了许多重要成果，提出了新安江模型、陕北模型等一批先进的预报理论和方法。随着现代通讯信息技术的发展，我国在水文预报方法、预报系统建设和新技术应用等方面有了很大的提高。同时，多次的洪灾考验积累了许多宝贵的经验，近年来在应对长江、珠江、淮河等大水中成功地开展了高水平的水文预报，为抗洪工作提供了关键的决策依据。应该说，目前我国的预报水平不论是在理论研究还是在作业预报等方面都处于世界先进水平。

1 水文预报基本方法

水文预报是根据前期和现实的水文、气象等信息，对未来一定时段内水文情势做出定性或定量预报。

水文预报涉及所有的水文要素预报，包括洪水预报、径流预报、墒情预报、地下水位预报、冰情预报、风暴潮预报、水质预报等。笔者主要以洪水预报为重点进行介绍。洪水预报主要预报暴雨洪水、融雪洪水的洪峰水位（或流量）、洪峰出现时间、洪水涨落过程和洪水总量等。

水文预报的方法大体可以分为经验相关法和模型方法两类。

1.1 经验相关法

经验相关法是通过根据实践经验积累和历史资料统计分析出的未知要素与已知要素的特定关系进行水文预报的方法。该方法的实质是把水文现象的原因与结果看作自变量与因变量，对实测数值用统计相关或其他相关拟合技术，求出它们之间的定量关系或者直接用图解法求相关关系。经验相关法简单实用，是水文上应用最早而且现在仍广泛应用的一种方法。在实际工作中，即便是采用其他方法进行的预报一般也要用经验方法进行比对预报。其缺点是对水文要素的变化规律缺乏明确的物理分析，其关系是在以往已经发生情况的基础上建立起来的，不能保证超过以往量级过程的相关关系，同时无法考虑下垫面等因素变化对相关关系的影响。

常用的经验相关方法包括：降雨径流相关图法、相应水位（流量）预报法、合成流量法等。

降雨径流相关图法是在成因分析与统计相关结合的基础上，用每场降雨过程流域的面平均雨量和相应产生的径流量以及影响径流形成的主要因素建立起来的一种定量的经验关系，点绘出相关图。该方法简单实用，且有一定的精度，主要用于产流预报，在实际工作中应用较为广泛。

影响降雨径流关系的主要因素有前期影响雨量（Pa） 、降雨历时（T）、降雨强度（P）、降雨分布位置（Cp）等。因此，可以点绘径流量与这些要素的相关图，如 R=f（P， Pa）、 R=f（P， P+Pa）、R=f（P， Pa，T）、R=f（P， Pa，Cp）等相关图。

相应水位（流量）预报法是根据天然河道中的洪水运动规律 （以洪水波形态按照一定规律沿河道自上游向下游运动）和历史数据建立河道中上游断面的水位（流量）与下游断面的水位（流量）的相关关系，由上游断面的洪水位和洪水流量来预报下游的洪水位和洪水流量。这是一种比较简便的预报方法，主要用于河道洪水预报。为了提高精度，有时用不同影响因素（如区间降雨、区间入流等）作参数。

1.2 模型方法

模型方法是根据水文规律将已知要素和条件与未知要素之间建立起一套数学公式，用已发生的水文要素来计算分析未来水文要素的变化的方法。模型方法的特点是模拟水文系统内在关系的方法，旨在试图描述水文现象间内在的联系与变化过程，比经验相关法有了很大的进步，水文模型一直是水文学研究的热点。

从20世纪60年代起，国内外研发了许多用于水文预报的水文模型，如美国的斯坦福（Stanford）模型和萨克拉门托（Sacramento）模型，日本的水箱（或坦克Tank）模型、TOPMODEL模型，我国开发的新安江模型、双超模型、陕北模型、河北雨洪模型等，这些模型在水文预报中得到了很好应用。

流域水文模型按照是否考虑水文过程的随机性问题可分为确定性模型、随机性模型及混合型三类。其中，确定性模型是指使用同样的输入数据在相同的条件下运行模型会得到同样的结果。目前大多数的水文模型都属于确定性模型。按照水循环要素过程描述方法不同，确定性水文模型分为经验模型、概念模型和物理模型三类。

经验模型又称“黑箱”模型，顾名思义是不分析水文过程的内在物理因果关系，而只基于对输入输出系列的经验性分析建立数学方程。代表性模型有：总径流线性响应模型（TLR）、线性扰动模型（LPM）以及神经网络（ANN）等。

概念模型又称“灰箱”模型，利用一些简单的物理概念和经验公式，如下渗曲线、汇流单位线、蒸发公式或有物理意义的结构单元如线性水库、线性河段等，组成一个系统来近似地描述流域水文过程。模型参数虽然具有一定的物理意义，但难于直接推算，需要根据历史数据进行率定。代表性模型有：美国的斯坦福模型、我国的新安江模型等。

物理模型又称“白箱”模型，是依据水流的连续方程和动量方程来求解水流在流域的时间和空间的变化规律。模型参数可以推求或测算。代表模型有：SHE模型、DBSIN模型等。

水文模型按照空间尺度划分，又可分为集总式流域水文模型和分布式水文模型。

集总式模型，不考虑水文过程、输入变量、边界条件和流域几何特征的空间变异性，把全流域当作一个整体来建立模型，即对流域参数进行均匀处理。大多数传统的水文模型都属于这种模型。

分布式模型，考虑水文过程、输入变量、边界条件和流域几何特征的空间变异性，将流域划分为很多小单元进行建模。分布式水文模型是上世纪80年代中期以后，伴随着计算机技术、地理信息系统和遥感技术发展起来的一种现代模型，代表模型有SHE模型、SWAT模型等。

另外，介于集总式模型和分布式模型之间，还有一种所谓的半分布式模型，其典型代表有以地形为水文过程空间变异性基础的TOPMODEL模型。

2 海河流域水文预报工作发展过程及成就

海河流域的水文预报工作伴随着新中国的成长取得了长足的发展，完成了从经验到模型、从手工到计算机化的进步，在“63·8”、“94·7”和“96·8”等大水中发挥了重要作用。上世纪80年代末，海委组织海河流域各省（市、区）进行水文预报方案的汇编工作，并于1993年编制完成了《海河流域实用水文预报方案》。2006年，对其进行了修订，目前共有77套预报方案，涵盖了海河流域所有大型水库、部分中型水库和大部分河道重要防洪控制节点，其中部分重要节点有两套以上预报方案。

海河流域利用经验方法进行产流预报主要是采用经验相关图法，使用的流域水文模型主要是新安江模型，此外根据流域特点还自主研发了河北雨洪模型等实用的模型。河道汇流预报多采用马斯京根法，近年对于部分蓄滞洪区和河道洪水演进预报建立了水力学模型，目前也开始尝试利用分布式水文模型开展洪水预报。

海河流域已编制的预报方案基本上实现了计算机化，并建立了许多预报系统，包括以中国洪水预报系统为基础开发的海河流域洪水预报系统，与调度相结合建立了分河系的预报调度系统，各省市都开发了各自区域的洪水预报系统。在系统建设中，一些先进的功能如实时在线联机在线预报、模拟预报、人机交互、多方案对比等得到实现，一些先进的技术如参数自动优化技术、数字高程提取技术、遥感技术、地理信息系统技术等得到初步应用。水文预报需要的实时信息如雨量、流量、水位等基本上实现了自动监测、自动传输、自动入库，并可以在20 min内从测站收集到流域水文局。

流域内建立起了海委水文局、省（市、区）水文局和地区水文局三级预报队伍。一般过程洪水，无论是否有可能出灾都进行作业预报。同时，为了提高锻炼队伍和作业预报水平，经常开展流域内的水文预报演练。

由于受客观因素影响，海河流域整体水文预报工作还不能满足防汛抗旱等水利工作的要求，水文预报难仍然是流域防汛工作难题之一。目前，流域水文预报的精度与淮河、长江等南方流域相比还有差距，许多情况下只能提供参考预报。

近年来，海河流域下垫面发生了很大变化，如水利工程的建设、土地的开发、城镇化的发展、交通设施的修建、地下水的开采等，使流域的产汇流特性发生了很大变化，原有预报方案已经不适合现状的水文预报，而流域多年没有出现大水，原有的经验方案和模型方案都是依靠90年代以前的场次洪水来进行参数率定和调线的，没有足够新增的较大量级的场次洪水就很难进行方案修订。

制约海河流域水文预报水平的因素还有很多。如，信息源不足，雨量站和水文站不能控制降雨和径流过程；预报方案比较单一，不能适应流域复杂的河流和暴雨洪水特性；部分重要节点如蓄滞洪区还没有预报方案；预报系统灵活性、交互性还较差；大部分预报人员没有经过洪水考验，因而预报经验不足等。

3 海河流域水文预报工作发展趋势

“更早、更快、更准、更全面”一直是水文预报工作努力的方向。随着科学技术的进步，通过水文工作者的不懈努力，水文预报工作也会不断进步。

3.1 信息获取将从以点为主的方式向以面为主、点面结合的方式发展

目前开展水文预报所需要的信息如雨量、蒸发量、土壤含水量等主要是通过设站监测的方式获得，不可避免地会产生代表性是否合理的问题，由于密度有限，很难真实地反映区域的整体情况。以面监测获取预报信息的手段已经开始应用，并且随着遥感等技术的不断发展和更加快速、更加经济、更加实效的产品的不断推出，在未来的水文预报中会得到更广泛的应用。如，利用卫星遥感、天气雷达等定量测算面雨量，利用遥感反演陆地和水面蒸发量，利用遥感监测土壤墒情和含水量，利用遥感及时掌握流域下垫面的变化情况（如土地利用、地形地貌、植被覆盖、水利工程、河道变化等）。将获取的面信息和监测站的信息结合使用，可以大大提高预报信息的准确度，从而提高预报精度。

3.2 物理模型将在预报中得到广泛应用

具有明确物理机理、模型参数可以推求或测算的物理模型如现代的分布式水文模型将得到推广和应用，特别是对于海河流域场次洪水资料缺乏地区来说更有发展前景。虽然目前还存在基础资料和实时信息不能满足物理模型的要求、发挥其应有的优势问题，但随着资料获取和分析技术的发展、预报信息的丰富、计算机运算速度的提高，物理模型将发挥更大的作用。

3.3 预报系统将更加智能化

随着计算机、网络信息和地理信息等技术的发展，预报系统将更加灵活和智能化。具有良好的人机对话功能，操作灵活，可扩展性强，应变能力强，可以应对分洪、决口等非常情况下的预报需求，具有参数自动优化、自动预警预报、自动校正、专家交互等功能的预报系统将不断发展。 预报员、专家的经验将嵌入预报系统中，实现自动评估决策。

预报系统的开发将更加专业化、标准化。流域统一的预报平台将为各级预报人员提供服务，且不断统一升级，将预报人员从复杂的系统开发中解放出来，把更多的精力用于理论研究和作业预报。

3.4 水文预报服务将更加全面

随着社会经济的发展，社会对水文提出了更多需求，水文预报范围也会不断扩大。目前，海河流域的洪水预报还主要针对大中型水库和骨干河道，对于中小河流洪水、城市洪水还没有开展有效预报。但是，现在的中小河流往往是洪灾多发区，伤亡情况严重；城市防洪问题越来越突出，暴雨造成城市大范围积水、交通中断甚至人员伤亡，这都需要开展及时的预报，以减轻灾害损失。在传统的为防洪服务的洪水预报发展的同时，为抗旱、水资源管理、水生态保护等服务的枯季径流预报、墒情预报、地下水位预报、冰情预报、风暴潮预报、水质预报等也将全面发展。总之，水文预报是一项非常基础而且重要的工作，也是一项涉及多学科较为复杂和具有较高科技含量的工作。海河流域的水文预报工作有许多难题亟待破解，需要水文工作者及相关学科工作者共同努力，不断研究探索、大胆创新、勇于实践，努力提高海河流域的水文预报水平。

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