河流集合预报方法在洮河流域径流预报中的应用研究

，

(1.甘肃武威水文水资源局，甘肃 武威 733000；2.甘肃省水文水资源局，甘肃 兰州 730000)

集合预报(Ensemble Forecasting)最早是由Epstein(1964)和Leith(1975)提出，上世纪90年代进入气象预报领域等实际业务应用阶段并逐步发展成熟[1]。集合预报的核心思想是首先确定一组可能的初始条件，然后将其中每一种可能的初始条件分别投入预报模型进行计算，从而得到一种对应的预报状态，最后对所有的预报状态进行统计处理，从而得到采用的预报状态[2]。集合预报因其独有的优势，近年来成为水文预报中迅速发展的一个分支。2004年，水文集合预报实验(HEPEX)国际合作机构成立，集合了全球气象、水文领域的科学家共同推进水文概率性预报技术[3]。

为进一步研究洮河流域径流预报，根据河流集合预报方法，利用红旗水文站实时监测资料，基于中国洪水预报系统(NFFS)开发的三水源蓄满产流、滞后演算和马斯京根模块构建全流域洪水预报模型[4]，并应用该模型分析预测红旗水文站径流及其概率分布统计，以期为洮河流域水资源开发利用、防汛保安提供参考依据。

1 河流集合预报方法

1.1 基本概念

河流集合预报的基本概念就是计算出预报期流域初始状态并给定未来水文要素的输入集合，预报出未来的径流过程，再根据选定的预报时段选取水文特征值，结合统计分析，进行概率性预报[5]。由于未来水文要素的输入集合未知，因此假定过去发生的水文要素的输入是未来水文输入的代表，即降水、气温等历史资料的时间序列集合可以代表未来的状况，将其输入到模型中来，对于选定的预报时段，采用统计方法得到最大值、最小值、平均值、均方差等，也可以采用不同的概率分布得到超过某一概率的置信区间，从而将预报期内的河流集合特征值选取出来，以此评判预报的可靠度和可信度[6]。

1.2 应用步骤

应用河流集合预报方法的步骤主要有以下几步：

(1)流域初始条件及降雨因子等资料处理。目前流域的水文信息大多通过有限的站网获取，但由于实际情况的限制，现有站网密度不一定能很好的满足模型需求，因而在雨量站稀疏且站点分布不合理的地区，降雨作为径流模拟中的重要因子，进行集合预报时，对其选取和处理尤为重要。

(2)采用历史上的水文要素作为预报期内的水文要素的集合，并选用与之相对应的预报日期的初始条件，进行历史模拟，旨在调整预报模型的参数，以使根据历史水文资料所模拟的径流能与实测径流尽可能的吻合，从而给出流域土壤的初始状态。这个过程就是传统水文预报中的率定和校正阶段，而这是应用河流集合预报方法必须具备的条件。

(3)采用当前预报期内的流域初始条件，输入历史上的水文要素时间序列进行条件模拟，输出径流过程的集合，即河流集合预报的计算。

(4)得出条件模拟的结果之后，进行统计分析检验评价结果，从而给出概率性预报。

综上所述，河流集合预报过程概括起来就是：因子资料处理→历史模拟→条件模拟→评价结果(图1)。

图1 河流集合预报过程

1.3 评价结果

对河流集合预报结果进行评价时，可以根据实际情况选择合适的检验方法，如相关系数、偏倚系数、特征图、可靠性图等。NFFS采用正态分布、对数正态分布、皮尔逊Ⅲ型分布以及相关图等方法进行检验评价[7]。

2 应用举例

2.1 流域概况

洮河是黄河上游的第二大支流，发源于青海省河南蒙古族自治县西倾山，曲折东流至岷县茶埠急转向西北，出九甸峡与海奠峡后，穿临洮盆地，于永靖县注入刘家峡水库。全长673 km，流域面积2.55×104km2，天然年径流量53×108m3，汛期降水和径流约占全年总量的 80%。全流域水力资源丰富，水资源利用率7.2%，水能资源开发利用率1%，理论蕴藏量225×104kw，开发条件好，前景十分可观，规划开发海甸峡、莲麓、峡城、吉利等水电站[8]。2006年九甸峡水利枢纽及引洮供水一期工程全面开工，实现了甘肃人民半个世纪的梦想。

2.2 水文模型选取及预报方案构建

根据洮河流域的水文地质和下垫面情况，基于NFFS平台，流域产流采用三水源蓄满产流模型，流域汇流采用滞后演算模型，河道汇流采用马斯京根法。由于流域内水利工程较多，在构建预报方案时，上游河道来水量采用李家村水文站实测流量，经河道汇流演算至洮河下游出口红旗水文站。

全流域采用11个雨量站资料，并根据雨量站点的稀疏程度以及精度要求，采用泰森多边形法对流域进行网格化处理，以得到全流域面雨量的数据分布。由于区间划分为 11块单元，模型率定参数达到上百个。由于尚在初步探索阶段，为了提高率定效率，目标函数采用确定性系数标准，率定优化采用单纯形法进行计算，并通过人机交互对2006年—2010年各站实时日降雨量、日均流量过程进行率定，整个率定过程相当耗时。模型率定的参数见表1。

表1 模型率定参数表

2.3 河流集合预报结果分析

2.3.1 历史模拟

为了检验率定效果，对模型进行历史模拟。预热期采用2010年7月1日—8月31日的实时日降雨、流量数据，预见期为2010年9月1日—30日。经过历史模拟降雨径流过程，流量过程线基本吻合，模拟效果较好。率定结果表明对于洮河流域构建的模型满足河流集合预报应用的条件。

2.3.2 条件模拟

输入2011年7月1日—8月31日的实时日降雨和流量数据，根据构建的预报模型，分别计算出 2011年9月1日的土壤含水量，再输入2006年～2010年9月1日～30日的降雨和流量集合，产生出一组未来30天的径流过程集合。根据皮尔逊Ⅲ型分布，可以计算出平水年份(50%来水保证率)径流总量为5.27亿 m3，而根据《甘肃水情信息》发布的数据[9]可知， 2011年9月红旗水文站实际径流总量为4.82亿 m3，误差为9%。

为进一步验证，输入同期旬降雨和流量数据，计算出平水年份(50%来水保证率)径流总量为5.14亿 m3，对比2011年9月份实际径流总量，误差为7%。可见利用河流集合预报方法进行径流预测可以减少未来径流的不确定性，提高预报精度和预见期。

2.3.3 评价结果

通过实测与模拟相关分析、状态敏感分析和降雨敏感分析对河流集合预报方案结果进行评价[10]。红旗水文站实测入库来水量与水文模型模拟来水量拟合相关系数达到0.72，表明模型拟合程度较高；不同土壤初始状态下对于相同降雨数据计算径流量均值与实测径流量拟合相关系数达到0.76，表明土壤状态对径流量具有一定影响；相同土壤初始状态下对于不同降雨数据计算径流量均值与实测径流量拟合系数为0.04，表明红旗水文站径流量由降雨起决定作用。综合上述评价结果，说明径流预报方案精度较高。

3 结语

(1)为进一步研究洮河流域径流预报，根据河流集合预报方法，利用红旗水文站实时监测资料构建了基于三水源蓄满产流、滞后演算和马斯京根法的全流域洪水预报模型，并应用该模型分析预测红旗水文站径流及其概率分布统计。结果表明：径流拟合过程拟合较好，取得了较好的预报效果，模型满足河流集合预报应用的条件。

(2)河流集合预报洪水预报模型对泰森多边形单元划分、模型参数的率定和流域降水、径流信息的处理等方面存在不足，有待今后探索改进，进一步提高河流集合预报方法在径流预报中的精度和预见期。