洪水预测预报关键技术研究与实践

刘志雨

（水利部信息中心（水利部水文水资源监测预报中心），100053，北京）

水文监测预报预警是水旱灾害防御工作的“耳目”和“尖兵”。 及时监测流域雨水情信息，了解掌握江河湖库水情发展动态，准确预测预报洪水发展变化过程，对有效运用防洪工程措施及制定正确的防御决策、从而减少灾害损失具有重要意义。

2020 年以来， 我国强降雨偏多，时间、空间集中，长江、黄河、淮河、珠江、 太湖等流域主要江河发生17 次编号洪水，其中长江、太湖发生流域性大洪水， 淮河发生流域性较大洪水。 截至8 月20 日，全国25 个省（自治区、直辖市）共有729 条河流发生超警戒水位以上洪水，其中242 条河流发生超保证水位洪水，71 条河流发生超历史洪水。 面对严峻复杂的汛情， 全国水文部门深入贯彻落实党中央、 国务院领导的重要指示批示精神和水利部工作要求， 扎实开展汛前准备，完善“专班预报、联合会商、滚动订正”工作机制，及时发布洪水监测预报预警信息， 有力支撑了防汛减灾指挥决策，保障了人民群众生命财产安全，值得认真总结、研究探讨。

20 世纪80 年代以来， 我国水文监测预警预报技术取得长足进步，业务体系日臻完善。 近年，水文气象预报技术手段有较大提升，预报模型更加准确， 特别是气象水文预报耦合、人机交互预报、预报调度一体化等技术应用， 有效提高了洪水预报精度，延长了洪水预报的预见期，为防洪调度提供了强有力的技术支撑。但2020年防御洪水的实践表明，在应对防范“三大风险”方面，水文监测预报工作仍存在短板和薄弱环节，与防汛工作的现实需要仍有差距。 应当在总结经验教训基础上， 结合新形势新要求，探讨新时期水文监测预报预警业务发展方向，紧抓“十四五”规划机遇，坚定发展信心，明确目标任务，稳步推进工作，努力实现水文水资源监测预报事业高质量发展目标。

一、全国雨水情概况及特点

2020 年以来， 全国平均降水量510 mm，较常年同期偏多1.1 成，约占全年降雨量的81%。 共出现35 次强降水过程，局部降雨极端性强。 雨水情主要呈现以下特点：

1.降雨量大，强降雨时空集中

6 月1 日至8 月20 日，全国平均降雨量较常年同期偏多15%。 南方地区降雨集中，长江流域降雨量较常年同期偏多36%， 其中上游偏多29%，中下游偏多56%； 中下游梅雨期52天，比多年平均多23 天，梅雨量较常年偏多1.68 倍；淮河流域7 月中下旬连续出现5 次强降雨过程，累积降雨量较常年同期偏多71%；太湖流域梅雨期比多年平均多18 天， 梅雨量较常年偏多1.4 倍。 雨区重叠度高，6 月以来，安徽、湖北、四川降雨量为历史同期最多，上海、江苏、重庆、陕西、甘肃为历史同期第二多；8 月以来，长江上游出现持续降雨，岷沱江流域降雨较常年同期偏多2.1 倍、 嘉陵江流域偏多78%。 四川芦山、广西阳朔、浙江平湖、安徽金寨等32 个县（市）日降雨量突破了当地历史极值。

2.大江大河洪水并发，洪水量级大

长江、黄河、淮河及沂沭泗水系沂河沭河、 珠江流域西江和北江、太湖共发生17 次编号洪水， 其中，长江、黄河各5 次，沭河2 次，淮河、沂河、西江、北江、太湖各1 次。 7 月以来，长江、淮河、太湖三大流域洪水并发重发。 长江发生流域性大洪水，上游发生特大洪水、中下游监利以下江段水位列历史第1～6 位，其中干流马鞍山至南京江段及鄱阳湖区14 站水位超历史； 淮河发生流域性较大洪水， 润河集至汪集河段水位超历史，王家坝、正阳关最高水位均列有实测资料以来第2 位；太湖发生流域性大洪水，最高水位达到4.79 m，列有实测资料以来第3 位。

3.江河高水位持续时间长

长江中下游干流石首以下江段超警17～48 天， 其中汉口站维持26.30 m以上高水位时间长达45 天；淮河王家坝至盱眙河段超警13～29 天； 太湖水位超警时间达48 天。 全国主要江河来水总体偏多，其中黄河偏多3～6 成，淮河偏多6～9 成，长江偏多1～3 成。

4.中小河流超警数量多

全国729 条河流发生超警戒水位以上洪水， 较多年平均偏多80%，约占具有防洪特征值河流（2 268 条）的32%。 发生超警、超保、超历史洪水的河流中， 中小河流均占80%以上，其中安徽巢湖超历史时间长达16天，山东老沭河超出历史最高水位达2.43 m。除南方暴雨洪水集中区以外，北方超警河流逐渐增多，内蒙古辽河支流柳河、吉林洮儿河支流蛟流河等中小河流发生超历史洪水。

二、洪水预测预报工作措施

面对严峻的防汛形势，水利部高度重视洪水预测预报工作，汛前召开专题会议安排部署重点工作，及时下达预测预报任务， 视频连线督促指导各地做好水旱灾害防御领域面临的超标洪水、水库失事、山洪灾害“三大风险”防范的技术支撑工作。在防汛关键期，水利部信息中心组建长江、黄河、淮河、 海河、 太湖等流域预测预报专班， 加密与中国气象局以及流域管理机构、相关省市水文部门的会商，滚动修正预报成果， 努力提高洪水预报精度，延长预见期。 采取措施主要有：

1.编制超标洪水应对预案方案

汛前，摸清七大流域历史大洪水发生规律、防洪体系现状，梳理预测预报工作短板， 抓住报汛、 预测、预报、预警四个环节，提出务实管用的举措，细化实化责任分工，规范工作程序和行动，保证预测预报工作有序有效开展。 针对流域下垫面变化、江河水文情势变化等因素，结合防御超标洪水、水工程调度需要，汛前组织相关单位，对七大流域160 个重要断面预报方案进行了优化完善。

2.组织开展水文测报实战演练

汛前，组织长江、海河、淮河、松辽等流域片水文部门从应急测报、洪水预报、联合会商、预报发布等环节进行全流程演练， 提升了内外协同、上下联动能力。 针对海河流域洪水预报不确定性大的特点，组织海委和流域内水文部门， 实施 “以测补报”措施，引入视频监控等技术，在华北山前平原区布设应急监测断面，根据上游监测信息，滚动修正预报，提高下游河道预报精度。

3.扩大洪水预报范围

根据洪水防御工作需要，水利部承担的预报断面由大江大河干流向主要支流及重点水库延伸，预报断面由原来的167 处增加到255 处，基本覆盖国家防洪调度所需的大江大河和主要支流、重点水库等断面。 全国水文部门预报断面也由原来的1 466处增加到1 610 处， 作业预报范围涉及1 000 多条河流。

4.强化联合预报会商研判

汛期，针对防汛热点、重点，及时组建洪水预测预报专班，严格“预报、审核、签发”工作流程，确保预报工作有序高效开展；加密与中国气象局强降雨过程会商以及流域、省级水文部门洪水预报会商， 每天会商2~3 次，努力提高预报精度， 延长预见期；按照“预测、预警、预报”渐进式工作流程，启动了趋势预测、定性预警、定量预报模式，防汛关键期实行每天降雨2 次和洪水3 次预报订正， 确保关键预报精准可靠。

5.加强水情预警信息服务

提前24 小时在水利行业内发布强降雨过程预报预警，提醒关注暴雨强度及影响范围，为部署洪水防御工作赢得先机。 基于雷达回波人工外推开展暴雨雷达短临预警，及时发布未来1~3 小时地市级强降雨预警信息，指导地方做好暴雨山洪防御工作。 对暴雨洪水进行全过程监视，滚动开展短历时极端强降雨、 洪水监视分析，及时提醒防御部门。 指导各地水文部门通过新闻媒体、 微信、APP 等向社会发布洪水预警，积极为社会公众防灾避险提供水情信息支撑。

三、取得成效

截至8 月20 日，全国共发布1 145条河流1 845 个断面作业预报28.2万站次，发布水情预警1 715 次，为洪水调度及防御工作提供了有力支撑。

1.防御长江流域性大洪水

水利部组织长江水利委员会等相关单位，对长江5 次编号洪水均提前5 天作出准确预测， 特别是提前3天预报长江第5 次洪水中三峡水库入库洪峰将超过70 000 m3/s； 提前2天预报三峡水库出现建库以来最大入库洪水，入库洪峰达74 000 m3/s 左右，并判断此次过程洪峰高、洪量大，50 000 m3/s 以上历时达5 天， 为统筹长江上游和中下游来水，科学精细调度长江三峡等水库提供了有力支撑。

2.防御淮河流域性较大洪水

水利部组织淮河水利委员会、安徽省水利厅等有关单位加密王家坝等重要控制断面的监测频次，滚动开展洪水预报， 每6 分钟测报一次王家坝站水位和流量， 精准预报“王家坝最高水位将突破保证水位并可能达到29.90 m，超过王家坝分洪闸堰顶高程（29.76 m）”，为国家防总科学决策发挥了重要的关键性支撑作用。

3.防御太湖流域性大洪水

水利部组织太湖流域管理局提前3 天预报太湖水位将超警戒，提前5 天预报太湖水位将超保证，提前5 天预测最高水位可能达到4.76 m（不超4.80 m），实际太湖最高水位4.79 m，为超前部署超常规措施、“使劲”外排太湖洪水、最大限度地降低太湖洪水风险赢得了充分时间、 争取主动，发挥了重要作用。

四、关键技术研究进展与应用

从20 世纪80 年代开始，我国逐步强化水文监测预报预警等防汛抗旱减灾的非工程措施建设。 目前我国已初步建成整体功能较为强大的水文站网监测体系， 形成了分级管理、分级制作、联合会商、成果共享的水文预报业务体系，水情预警发布基本实现中央、流域、省、市、县五级覆盖，构建了较为完善的防汛抗旱水文监测预报预警服务体系，为水旱灾害防御工作发挥了重要支撑作用。

1998 年大洪水期间，洪水预报主要依靠经验预报方案和单机版洪水作业预报系统，在水利部本级对几十个大江大河重要控制断面进行预报，通常需要3~4 个小时才能完成预报作业。 近年，水利部高度重视水文预测预报工作，采取了一些技术手段和措施来提升洪水预报能力和水平。 目前全国雨量站、水位站基本实现了自动测报，重要水文站配备ADCP 等先进仪器设备，水文监测作业效率大大提升。 水利部基本上能在30 分钟内完成大江大河及主要支流几百个断面的预报工作，还通过气象水文预报耦合延长预见期，通过河系预报连续演算缩短预报时间， 通过人机交互、预报调度一体化等技术提高洪水预报精度。

1.气象水文预报耦合技术

水利部现在可获取未来7 天以上的降雨数值预报，通过与洪水预报系统耦合， 可制作未来10 天的洪水预测预报，能有效提高未来2 天的预报精度，未来3~5 天的预测成果可用来研判未来江河洪水发展趋势。 例如，在2020 年长江5 次编号洪水中，均提前5 天预判趋势，提前2 天精准预报三峡入库洪峰，特别是第2 号洪水，提前2 天预报63 000 m3/s 的入库洪峰，最后实际洪峰是61 000 m3/s。

2.交互式预报系统技术

中国洪水预报系统是水利部信息中心投入业务运行多年、拥有自主开发、完全产权的一种交互式洪水预报系统，建立了30 km 分辨率的区域河系水文预报平台，形成了模块化预报组件、模型方法库、参数自动率定、实时校正、水库调洪、抗暴雨能力、中长期预测等洪水预报技术。 以长江三峡预报为例，系统把长江上游干支流水文站、水库（水电站）串起来，自动按金沙江、岷沱江、嘉陵江、乌江等河系进行洪水模拟计算、 沿程演算，加上人工分析，半个小时左右就能完成一次洪水预报作业，总体满足水利部每日9 点日常防汛会商工作的需要。

3.预报调度一体化技术

采取洪水预报与水库调度运用相结合的手段，采用模块化、一体化设计， 实现全流域河系自动演算、调度方案实时计算、快速比选、专家讨论、会商决策同步开展，以提高系统运行和防洪调度决策效率。2020 年水利部信息中心拓展预报调度一体化服务，在迎战长江2 号洪水的防汛会商决策中，预报长江上游三峡水库将出现61 000 m3/s 的入库洪峰流量，按三峡水库不同下泄流量考虑，现场计算出三峡水库最高水位和中游莲花塘等江段的水位变化，据此进行洪水调度方案的比选供领导决策，以充分发挥水库拦洪、错峰、削峰作用。

4.“以测补报”技术

针对海河流域洪水预报不确定性大的特点，引入信息融合、视频监控、大数据等新技术，实施“以测补报”等措施，在华北山前平原区布设应急监测断面， 根据上游监测信息，实时滚动修正预报，提高下游河道预报精度。 “以测补报”技术在漳河、滹沱河的应用结果表明，平均精度提高了10%。

5.气象水情综合业务系统

建成防汛抗旱气象业务系统，形成气象监测和预报资料汇集处理，雨情、卫星云图、天气雷达及干旱监测等矢量化加工，雷达估算雨量与地面雨量站观测雨量融合处理，人工定量降水预报产品制作、台风监视等防汛抗旱气象产品加工制作技术。 研发了国家防汛抗旱水情会商系统，形成了多模式地图操作、 水情信息综合查询、动态监视、站网图层信息维护与管理等水情会商技术。 建成了全国水情业务综合系统， 形成了水情材料统一接收、处理、编辑、发布、共享等水情日常值班业务管理技术。 建成了水情信息交换和水情数据维护系统， 形成了部署在中央、流域、省、市等四级水文部门数据库与数据库间直接交换的源数据实时传输和全面共享Webservice 等数据管理技术。 通过业务应用系统的不断更新完善，形成了满足水情信息采集自动化、水情数据处理高效化、水情预测分析科学化、水情服务产品多样化需求的技术体系。

五、展 望

党中央高度重视防汛减灾工作。习近平总书记始终强调要坚持“人民至上、生命至上”，坚持底线思维，增强忧患意识， 着力防范化解重大风险。 化解灾害重大风险，落实中央“两个坚持、三个转变”防灾减灾新理念，核心在于预防。 做好预防的前提，在于精准可靠的预测预报。

遵循中央防灾减灾新理念，水利部明确要求守住水旱灾害防御底线，提出要重点防范超标洪水、 水库失事、山洪灾害“三大风险”，强调预测预报是水旱灾害防御的首要环节和应对“三大风险”的基础和前提，要求“缩短预报时间、延长预见期、提高预报精度”，努力提升预测预报水平，为化解水旱灾害防御风险提供有力支撑。

在2020 年应对防范“三大风险”实践中， 发现仍存在一些薄弱环节和问题。 比如，监测预测预报能力不足，局地短历时、突发性强降雨的预测预报精度仍存在短板， 预见期还不够长；北方河流、超标洪水预测预报难仍是突出问题；中长期预测预报水平有效性和针对性不够强；流域洪水划分标准、洪水重现期确定、江湖河湖洪水关系、变动回水条件下水位预报等基础研究仍显薄弱，尚不能满足防汛工作规范化、 现代化的现实需要。

为深入贯彻新时代中央防灾减灾新理念和治水思路，充分发挥预测预报工作的支撑作用，2019 年水利部出台了《关于加强水文情报预报工作指导意见》，确定了“十四五”工作目标， 明确了强化水旱灾害防御支撑、拓展水利监管服务、拓宽社会服务领域等主要任务和重点工作，提出了保障措施，为新时代水文监测预报事业发展指明方向。 随着水利改革和经济社会发展对水情信息需求的不断拓展和提高，未来洪水监测预报预警除服务江河防洪、水库调度、蓄滞洪区运用、中小水库洪水预警、山洪灾害防御等之外，还将向农业农村、住建、交通运输、旅游等行业延伸，努力为防灾减灾、水资源调度管理、水工程运行监管、经济社会发展各类涉水事务提供更加全面、精准的信息支撑。

当前步入信息多元化的高科技时代，洪水预报方法研究应致力于用观测资料来替换过去模型中的概念性经验处理方法。 目前多源信息融合、数据同化、集合预报、人工智能、大数据、分布式模拟等技术有了长足发展，未来将进一步应用到洪水预报业务中，提升洪水影响预报和风险预警能力，为水旱灾害防御提供强有力的支撑。 ■