海河流域水文监测预报发展及能力提升对策

韩瑞光，杨 邦

（水利部海河水利委员会水文局，300170，天津）

一、“96·8” 洪水以来海河流域水文监测预报发展

“96·8”洪水以来，经过多年建设，海河流域水文监测预报取得长足发展。 流域监测站点数量不断增加，部分先进监测仪器和技术得到应用；水情报汛网络逐步完善， 手段不断进步，先后经历了人工到自动，网络到移动，单信道到双信道的转换，报汛效率与可靠性逐步提高；水文预报站点不断增加，方案逐步完善，预报系统不断改进，预报能力不断提升。 目前，海河流域已经建立了涵盖水文监测、水情报汛、信息处理、监视分析、预测预报、预警发布等多个方面的完善的水文监测预报体系。

1.水文监测与报汛

“96·8”暴雨洪水期间，各级水文部门为防汛决策提供了大量及时准确的水文监测预报信息，为科学调度洪水、最大程度减少洪水灾害造成的损失起到了重要作用，但同时也暴露出一些问题。 一是监测站点不足。 以河北省为例，1996 年全省监测站点只有377 处， 站网密度为500 km2/站，远低于世界气象组织 （ 以下简称“WMO”）山区容许最稀雨量站网密度100～250 km2/站的推荐标准， 导致雨水情信息和预报成果精度大打折扣。二是报汛手段落后。 当时流域内绝大多数报汛站单一采用有线通信， 在暴雨洪水期间， 报汛通信线路不同程度遭到破坏， 不能确保雨水情信息的安全畅通。 三是水情信息编译自动化程度低。 当时水情报文翻译依靠人工手段，计算机和数据库尚未普及，消耗了大量人力，且时效性难以保障。

1996 年以后，流域监测站点逐渐增加。 2019 年底，海河流域共有各类水文测站15 672 处，包括国家基本水文站317 处、专用水文站299 处、辅助站13 处、基本水位站24 处、专用水位站1 113 处、雨量站5 545 处、蒸发站7 处、墒情站350 处、实验站3 处、水质站885 处、 地下水监测站7 068处、水生态监测站48 处。海河流域国家基本水文站平均密度为1 011 km2/站，接近WMO 山区容许最稀站网密度300～1 000 km2/站的推荐标准的上限。海河流域雨量站平均密度为58 km2/站，高于WMO 推荐标准。

流域水情报汛工作逐步发展，先后建立了水雨情信息电话数传报汛系统、广域网报汛系统和集信息接收处理为一体的雨水情信息传输服务系统。 目前，流域雨量站基本全部实现了自动测报。 通过水利部建设的水情信息交换系统，实现了海委与水利部及流域内8 个省（自治区、直辖市）报汛数据及特征值数据等的实时共享。 2019 年底，海委共计接收全流域5 473 个报汛站资料， 站点数量约为“96·8”洪水时的7 倍。

海河流域地形复杂， 天气多变，降水时空分布集中， 暴雨灾害频发，强降水易使现有监测手段失灵。 为弥补雨量数据缺失问题，提高面雨量监测能力， 建立了雷达反演降水方法，为洪水预报分析提供重要降水输入数据支撑。 新一代天气雷达作为探测降水系统的主要工具，具有较高的时空分辨率，并可全天时连续工作。 目前建成由全流域21 部雷达组成的高分辨率雷达探测网，可全面监测流域大气中的水含量， 定量估测可降水量，对流域面雨量的监测及预报具有重要参考价值。 特别是在极端天气等非常规情况下，流域内雨量站出现损毁、信号中断时，或者暴雨中心未布设雨量站，导致重要雨量信息缺失时，可通过雷达反演降水方法进行弥补。

2.水文预报

1996 年水文预报主要依靠1992年编制的 《海河流域水文预报方案》进行。 该方案包括流域大型水库、主要河道、蓄滞洪区的洪水预报方案共69 套， 主要采用河道洪水经验相关、河道汇流演算、暴雨径流相关、经验单位线、变动等时线等方法。 “96·8”洪水作业预报采用人工查图计算，工作量大、耗费时间长、时效性较差，导致洪水预报的有效预见期短。

1996 年以后，海委加强了流域水文预报方案修订工作，2003 年利用国家防指一期工程建设了洪水预报系统，并编制了3 座直属大型水库的预报方案和流域内相关省份10 个重要断面的预报方案集成。2007 年全面组织开展了海河流域洪水预报方案修订工作，编制了《海河流域实用预报方案》，修订了78 套重要断面洪水预报方案。2014 年利用国家防指二期工程修订及新建了38 套断面预报方案及9 个蓄滞洪区洪水预报方案。 2019年组织修订了3 座直属大型水库及近年发生洪水的河系中7 个重要断面的洪水预报方案， 开展了大清河系上游山区重要断面洪水预报方案分析工作。目前，海河流域各省（自治区、直辖市） 共有预报断面294 个， 编制方案372 套，涵盖流域所有大型水库、部分中型水库和重要河道控制断面。

近年，针对海河流域洪水预测预报问题突出的现状，探究下垫面剧烈变化条件下的流域洪水特性，围绕洪水预见期短、 预报精度不高问题，以实用为出发点， 综合运用流域水文学、水文气象学、洪水风险分析等理论，采用理论分析、统计评价、规律总结、“以测补报”、 调度仿真和系统集成相结合的多种手段进行多学科的综合应用，构建了气象学、水文学、水力学有机融合，预报与工程调度一体集成的预报调度一体化系统，提高了精细、精准预报调度决策水平，主要体现在以下4 个方面。

（1）延长洪水预见期及提高降水监测预报精度方面

①基于ADAS 同化技术，提高了中尺度数值天气预报的精度，实际应用中实现未来72 h 流域高时空分辨率（5 km×5 km，1 h）降水预测，并应用于洪水预报， 预报精度接近于实测降水精度。 ②利用多部多普勒雷达组合探测数据， 提升了降水面雨量时空监测能力， 尤其是提高面雨量时空分辨率精度， 在雨量站缺失情况下提供有效面雨量输入数据； 实际应用中实现流域高时空分辨率（5 km×5 km，6 min）降水反演。 ③应用短临降水预报技术提高预报精度、 延长洪水预见期，2019 年实际应用中，通过5 km×5 km，1 h 时空分辨率降水预报与洪水预报的结合，提高了潘家口水库局地洪水洪峰预报精度30%。

（2）预报模型与产汇流规律相适应方面

①构建了分布式河北雨洪模型，通过改进传统河北雨洪模型的产流公式，考虑蓄满和超渗混合产流特性，提高了产流模拟精度， 并利用分布式单位线实现河北雨洪模型的分布式化，进一步提高流域半湿润半干旱区域复杂产流条件下的洪水预报精度。 ②基于栅格新安江模型构建流域上游区域分布式水文模型预报方案， 提高降水空间变异条件下的模拟精度。 ③通过改进实现三参数GR 模型分布式化。该模型参数较少， 有利于开展无资料地区建模。 ④基于河道高精度测量数据， 构建考虑动态下渗及水利工程运用的一、二维水动力耦合模型，提高复杂汇流条件下的河道洪水预报精度。

（3）应对变化剧烈的下垫面及预报不确定性因素方面

开展流域下垫面查勘和历史洪水分析， 为方案实时修正提供支撑。利用“以测补报”技术，构建考虑下渗的河道洪水演进模型，利用时变参数方法，根据上游监测断面实测洪水数据，对下游预报断面的洪水进行滚动修正预报， 提高河道洪水预报精度。“以测补报”技术在漳河、滹沱河的应用使洪水预报平均精度 （确定系数）提高约13%，适用于北方地区下渗影响严重的河道洪水模拟。 采用BP 神经网络实时校正技术，提高了流域及河道洪水预报精度， 在参与统计的141 个中小河流站点中， 有130 个站点平均精度在预报期内显著提高。

（4）预报与调度决策一体化方面

基于“二元三层”结构体系，构建气象、水文、水力学、水工程调度的松散耦合型Web 洪水预报调度系统平台。 基于水文、水力学精细化预报调度模型和粒子群算法的水工程联合优化调度，实现水文预报、调度信息源与技术流全覆盖，实现人机预报调度实时决策功能，为流域洪水防御决策提供技术支撑。

二、当前流域水文监测预报发展瓶颈与短板

近年，海河流域在水文监测预报方面加大投入，监测站网体系不断完善，洪水预报技术不断提高，但在大洪水及极端降雨情况下，监测预报精度及预见期长度等方面仍有不足。 主要体现在以下几方面。

1.大洪水时监测能力不足

部分国家基本水文站水文测报基础设施仍存在建设标准低、设备设施老化、 防洪测洪能力不足等问题。目前水文站缆道测流一般只能监测20 年一遇洪水， 发生超20 年一遇洪水时， 多数水文站缆道不能使用，大部分采用桥测方式 （有桥梁条件时）或浮标法测流。 当发生超50 年一遇洪水时， 只能靠桥测或浮标法测流，但精度不高。 由于流域现有水文站均以人工测流为主，尚未实现在线流量监测， 存在大洪水时测验频次低、监测强度大等困难。

2.洪水突发性强，预见期短

流域源短流急，山区部分预报站预见期短；洪水陡涨陡落，洪水预见期较短。如永定河官厅山峡区间产汇流时间极短，只有3～4h。 中小型水库控制流域面积小、汇流时间短，预见期也非常短。

3.历史洪水少，参数率定难

1949 年以来，海河流域在1956年、1963 年、1996 年、2016 年发生了影响范围较广的大洪水， 场次洪水资料少，资料一致性、代表性差，不足以以此掌握流域暴雨洪水规律，难以有效率定水文模型参数及修订洪水预报方案。

4.洪水预报方案适配性不足

随着人类活动影响加剧，流域内下垫面变化剧烈，流域原有的产汇流规律改变，导致原有洪水预报方案适用性较差。 平原河道多河网化，下渗较为严重，中下游洪水精细化演进预报精度不高。

5.局地强降水预报精度低

流域内降水空间变异性大，局地强降水造成的突发性洪水预报难度较大。 如“16·7”观台洪水及“18·7”张家坟洪水， 降水集中在出口断面，洪水突发，陡涨陡落，原有集总式预报方案预报精度较低。

三、对策与措施

1.全力提升洪水在线监测能力

为有效应对大洪水时监测能力不足的问题，基于高洪测流雷达等技术手段，在重要水文站点建设大洪水在线监测系统， 结合断面水文特性，通过对断面流速、水位数据的采集及流量计算，实现对断面流量的在线监测，可以有效提高大洪水时的监测密度与精度， 减少人工测验安全隐患，提高大洪水实时在线监测能力。

2.加强流域产汇流机理研究

加强基础研究工作，通过流域产汇流机理性研究及构建模型方法，从根本上提升水文预测预报能力。 通过进行不同暴雨级别、不同下垫面条件下的流域产汇流实验，开展变化条件下尤其是半干旱区的流域产汇流机理研究，分析流域“四水”转化机理，探索流域典型产汇流区产汇流本构关系，构建适合流域产汇流特性的模型方法。

3.全面推进精细化模型及预报调度一体化建设

在前期试点建设的基础上，全面推进流域精细化预报模型建设。 一方面构建全流域上游区域分布式水文模型预报方案，另一方面构建中下游重要河段水力学演进模型，实现空天地一体、上下游衔接、预报调度一体的流域精细化预报与调度。

4.大力推广水文气象结合应用

在流域层面大力推广短临预报降水、雷达降水反演等多元气象降水信息与水文预报的结合应用，弥补区域极端天气降水监测不足，延长预见期，提高预见期降水预测精度，进一步提高预见期洪水预报精度。

5.深入开展“以测补报”

“以测补报” 技术是具有海河流域特色的河道汇流演算技术，可有效解决下垫面剧烈变化条件下的河道演算问题。 进一步推进“以测补报”，构建流域重要河流水文视频监测系统， 对重点应急监测断面的水位、流量等洪水要素进行全方位视频监测，实时修正河道洪水滚动演进预报，提高中下游河道洪水预报精度。

6.推动水文智能感知与智慧分析应用

推动物联网、人工智能、大数据分析、云计算等新技术在流域水文监测预报中的应用。 在可视化技术的支持下实现水文智能感知与智慧分析，有效提高洪水监测预报精度。 ■