第四講:水文預報方法及海河流域水文預報工作

主講人：只德國

（水利部海河水利委員會，天津 300170）

水文預報是水文工作的精髓，它不僅為防汛抗旱、水資源管理等水利工作提供決策依據，也為全社會的諸多方面提供服務。新中國成立以來，我國的水文預報工作得到了迅速發展。在學習、吸收原蘇聯和美國的水文預報方法的基礎上，針對我國不同地區的流域特點，開展了預報理論、方法和技術等全面的研究，對于流域水文模型的研究和應用取得了許多重要成果，提出了新安江模型、陜北模型等一批先進的預報理論和方法。隨著現代通訊信息技術的發展，我國在水文預報方法、預報系統建設和新技術應用等方面有了很大的提高。同時，多次的洪災考驗積累了許多寶貴的經驗，近年來在應對長江、珠江、淮河等大水中成功地開展了高水平的水文預報，為抗洪工作提供了關鍵的決策依據。應該說，目前我國的預報水平不論是在理論研究還是在作業預報等方面都處于世界先進水平。

1 水文預報基本方法

水文預報是根據前期和現實的水文、氣象等信息，對未來一定時段內水文情勢做出定性或定量預報。

水文預報涉及所有的水文要素預報，包括洪水預報、徑流預報、墑情預報、地下水位預報、冰情預報、風暴潮預報、水質預報等。筆者主要以洪水預報為重點進行介紹。洪水預報主要預報暴雨洪水、融雪洪水的洪峰水位（或流量）、洪峰出現時間、洪水漲落過程和洪水總量等。

水文預報的方法大體可以分為經驗相關法和模型方法兩類。

1.1 經驗相關法

經驗相關法是通過根據實踐經驗積累和歷史資料統計分析出的未知要素與已知要素的特定關系進行水文預報的方法。該方法的實質是把水文現象的原因與結果看作自變量與因變量，對實測數值用統計相關或其他相關擬合技術，求出它們之間的定量關系或者直接用圖解法求相關關系。經驗相關法簡單實用，是水文上應用最早而且現在仍廣泛應用的一種方法。在實際工作中，即便是采用其他方法進行的預報一般也要用經驗方法進行比對預報。其缺點是對水文要素的變化規律缺乏明確的物理分析，其關系是在以往已經發生情況的基礎上建立起來的，不能保證超過以往量級過程的相關關系，同時無法考慮下墊面等因素變化對相關關系的影響。

常用的經驗相關方法包括：降雨徑流相關圖法、相應水位（流量）預報法、合成流量法等。

降雨徑流相關圖法是在成因分析與統計相關結合的基礎上，用每場降雨過程流域的面平均雨量和相應產生的徑流量以及影響徑流形成的主要因素建立起來的一種定量的經驗關系，點繪出相關圖。該方法簡單實用，且有一定的精度，主要用于產流預報，在實際工作中應用較為廣泛。

影響降雨徑流關系的主要因素有前期影響雨量（Pa） 、降雨歷時（T）、降雨強度（P）、降雨分布位置（Cp）等。因此，可以點繪徑流量與這些要素的相關圖，如 R=f（P， Pa）、 R=f（P， P+Pa）、R=f（P， Pa，T）、R=f（P， Pa，Cp）等相關圖。

相應水位（流量）預報法是根據天然河道中的洪水運動規律 （以洪水波形態按照一定規律沿河道自上游向下游運動）和歷史數據建立河道中上游斷面的水位（流量）與下游斷面的水位（流量）的相關關系，由上游斷面的洪水位和洪水流量來預報下游的洪水位和洪水流量。這是一種比較簡便的預報方法，主要用于河道洪水預報。為了提高精度，有時用不同影響因素（如區間降雨、區間入流等）作參數。

1.2 模型方法

模型方法是根據水文規律將已知要素和條件與未知要素之間建立起一套數學公式，用已發生的水文要素來計算分析未來水文要素的變化的方法。模型方法的特點是模擬水文系統內在關系的方法，旨在試圖描述水文現象間內在的聯系與變化過程，比經驗相關法有了很大的進步，水文模型一直是水文學研究的熱點。

從20世紀60年代起，國內外研發了許多用于水文預報的水文模型，如美國的斯坦福（Stanford）模型和薩克拉門托（Sacramento）模型，日本的水箱（或坦克Tank）模型、TOPMODEL模型，我國開發的新安江模型、雙超模型、陜北模型、河北雨洪模型等，這些模型在水文預報中得到了很好應用。

流域水文模型按照是否考慮水文過程的隨機性問題可分為確定性模型、隨機性模型及混合型三類。其中，確定性模型是指使用同樣的輸入數據在相同的條件下運行模型會得到同樣的結果。目前大多數的水文模型都屬于確定性模型。按照水循環要素過程描述方法不同，確定性水文模型分為經驗模型、概念模型和物理模型三類。

經驗模型又稱“黑箱”模型，顧名思義是不分析水文過程的內在物理因果關系，而只基于對輸入輸出系列的經驗性分析建立數學方程。代表性模型有：總徑流線性響應模型（TLR）、線性擾動模型（LPM）以及神經網絡（ANN）等。

概念模型又稱“灰箱”模型，利用一些簡單的物理概念和經驗公式，如下滲曲線、匯流單位線、蒸發公式或有物理意義的結構單元如線性水庫、線性河段等，組成一個系統來近似地描述流域水文過程。模型參數雖然具有一定的物理意義，但難于直接推算，需要根據歷史數據進行率定。代表性模型有：美國的斯坦福模型、我國的新安江模型等。

物理模型又稱“白箱”模型，是依據水流的連續方程和動量方程來求解水流在流域的時間和空間的變化規律。模型參數可以推求或測算。代表模型有：SHE模型、DBSIN模型等。

水文模型按照空間尺度劃分，又可分為集總式流域水文模型和分布式水文模型。

集總式模型，不考慮水文過程、輸入變量、邊界條件和流域幾何特征的空間變異性，把全流域當作一個整體來建立模型，即對流域參數進行均勻處理。大多數傳統的水文模型都屬于這種模型。

分布式模型，考慮水文過程、輸入變量、邊界條件和流域幾何特征的空間變異性，將流域劃分為很多小單元進行建模。分布式水文模型是上世紀80年代中期以后，伴隨著計算機技術、地理信息系統和遙感技術發展起來的一種現代模型，代表模型有SHE模型、SWAT模型等。

另外，介于集總式模型和分布式模型之間，還有一種所謂的半分布式模型，其典型代表有以地形為水文過程空間變異性基礎的TOPMODEL模型。

2 海河流域水文預報工作發展過程及成就

海河流域的水文預報工作伴隨著新中國的成長取得了長足的發展，完成了從經驗到模型、從手工到計算機化的進步，在“63·8”、“94·7”和“96·8”等大水中發揮了重要作用。上世紀80年代末，海委組織海河流域各省（市、區）進行水文預報方案的匯編工作，并于1993年編制完成了《海河流域實用水文預報方案》。2006年，對其進行了修訂，目前共有77套預報方案，涵蓋了海河流域所有大型水庫、部分中型水庫和大部分河道重要防洪控制節點，其中部分重要節點有兩套以上預報方案。

海河流域利用經驗方法進行產流預報主要是采用經驗相關圖法，使用的流域水文模型主要是新安江模型，此外根據流域特點還自主研發了河北雨洪模型等實用的模型。河道匯流預報多采用馬斯京根法，近年對于部分蓄滯洪區和河道洪水演進預報建立了水力學模型，目前也開始嘗試利用分布式水文模型開展洪水預報。

海河流域已編制的預報方案基本上實現了計算機化，并建立了許多預報系統，包括以中國洪水預報系統為基礎開發的海河流域洪水預報系統，與調度相結合建立了分河系的預報調度系統，各省市都開發了各自區域的洪水預報系統。在系統建設中，一些先進的功能如實時在線聯機在線預報、模擬預報、人機交互、多方案對比等得到實現，一些先進的技術如參數自動優化技術、數字高程提取技術、遙感技術、地理信息系統技術等得到初步應用。水文預報需要的實時信息如雨量、流量、水位等基本上實現了自動監測、自動傳輸、自動入庫，并可以在20 min內從測站收集到流域水文局。

流域內建立起了海委水文局、省（市、區）水文局和地區水文局三級預報隊伍。一般過程洪水，無論是否有可能出災都進行作業預報。同時，為了提高鍛煉隊伍和作業預報水平，經常開展流域內的水文預報演練。

由于受客觀因素影響，海河流域整體水文預報工作還不能滿足防汛抗旱等水利工作的要求，水文預報難仍然是流域防汛工作難題之一。目前，流域水文預報的精度與淮河、長江等南方流域相比還有差距，許多情況下只能提供參考預報。

近年來，海河流域下墊面發生了很大變化，如水利工程的建設、土地的開發、城鎮化的發展、交通設施的修建、地下水的開采等，使流域的產匯流特性發生了很大變化，原有預報方案已經不適合現狀的水文預報，而流域多年沒有出現大水，原有的經驗方案和模型方案都是依靠90年代以前的場次洪水來進行參數率定和調線的，沒有足夠新增的較大量級的場次洪水就很難進行方案修訂。

制約海河流域水文預報水平的因素還有很多。如，信息源不足，雨量站和水文站不能控制降雨和徑流過程；預報方案比較單一，不能適應流域復雜的河流和暴雨洪水特性；部分重要節點如蓄滯洪區還沒有預報方案；預報系統靈活性、交互性還較差；大部分預報人員沒有經過洪水考驗，因而預報經驗不足等。

3 海河流域水文預報工作發展趨勢

“更早、更快、更準、更全面”一直是水文預報工作努力的方向。隨著科學技術的進步，通過水文工作者的不懈努力，水文預報工作也會不斷進步。

3.1 信息獲取將從以點為主的方式向以面為主、點面結合的方式發展

目前開展水文預報所需要的信息如雨量、蒸發量、土壤含水量等主要是通過設站監測的方式獲得，不可避免地會產生代表性是否合理的問題，由于密度有限，很難真實地反映區域的整體情況。以面監測獲取預報信息的手段已經開始應用，并且隨著遙感等技術的不斷發展和更加快速、更加經濟、更加實效的產品的不斷推出，在未來的水文預報中會得到更廣泛的應用。如，利用衛星遙感、天氣雷達等定量測算面雨量，利用遙感反演陸地和水面蒸發量，利用遙感監測土壤墑情和含水量，利用遙感及時掌握流域下墊面的變化情況（如土地利用、地形地貌、植被覆蓋、水利工程、河道變化等）。將獲取的面信息和監測站的信息結合使用，可以大大提高預報信息的準確度，從而提高預報精度。

3.2 物理模型將在預報中得到廣泛應用

具有明確物理機理、模型參數可以推求或測算的物理模型如現代的分布式水文模型將得到推廣和應用，特別是對于海河流域場次洪水資料缺乏地區來說更有發展前景。雖然目前還存在基礎資料和實時信息不能滿足物理模型的要求、發揮其應有的優勢問題，但隨著資料獲取和分析技術的發展、預報信息的豐富、計算機運算速度的提高，物理模型將發揮更大的作用。

3.3 預報系統將更加智能化

隨著計算機、網絡信息和地理信息等技術的發展，預報系統將更加靈活和智能化。具有良好的人機對話功能，操作靈活，可擴展性強，應變能力強，可以應對分洪、決口等非常情況下的預報需求，具有參數自動優化、自動預警預報、自動校正、專家交互等功能的預報系統將不斷發展。 預報員、專家的經驗將嵌入預報系統中，實現自動評估決策。

預報系統的開發將更加專業化、標準化。流域統一的預報平臺將為各級預報人員提供服務，且不斷統一升級，將預報人員從復雜的系統開發中解放出來，把更多的精力用于理論研究和作業預報。

3.4 水文預報服務將更加全面

隨著社會經濟的發展，社會對水文提出了更多需求，水文預報范圍也會不斷擴大。目前，海河流域的洪水預報還主要針對大中型水庫和骨干河道，對于中小河流洪水、城市洪水還沒有開展有效預報。但是，現在的中小河流往往是洪災多發區，傷亡情況嚴重；城市防洪問題越來越突出，暴雨造成城市大范圍積水、交通中斷甚至人員傷亡，這都需要開展及時的預報，以減輕災害損失。在傳統的為防洪服務的洪水預報發展的同時，為抗旱、水資源管理、水生態保護等服務的枯季徑流預報、墑情預報、地下水位預報、冰情預報、風暴潮預報、水質預報等也將全面發展。總之，水文預報是一項非常基礎而且重要的工作，也是一項涉及多學科較為復雜和具有較高科技含量的工作。海河流域的水文預報工作有許多難題亟待破解，需要水文工作者及相關學科工作者共同努力，不斷研究探索、大膽創新、勇于實踐，努力提高海河流域的水文預報水平。

[1]賈仰文，王浩，倪廣恒，等.分布式流域水文模型原理與實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[2]梁家志，王俊.水文情報預報技術手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[3]劉金平，張建云.中國水文預報技術的發展與展望[J].水文，2005（6）.