加快水文預報不確定研究 實現水文預報與決策耦合

崔紅波

摘 要：洪水災害是各種自然災害中危害性較大的一種，世界上很多國家每年都會受到不同程度的洪水災害的威脅，這給人們的日常生活及社會的正常活動帶來了很大的威脅，每次洪水災害都會使國家承受巨大的經濟損失。上個世紀六十年代，先進的計算機技術及方法開始應用于水文預報工作，并在其中起到了巨大的促進作用，在一定程度上提高了水文預測的準確性，延長了預見期，降低了防洪減災工作的難度。文章旨在針對目前水文預報不確定性進行研究，希望可以提高預報準確性，實現水文預報與決策耦合。

關鍵詞：水文；洪水；災害；預報

由于洪水災害是自然災害，不是人力所能控制的，尤其是突發性的暴雨洪水，確定性的水文預報不能為人們提供準備的精確的情況，預見期也不充足，更是達不到防洪減災工作對風險信息的要求。水文預報不準確的原因有很多：理論不足，水文模型有缺陷、計算不準確等。洪水災害的發生是一個動態的過程，氣象因素與地理因素都是其發生的誘導因素，水文的預報中融合了水文、氣象等多方面的因素，還運用了很多概念意義上水文模型及參數，需要水文專家對輸入信息和輸入信息等進行分析、判斷，這些復雜的因素都使水文預報具有不準確性，并且一直制約著防洪決策工作的正確性。實踐證明，水文預報對于防洪減災的工作決策有重要意義。第一代洪水預測系統出現在上個世紀六十年代，該預報系統成功實現了聯機洪水作業預報的功能；在上個世紀八十年代，洪水預測領域提高了一個層次，將自動控制理論實時預報技術引入進來并且進行了融合，實現了洪水預報的自動實時校正。水文預報系統一直在變革、創新，由此可見加強水文預報不確定研究以實現水文預報與決策耦合的重要性。作者將在下文中結合自己幾年的工作經驗對加強水文預測不確定性研究的現狀及發展趨勢進行探究，有不足之處，還請指教。

1 對水文預報不確定性的來源及分類進行分析

1.1 水文現象具有模糊性和不確定性

水文現象的形成是一個漫長而復雜的過程，在形成的過程中會受到初始條件、噪聲干擾以及其他不可預見的的因素所影響，因此，或多或少都會呈現出一定的模糊性和不確定性，這也是水文預報不確定性的根本原因之一。

1.2 水文模型的結構存在問題

水文模式在水文研究和預報中起到重要的作用，是研究自然規律和解決水文問題的重要工具，一般分為三類：系統模型、概念模型以及物理模型。每種模型的作用都是為了對復雜的水文物理現象進行分析和研究，通過新理論和的新方法指導，最終達到消除水文預報誤差的目的。然而，實際情況時無論哪種水文模型在結構上都會有一定的誤差，其精度與實際防洪要的差距仍然很大。

1.3 模型參數的優選誤差

水文研究中的模型既有一定的物理意義又有其推理化的成分，因此，很多模型都需要由實測資料通過參數優選得到。在挑選的過程中涉及到優選方法的選擇、目標函數的確定等，這也就增加了模型參數的優選誤差。

1.4 模型不確定性輸入的誤差

水文預測的精度受到預見期內的降水的影響，并且影響的程度隨著預見期的增長而變大。自上個世紀七十年代美國氣象局最早提出概率降水至今，很多水文科研工作者對定量降水預報進行了深入的研究，提出了雷達測雨、云降水模型等方法。然而由于中小尺度降水的資料有限，很多研究還停留在提出假設的層面，并沒有全面的認識降水形成的物理過程，這就導致定量降水預報的準確性不高，以此為輸入的水文預報結果必然也就不準。

2 水文預報不準確性的來源

2.1 水文現象自身具有不確定性

水文現象是一個復雜而漫長的形成過程，在該過程中會受到很多因素的影響，因此，水文現象一直都處于模糊、不確定的狀態，按照水文現象的形態可以將其分為隨機不確定性和模糊不確定性。

2.2 水文模型具有不確定性

水文模型的結構和參數是相輔相成、缺一不可的，分別對水文模型的結構和參數的誤差進行量化是不可能實現的，也是沒有意義的，因此，將水文模型結構的誤差和參數優選的誤差統稱為水文模型的不確定性。

2.3 輸入信息的不確定性

水文模型的輸入分為兩種類型：確定性輸入和不確定性輸入，確定性的輸入在水文預報時是時刻被我們所掌握的，不確定輸入指的就是指定量降水預報，由此導致的水文預報不確定性稱之為定量降水預報不確定性。

3 對水文預報不確定性的進展進行研究

3.1 水文現象不確定性的研究進展

目前對水文現象不確定性的研究方法主要分為隨機水文學和模糊水文學兩種。對文學現象的不確定性研究主要是為了了解水文現象的變化規律以研制更準確的模型用來研究水文現象的隨機性、模糊性以及確定性，進而從根本上解決水文現象確定性、隨機性以及模糊性之間的問題。水文現象是一種自然現象，是極為復雜的，要想精確的研究出其規律，對其現象解釋是非常難的，因此，隨機水文學就是巧妙的將隨機數學理論與實際的水文物理現象進行融合，這就是所謂的水文現象的不確定性；目前很多水文水資源系統中的概念還沒有確定，對立的概念之間存在一定的過渡階段，這些問題都體現出了水文現象的模糊性。

3.2 概率水文預報的研究進展

概率水文預報指的是利用一切可以利用的資源對水文預報的不確定性以概率分布的形式定量表達。隨著二十一世紀以來計算機技術的迅速發展，水文預報領域也充分對計算機技術和新方法進行應用，使得概率水文預報有很好的發展空間和前景。概率水文預報的形式是水文預報發展的必然結果，該預報形式靈活多樣，可以很好的解決水文模型結構及參數優化方面的問題，還可以利用卡爾曼濾波法等對模型輸出的結果進行后續處理。

3.3 概率水文預報的潛在優點

隨著我國科技水平不斷發展，概率水文預報必將成為水文預報的主要形式以及水文決策的重要依據，對我國防洪救災工作有重要的意義。其潛在優點主要表現在以下幾個方面：首先，概率水文預報與確定性的水文預報更加真實、科學、可靠，它將水文現象的不確定性融入其中并且對其進行了描述；其次，概率水文預報可以對洪水觀測的調整、洪水預報以及警報的風險標準調整起到一定的作用；再次，概率水文預報可以為有關部門的防洪減災工作決策提供必要的信息，使決策部門可以將可能存在的風險提前把握；最后就是概率水文決策能夠實現水文預報與決策過程的耦合，將最終的決策權交給決策者。

4 結束語

通過上文的論述，我們可以清晰的認識到當前我國的水文預報工作存在的問題以及加快水文預報不確定研究以實現水文預報與決策耦合的重要性。近些年，隨著我國經濟的不斷發展，人們的生活水平也逐漸提高，對防洪決策風險信息的需求也不斷增強，這使我國的水文預報工作承受巨大的壓力、面臨嚴峻的挑戰。針對這一系列的問題，我們廣大水文預報研究工作者一定要加強對水文機理的研究，盡可能的減少水文模型及參數的不確定性，此外，還要充分的利用天氣預報、雷達等先進技術進行定量降水預報。我們完全有理由相信，天道酬勤，只要我們廣大水文預報工作者恪盡職守、無私奉獻，對加快水文預報不確定性進行研究，促進水文預報與決策耦合，一定能夠在最大程度上促進我國防洪減災工作的進行。

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