水文站洪水預(yù)報(bào)的不確定性來源分析

徐峰

摘 要：近年來，各國更加注重對洪水的預(yù)報(bào)理論和預(yù)報(bào)方法的研究，但鮮少有學(xué)者對洪水預(yù)報(bào)不確定性的來源進(jìn)行分析。眾所周知，水文預(yù)測中的不確定性包括自然環(huán)境變幻莫測、引用資料不準(zhǔn)確、模型參數(shù)及其結(jié)構(gòu)的不準(zhǔn)確性三個(gè)方面。分析水文站洪水預(yù)報(bào)中的不確定性來源，可有效指導(dǎo)和改進(jìn)洪水預(yù)報(bào)理論的應(yīng)用，提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：不確定性；不確定性來源；水文模型

中圖分類號(hào)：P338 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2017）06-0124-02

Analysis of the Uncertainty Sources of flood

Forecasting in Hydrological Stations

Xu Feng

（Xinyang Hydrology and Water Resources Survey Bureau，Xinyang Henan 464000）

Abstract： In recent years， countries have paid more attention to the study of flood forecasting theories and methods， but few scholars have analyzed the sources of flood forecasting uncertainty. It is well known that the uncertainties in hydrological forecasting include three aspects： the unpredictable nature environment， inaccurate reference data， and inaccurate model parameters and their structure. Analysis of the uncertainty sources in flood forecasting of hydrological stations can effectively guide and improve the application of flood forecasting theory and improve the accuracy of prediction.

Keywords： uncertainty；uncertainty sources；hydrological model

在對洪水的預(yù)測中，不管是輸入部分的數(shù)據(jù)，還是水文系統(tǒng)中預(yù)測的數(shù)據(jù)都存在不確定性。各種水文預(yù)報(bào)中的數(shù)據(jù)是混在一起處理的，所以存在一定的誤差，從而出現(xiàn)數(shù)據(jù)的不確定性。現(xiàn)在的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)確實(shí)提高了預(yù)報(bào)的精確度，但仍不能忽略預(yù)報(bào)中的不確定性。

1 水文站洪水預(yù)報(bào)不確定性分析

水文預(yù)測中的不確定性包括自然環(huán)境變幻莫測、引用資料不準(zhǔn)確、模型參數(shù)及其結(jié)構(gòu)的不準(zhǔn)確性三方面[1]。

1.1 自然現(xiàn)場本身的隨機(jī)性

大自然是變化多端的，而水文的變化與自然變化雷同。水文現(xiàn)象是一種概化的自然現(xiàn)象，自然環(huán)境的變化同時(shí)會(huì)影響水文的變化。在水文站預(yù)測洪水情況時(shí)，自然環(huán)境不斷變化會(huì)給檢測帶來誤差，即使模型參數(shù)已準(zhǔn)確，也不能完全避免預(yù)測誤差。重要預(yù)報(bào)發(fā)布前都要組織會(huì)商，根據(jù)幾種方法推算的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，進(jìn)行成果的綜合分析比較，查找歷史上類似的暴雨洪水檔案，分析比較將要出現(xiàn)的洪水趨勢，然后再發(fā)布。

1.2 數(shù)據(jù)資料的不準(zhǔn)確

在水文預(yù)報(bào)中，需收集和傳輸很多資料，如雨量資料、流量資料、蒸散發(fā)和土壤濕度資料等，但這些資料在收集獲取過程中，往往存在不確定和誤差。此外，水文站的檢測設(shè)備使用不合理也會(huì)造成數(shù)據(jù)資料存在較大誤差。

1.2.1 雨量資料的不準(zhǔn)確。導(dǎo)致檢測雨量資料誤差的原因有許多。比如，在實(shí)際檢測過程中，選用當(dāng)?shù)夭煌牡攸c(diǎn)作為站點(diǎn)來進(jìn)行觀測收集雨量資料，選用站點(diǎn)數(shù)量的不同（可以是2個(gè)、3個(gè)或4個(gè)）可能會(huì)造成誤差。而被選做檢測點(diǎn)的地點(diǎn)差異也將直接導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果不準(zhǔn)確。此外，雨量計(jì)制造精度也會(huì)影響檢測結(jié)果，如儀器本身就或多或少地存在測量方面的誤差，不能百分之百確定降雨量；監(jiān)測點(diǎn)的分布與檢測點(diǎn)周圍的環(huán)境也會(huì)對雨量計(jì)的測量結(jié)果產(chǎn)生影響。此外，降雨時(shí)時(shí)空的變化，水文站的站網(wǎng)測得的平均降雨量與實(shí)際平均雨量在數(shù)值上會(huì)有一定差異；雨量計(jì)的時(shí)鐘與水文站的時(shí)鐘時(shí)間不同步，這些因素也會(huì)對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。

1.2.2 流量資料的不準(zhǔn)確。對水文模型產(chǎn)生影響的因素有兩大方面：一是雨量資料的不準(zhǔn)確；二是水流量資料的不準(zhǔn)確。其中，水流量資料的不準(zhǔn)確對水文模型準(zhǔn)確性的影響相對較小。流量資料的收集是一個(gè)比較簡單的過程，出現(xiàn)的誤差較小；但在雨量資料收集過程中，由于能提供的資料較少，且收集過程較復(fù)雜，對水文檢測的結(jié)果影響較大。

1.2.3 土壤濕度和蒸發(fā)對檢測的影響。土壤的含水量和蒸發(fā)能力會(huì)直接影響對水文預(yù)測的檢測結(jié)果。土壤含水量即土壤濕度，前期土壤的含水量是影響洪水形成的重要物理因素，而蒸散發(fā)能力的強(qiáng)弱則直接決定土壤的含水量。土壤含水量和蒸散發(fā)能力這兩者相輔相成，相互影響。水文站站網(wǎng)布設(shè)是否合理與水文站儀器設(shè)備性能的好壞是導(dǎo)致蒸散發(fā)及土壤濕度誤差的主要原因。

2 預(yù)測不確定性的來源

2.1 水文模型參數(shù)的不確定性

在對水文的預(yù)測過程中，對于不確定的模型參數(shù)，無論是參考的歷史資料，還是通過物理方法進(jìn)行的實(shí)地調(diào)查，都存在不準(zhǔn)確性。而對于已確定的模型，參數(shù)的不確定性表現(xiàn)出兩方面的問題：一是對某次洪水預(yù)測的參數(shù)的不確定性；二是在檢測過程引用的資料的不確定性[2]。各參數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差是通過函數(shù)計(jì)算出的，根據(jù)一定的目標(biāo)函數(shù)計(jì)算出多個(gè)洪水參數(shù)，從而得到結(jié)果，確定出相對來說最準(zhǔn)確的一組參數(shù)。然而，對于非線性降雨來說，利用上述模型得出的結(jié)果存在偏差，但最終結(jié)果相差不大。

2.2 不確定的水文結(jié)構(gòu)模型

自然的抽象化就是我們所說的模型，而水文模型就是對水文現(xiàn)象的概化，是符號(hào)的綜合體，是數(shù)字模型用數(shù)學(xué)語言將自然現(xiàn)象符號(hào)化的水文學(xué)應(yīng)用。為了模擬水文現(xiàn)象而建立的試題結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)與和邏輯結(jié)構(gòu)，模型即使足夠完美，也不能準(zhǔn)確無誤地完全模擬洪水的過程線，不能真正反映流域降雨徑流的物理過程。以概念模型為例，如若模型只簡單地具有物理意義，沒有嚴(yán)格的物理定律基礎(chǔ)，那么我們通常稱其為概念模型，而概念性是匯流過程的簡化，有多個(gè)環(huán)節(jié)，而每個(gè)環(huán)節(jié)又包含多個(gè)子環(huán)節(jié)，因?yàn)榧?xì)節(jié)過多，所以偏差較大。所有的概念模型都有多個(gè)環(huán)節(jié)，所以存在誤差和不確定性。

2.3 可預(yù)測的不確定因素

說到關(guān)于水文預(yù)報(bào)可預(yù)測的不確定因素，人們可能都會(huì)想到克日什托夫維奇，他曾經(jīng)向水文工作者們闡述過關(guān)于可預(yù)測的不確定因素的真正含義。而他所提到的內(nèi)容，我們并不難理解，但如果深入探究，又無從下手，存在解不開的地方，現(xiàn)從以下兩點(diǎn)說明為什么大家都不太清楚克日什托夫維奇提出的導(dǎo)致水文預(yù)報(bào)可預(yù)測不確定性的因素。

2.3.1 預(yù)測數(shù)值的不確定性。預(yù)測的目標(biāo)不是描述那些由水文預(yù)測模型生成的不定因素，而是要提供對未來降雨、出流及損失方面的數(shù)值的不確定因素[3]。這一數(shù)值對水文預(yù)測是至關(guān)重要的，對天文學(xué)家研究水文極為有用。

2.3.2 水文模型預(yù)測的不確定性。水文模型是對自然的抽象概括，是對現(xiàn)實(shí)世界的虛化，是一種象征性的符號(hào)。水文模型可以使人們將獲得有關(guān)未來的知識(shí)，人們雖然將這一預(yù)測的結(jié)果看作不確定的結(jié)果，但還是有參考價(jià)值的。

3 水文站洪水預(yù)報(bào)不確定性控制的發(fā)展分析

我國自建國以來，已經(jīng)有幾十年的歷史了。新中國的水文檢測預(yù)報(bào)，是從無到有，從少到多一點(diǎn)點(diǎn)積累、慢慢摸索著發(fā)展起來的。從那時(shí)起，我國開始選派相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行深入研究，最終使水文監(jiān)測預(yù)報(bào)成功發(fā)展。希望可以通過對水文預(yù)報(bào)在現(xiàn)實(shí)生活中的研究，對水文預(yù)報(bào)行業(yè)的發(fā)展進(jìn)行展望，使水文預(yù)報(bào)在防災(zāi)中為人們提供更好的服務(wù)。

4 結(jié)語

分析洪水預(yù)報(bào)中的不確定因素，對預(yù)報(bào)理論和預(yù)報(bào)方法具有重要的理論和指導(dǎo)意義。根據(jù)實(shí)際情況制定合理、科學(xué)的預(yù)測方法，建立合適的預(yù)測模型。此外，這些不確定因素對防洪系統(tǒng)的調(diào)整和風(fēng)險(xiǎn)分析也有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]叢立林，戰(zhàn)偉.水文站短期洪水預(yù)報(bào)方法分析[J].東北水利水電，2011（6）：35-36.

[2]張政，薛小龍，張玉芹.洪水預(yù)報(bào)中不確定性分析[J].山西水利，2012（5）：16-17.

[3]秦占榮.淺析洪水預(yù)報(bào)中的不確定性來源[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2014（5）：231-232.