黑龍江省洪水預報的進展

楊廣云，廖厚初

(黑龍江省水文局，黑龍江 哈爾濱 150001)

黑龍江省的水文觀測可追溯到清朝光緒二十四年(1898年)，當時沙皇俄國在黑龍江省境內修筑“中東鐵路”，為在松花江上修建鐵路橋的需要，由“中東鐵路工程局”選定哈爾濱松花江今濱州鐵路橋附近設立水尺，1898年5月25日建立了第一個水位站，進行水文觀測。從此掀開了黑龍江省水文測驗工作的序幕，至今已有120年的歷史[1]。1933年，偽滿洲國大規(guī)模的設站，1945年內戰(zhàn)暴發(fā)，站網(wǎng)全面癱瘓，所有測站全部停測。東北解放后，水文觀測開始全面恢復，1956年進行第一次水文站網(wǎng)規(guī)劃，制訂了統(tǒng)一的報汛辦法，加強了對洪水的監(jiān)測預報工作，洪水預報業(yè)務技術得到迅速發(fā)展提高。1957年、1960年、1991年、1998年、2013年松花江大洪水,1958年、1984年、2013年黑龍江大洪水，都由于洪水預報準確及時，為正確作出防汛決策提供了科學依據(jù)。

1 洪水預報

新中國成立以來，黑龍江省洪水預報工作從無到有、由點到面迅速發(fā)展起來。20世紀50—60 年代，學習、吸收蘇聯(lián)的洪水預報方法，為黑龍江省洪水預報工作奠定了基礎。70—80年代，國內開始對降雨徑流關系進行研究，特別是河海大學趙人俊教授研究的新安江模型獲得成功，隨后在全國范圍內推廣應用。90年代以后，不少研究者對黑龍江的洪水預報進行了研究和分析，如張德偉等[2]建立了黑龍江省主要江河長期洪水預報系統(tǒng)；閻琛榮等[3]對黑龍江洪水預報方法進行了改進；郭姚生等[4]對黑龍江中游的特大洪水預報進行分析研究；劉清仁等[5]對1998年嫩江松花江洪水預報及成因分析研究。特別是2003年以后，隨著通信、計算機、網(wǎng)絡等技術在水文預報領域中的推廣應用，黑龍江省洪水預報在預報模型和方法、洪水預報系統(tǒng)建設等方面有了很大的提高,如李亞龍等[6]應用灰色系統(tǒng)預測預報黑龍江洪水；肖興濤等[7]應用黑龍江省洪水預報系統(tǒng)對小流域洪水進行預報。多年來水文工作者在洪水預報工作中積累了大量的工作經(jīng)驗，建立了各水文站洪水預報方案，2003年匯編了松花江流域實用洪水預報方案，2009年匯編了黑龍江省實用洪水預報方案，2004年建立了黑龍江省主要江河洪水預報系統(tǒng)，2005年引進中國洪水預報系統(tǒng)，2013年開發(fā)了黑龍江省洪水預報系統(tǒng)。目前，黑龍江省洪水預報采取的方法主要包括實用洪水預報方案和洪水預報系統(tǒng)。

1.1 實用洪水預報方案

經(jīng)過幾十年的實踐經(jīng)驗和研究，已形成一套比較完整的、適合黑龍江省的實用洪水預報和計算方法，主要有經(jīng)驗相關法、降雨產(chǎn)匯流預報。

1.1.1 相應水位(流量)相關法

相應水位(流量)相關法是大江大河中下游河段普遍采用的一種實用洪水預報方法，它根據(jù)天然河道洪水波運動原理，在分析歷史大量實測的河段上下游斷面水位(流量)過程線上,任一時刻的水位自上站傳播到下站的相應水位(流量)之間的定量關系及其傳播速度的變化規(guī)律的基礎上，建立的經(jīng)驗相關關系，之后可根據(jù)此相關關系進行單站洪峰水位(流量)預報。在幾輩水文人的努力下，建立了一套比較完整的相關圖預報方案。但隨著河道沖淤的變化、工程建設的影響，下墊面發(fā)生了很大的變化，原來建立的相關圖預報方案已不適用，因此每隔5 a要重新修訂一次預報方案。例如2013年黑龍江中下游發(fā)生特大洪水，利用水位相關圖預報方案，提前二十余天準確的預報了黑瞎子島將要淹沒。正常情況下相關圖預報是只有在上一站出現(xiàn)洪峰水位(流量)了才能預報一下站的洪峰水位(流量)，但是考慮到黑龍江干流河道比較穩(wěn)定，采用越站預報，跨越了6個站，遇見期提前了十幾天，為相關圖的預報創(chuàng)造一個新的亮點。

1.1.2 降雨產(chǎn)匯流預報

產(chǎn)匯流預報分為降雨產(chǎn)流預報和匯流預報兩部分。降雨產(chǎn)流預報是以降雨徑流形成理論和坡地產(chǎn)流基本規(guī)律為基礎，由降雨量預報流域出口斷面的徑流量[8]。主要的預報方法采用降雨徑流相關圖法。

降雨徑流相關圖是在成因分析的基礎上，用每次流域平均雨量和相應產(chǎn)生的徑流總量，以及影響它們的主要因素所建立起來的一種定量相關圖。黑龍江省屬于半濕潤地區(qū)，一般考慮為蓄滿產(chǎn)流，在建立相關圖中的影響因素只考慮前期影響雨量Pa，即R=f(P，Pa)相關圖。該方法適用于一些中小河流，需要對流域進行分塊產(chǎn)流計算，更好地考慮流域內下墊面不同以及局部產(chǎn)流，利于提高產(chǎn)流計算的精度，對于大江大河預報效果不是很好。

黑龍江省屬于半濕潤地區(qū)，地面、壤中和地下徑流都有，在計算徑流時多采用謝爾曼單位線。在編制預報方案時，可以根據(jù)不同的暴雨等級、暴雨中心位置，編制不同的單位線。目前，隨著計算機科技的發(fā)展，可以采用計算機進行單位線計算和方案編制，方便快捷。全省已有50余處水文站建立了單位線預報方案。

1.2 洪水預報系統(tǒng)

2005年，黑龍江省水文局從水利部水文局引進中國洪水預報系統(tǒng)，經(jīng)過近些年的不斷應用、升級和完善，在防汛水文預報工作中發(fā)揮了重要作用。中國洪水預報系統(tǒng)以實時水情數(shù)據(jù)庫為依托，以地理信息系統(tǒng)為平臺，能方便地構建五類洪水預報方案，具有通用的預報模型方法庫，可以任意選擇多模型、多方法制定預報方案；具有人工和自動優(yōu)選相結合的模型率定功能，具有定時預報和人機交互預報功能；可干預任何信息源和預報過程，具有先進的泰森多邊形動態(tài)計算方法和雨量缺測計算方法，具有全面完善的系統(tǒng)管理功能等。該系統(tǒng)具有科學先進、功能齊全、通用性強、操作簡便等特點[9]。

1.2.1 系統(tǒng)主要功能

(1)構建預報方案。系統(tǒng)可以通過人機界面簡單、快速地構建常用的預報方案，能管理所有預報方案[8]，可進行多站、多流域、河系連續(xù)預報。預報方案是預報模型和方法同預報斷面有關的河段和流域特性以及洪水特性的具體結合。目前，可通過人機界面構建的預報方案有經(jīng)驗相關圖、經(jīng)驗模型預報方案、概念模型預報方案等。

(2)模型率定。系統(tǒng)通過人機界面的自動優(yōu)選和人工試錯兩種方式結合，完成所編制的預報方案中預報模型參數(shù)的率定，并同時可進行多模型參數(shù)自動優(yōu)選。系統(tǒng)也可對標準化預報模型中的單值參數(shù)進行自動優(yōu)選，并可依據(jù)對模型、洪水和流域特性的熟悉程度采用內置的人工試錯方法進行參數(shù)優(yōu)化調整，完成預報方案的最終建立。

系統(tǒng)有確定性系數(shù)和水量平衡兩種目標函數(shù)可供選擇，不僅可設定計算目標函數(shù)的閾值，還可以設定任何連續(xù)或間斷歷史水文資料系列用于率定，根據(jù)預報方案屬性自動從專用數(shù)據(jù)庫中獲取并生成用于模型率定的歷史數(shù)據(jù)文件。模型率定完成后，所保存的率定結果即可用于實時作業(yè)預報。

(3)實時作業(yè)預報。該系統(tǒng)可根據(jù)預報方案的屬性自動從實時水情數(shù)據(jù)庫和專用數(shù)據(jù)庫中獲取預報根據(jù)站點實時信息、數(shù)據(jù)預處理、預報模型參數(shù)狀態(tài)，完成預報方案各輸入的模型計算，最后得到預報結果。并可根據(jù)預報經(jīng)驗通過人工干預預報進程和修改預報方案屬性進行綜合分析，提高預報精度[10]。

(4)人工交互作業(yè)預報。系統(tǒng)的人工交互預報采用圖形和表格方式，為預報員方便判斷數(shù)據(jù)或模擬成果正確性提供所需要的信息，并方便快速地將判斷付諸行動，使預報能反映它們對當前和未來水文氣象條件的最佳估計。該模塊在充分吸收國內外現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎上，結合我國的具體實際，開發(fā)了降雨量輸入交互、預見期降雨處理、流量輸入交互、模型參數(shù)交互、模型狀態(tài)交互、成果綜合優(yōu)選交互、水位流量關系曲線交互等人機交互界面，在后臺技術層上開發(fā)了退水圖形處理技術和過程線橡皮筋技術[11]。

1.2.2 實用模塊、預報方法和模型

系統(tǒng)采用完全模塊化結構，系統(tǒng)對那些可獨立于預報模型、預報方案和預報系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊，根據(jù)其數(shù)據(jù)處理功能開發(fā)成標準的實用模塊，系統(tǒng)與實用模塊的通信采用參變量和數(shù)據(jù)文件，各類數(shù)據(jù)文件格式均有標準化的規(guī)定[11]。目前，系統(tǒng)開發(fā)完成的標準實用模塊有：模型參數(shù)文件生產(chǎn)模塊、模型狀態(tài)文件生產(chǎn)模塊、雨量站號和流量站號系列獲取模塊、泰森多邊形控制面積計算模塊、等時段點雨量系列計算模塊、權重法面雨量系列計算模塊、網(wǎng)格法面雨量系列計算模塊、等雨量線計算模塊、假定雨量定量及時間分配模塊、等時段水位流量系列計算模塊、水位流量相互轉換模塊、流量合成法模塊、預報數(shù)據(jù)入庫模塊、誤差系列校正模塊、預報方案輸入和輸出模塊等。

目前，系統(tǒng)已納入的標準預報模型有：三水源蓄滿產(chǎn)流模型(SMS_3)、三水源滯后演算法(LAG_3)、馬斯京根河道連續(xù)演算法(MSK)、降雨徑流相關圖法(P_RZHJR)、流域經(jīng)驗單位線法(UH_B)、神經(jīng)網(wǎng)絡模型(BP)等國內外主要模型[8]。此外，黑龍江省水文局依據(jù)特定斷面洪水屬性和多年經(jīng)驗，開發(fā)并集成了適宜黑龍江省地區(qū)的經(jīng)驗預報模型。修訂150處水文站、水位站已有的經(jīng)驗預報方案，納入系統(tǒng)當中。

經(jīng)過近十多年的發(fā)展與建設，黑龍江省水文局已形成比較完善的洪水預報系統(tǒng)，可以隨時根據(jù)已知情況進行洪水作業(yè)預報，提高了時效性，預報精度達到85%，滿足洪水預報的要求，為防汛抗洪搶險爭取了寶貴時間，提供了可靠的技術支撐。

2 典型洪水預報

2.1 2013年黑龍江全流域大洪水

2013年，嫩江、松花江、烏蘇里江、黑龍江發(fā)生了全流域大洪水，特別是黑龍江干流同江至撫遠段發(fā)生超百年一遇的特大洪水，第一時間將預警預報信息報送各級領導和相關部門，提示重點區(qū)域、重點部位的暴雨洪水防范工作。8月10日晚，在防汛工作緊急會議上，黑龍江省水文局提出了“黑龍江中游將發(fā)生接近或超過1984年的大洪水，同江至撫遠江段將發(fā)生超百年一遇特大洪水，黑瞎子島將全部淹沒”的預測預報，提前23 d為各級領導抗洪搶險指揮決策提供了重要的參考依據(jù)，最大限度地爭取了主動權。為確保肇源縣和松花江干流的防洪安全，按照黑龍江省委省政府“調控尼爾基水庫、豐滿水庫泄流，死守肇源堤防，控制哈爾濱、大慶洪水流量”的總體部署和省水利廳的工作安排，黑龍江省水文局根據(jù)尼爾基水庫、豐滿水庫9種不同的泄流條件，利用洪水預報系統(tǒng)制定了聯(lián)合調度方案，供防汛指揮決策部門參考，有效控制下游洪峰流量，減小了松花江干流沿江城市的防洪壓力[12]。在8月14日提前10 d預報肇源站洪峰水位為129.00 m，實際出現(xiàn)洪峰水位128.99 m，僅差1 cm。在8月18日提前9 d預報哈爾濱洪峰水位119.50 m，實際出現(xiàn)洪峰水位119.49 m，僅差1 cm。哈爾濱市防汛抗旱指揮部根據(jù)預報洪峰水位，及時啟動了防汛Ⅲ級應急響應。正是由于水文部門的精準預報，黑龍江省防汛抗旱指揮中心先后2次對大頂子山航電樞紐下達調度命令，將壩上水位控制到114.50 m，有效減輕了上游哈爾濱等江段防洪壓力。各地安全轉移妥善安置34萬多人。

2.2 2017年暴雨洪水

2017年7月19—21日，拉林河支流牤牛河龍鳳山水庫以上普降大到暴雨，局部降大暴雨，面對突發(fā)生暴雨，黑龍江省防汛抗旱指揮部召集省防汛抗旱保障中心、省水文局等相關部門研究龍鳳山水庫如何科學調度洪水，保證水庫大壩安全。黑龍江省水文局預報人員根據(jù)雨情水情仔細分析水庫庫區(qū)以上降雨時空分布及未來降雨情況，并臨時構建了洪水預報方案預報了龍鳳山水庫入庫過程，并提出調度方案及預報龍鳳山水庫出現(xiàn)最高庫水位值，防汛指揮部門根據(jù)會商結論進行了洪水調度和指揮決策，龍鳳山水庫實際出現(xiàn)的來水過程及最高水位與預報基本吻合。

同期，牡丹江中上游普降大到暴雨，局部降大暴雨，致使牡丹江蓮花電站來水量增加很快，按當時泄流量來看，蓮花電站庫水位很有可能超過允許最高水位218.00 m。省水文局預報人員根據(jù)牡丹江上游及支流的預報來水過程，在保證最高水位不超218.00 m的情況下，制作了4種不同調度方案。省防汛辦和蓮花電站管理部門根據(jù)預報調度意見，并結合實際開展了水庫調度，既保證了水庫本身安全，又保證了水庫下游沿河居民生活和生產(chǎn)安全，實際發(fā)生的結果和預報的結果基本吻合。

3 發(fā)展方向

隨著經(jīng)濟社會的高速發(fā)展、水利改革不斷深入、各種自然災害頻發(fā)，以及科學技術進步，對水文預報的要求也越來越高。今后要以加強能力建設為核心，以服務流域生態(tài)文明建設為手段，以加快科技創(chuàng)新為保障，以提升信息化水平為支撐[1]，以提升洪水預報服務能力為目標，推進傳統(tǒng)經(jīng)驗洪水預報向人機交互洪水預報轉變，加強中小河流和無資料地區(qū)洪水預警預報方法研究，著力提高洪水預報的精度，加強水利工程聯(lián)合調度技術研究，加強水文預報新方法、新技術的應用研究。