黃河水量調度徑流預報方法研究

王春青，陳冬伶

（黃河水利委員會水文局，河南鄭州450004）

1 引 言

黃河是我國西北和華北地區的重要水源［1］。為加強黃河水資源統一管理,有效緩解水資源供需矛盾,1998年國務院批準了“黃河可供水量年度分配及干流水量調度方案”和“黃河水量調度管理辦法”,授權黃河水利委員會（以下簡稱黃委)負責黃河水量統一調度［2］。1999年3月黃委正式實施黃河水量統一調度,水量統一調度的河段是劉家峽水庫以下至河口干流河段,時段為當年11月至翌年6月。2006年8月1日《黃河水量調度條例》頒布實施,黃河水量調度范圍從干流延伸到渭河、沁河等重要支流,調度時段由非汛期11月至翌年6月擴展到全年。

徑流預報是水量調度的重要依據。黃河水量統一調度以前,黃河流域徑流預報主要為防汛服務；水量統一調度以后,原有的面向黃河防汛的徑流預報系統已不能滿足黃河水資源統一調度的需要［1］。為此,1999—2001年依托治黃專項“黃河上中游徑流中長期預報系統（第一期)”,黃委水文局開發了黃河主要來水站（區)非汛期徑流預報方案,初步建立了黃河主要來水站（區)非汛期徑流預報系統,該系統可為黃河水量統一調度提供較為準確、及時的徑流預報,為確保1999年以來黃河下游連續不斷流做出了突出貢獻。2008—2013年依托“黃河水量調度管理系統（二)期”項目,黃委水文局利用近十幾年資料對原有的黃河主要來水站（區)非汛期徑流預報模型參數重新進行率定,修訂和完善了原有的徑流預報方案,開發了黃河主要來水站（區)汛期徑流預報方案及重要支流渭河、沁河非汛期徑流預報方案,并建立了黃河中長期徑流預報系統［3］,為更加科學合理地實施黃河水資源統一調度提供了重要技術支撐。

2 黃河徑流預報的主要內容

圍繞黃河水量統一調度需求,黃河流域中長期徑流預報主要包括汛期徑流預報和非汛期徑流預報,非汛期徑流預報又分為干流徑流預報和支流徑流預報。

非汛期徑流預報的主要內容包括：每年10月中下旬做出黃河上中游主要來水站（區)非汛期徑流總量、逐月平均流量預報,黃河重要支流非汛期徑流總量、逐月平均流量預報,同時提供花園口、華縣和武陟站當年7月—翌年6月天然徑流總量預報,作為黃委編制“黃河可供耗水量年度分配及非汛期水量調度計劃”的依據；在實時調度期間,及時做出下月和旬徑流預報,為編制月和旬水量調度方案提供依據。

汛期徑流預報主要是每月25日做出黃河上中游主要來水站（區)下月平均流量預報。

黃河上中游主要來水站（區)預報站點包括：唐乃亥、龍劉區間（紅旗+折橋)、劉蘭區間（民和+享堂)、河龍區間、華縣、河津+頭、黑石關、武陟。支流徑流預報主要包括渭河和沁河兩條支流,預報站點包括渭河的北道、楊家坪、雨落坪和華縣站,沁河的潤城、五龍口和武陟站。

3 徑流預報方法

3.1 徑流影響因素

3.1.1 降水

降水是河道徑流的直接來源。黃河流域降水量年內分配不均,汛期降水量占年降水量的60%～70%,非汛期降水較少,尤其11月—翌年3月降水量不足全年的10%。從唐乃亥以上區域汛期降水量與唐乃亥站汛期徑流量變化（見圖1)可以看出,徑流量與降水量的變化基本同步,唐乃亥站汛期降雨徑流相關系數達0.72。

圖1 唐乃亥以上區域汛期降水量與唐乃亥站汛期徑流量變化

4—6月,黃河流域降水量逐漸增大,其中蘭州以上降水量占年降水量的32%。4—6月降水量為影響徑流量的不可忽略的因素之一。

3.1.2 前期徑流

11月—翌年3月,黃河流域降水稀少,河川徑流主要由流域蓄水補給,前期徑流能較好地反映地下蓄水量的多少。11月—翌年3月黃河主要來水站（區)各站平均流量與前月下旬流量相關系數平均為0.68,最高為0.93,而4—6月前后期徑流的相關系數明顯偏低,為0.34～0.67。說明前期徑流是11月—翌年3月徑流的主要影響因素,4—6月徑流除了受前期徑流影響外,還受降水影響。

3.1.3 灌區耗水

隨著沿黃農業生產的不斷發展,黃河流域灌溉面積和引耗水量呈逐年增大的趨勢,農業灌溉耗水量占流域耗水量的90%以上,灌區引水量已成為影響非汛期徑流的主要因素之一［2,4］。

3.1.4 水庫調度

隨著黃河流域的治理與開發,黃河上中游地區修建了不少大中型水利樞紐工程。水庫的運用改變了黃河徑流的天然屬性,對黃河上中游地區非汛期徑流影響比較明顯,特別是黃河上游龍羊峽、劉家峽水庫建成運用對蘭州站的徑流影響非常顯著。此外,大夏河、洮河、湟水等支流各類大中型水庫的運用同樣對非汛期徑流有不同程度的影響［2,4］。

3.1.5 氣溫

黃河上游唐乃亥以上區域氣溫對徑流的影響比較明顯。如2019年4月上旬黃河源區旬平均氣溫較常年偏高0.9～2.5℃；進入4月中旬,氣溫回升更加迅速,旬平均氣溫較常年同期偏高4.0～5.0℃,其中達日氣象站4月中旬平均氣溫為3.4℃,為有資料以來同期最高。受前期降水偏多及氣溫迅速回升影響,4月中旬以來,黃河源區冰雪消融較快,河道流量迅速增大,唐乃亥水文斷面4月中旬平均流量達500 m3/s,較常年同期偏多。

此外,黃河寧蒙河段由于處于黃河流域最北端,因此每年冬季都要結冰封河。封河期冰蓋阻水,河道流量減小,河道內形成較大的槽蓄水增量；開河期,隨著冰的消融,槽蓄水增量釋放,河道流量逐漸增大。因此,冬季氣溫的變化對寧蒙河段及下游流量影響較大。

3.2 服務于黃河水量調度的徑流預報方法

影響水文過程的因素十分復雜,既有氣候因素、地形地貌因素,又有人類活動的影響,因此中長期徑流預報一直是水文學研究的難點。以經典的統計理論為基礎,結合計算機技術,充分考慮徑流影響因子的物理意義,多種統計方法相結合是現代中長期水文預報的重要特點。

黃河中長期徑流預報模型以提高預報精度為目標,從每個控制站點水文序列的影響因子和自身演變規律出發,根據各站點不同時期、不同影響因素,選擇適當的統計方法,包括多元回歸分析法、門限回歸分析法、時間序列分析法等,分別建立徑流預報模型,并對模型的有效性進行合理性檢驗,以建立最優預報模型。

3.2.1 中長期降水預報方法

降水是汛期徑流的主要影響因素,其時空分布直接影響產流量,同時非汛期4—6月黃河流域降水對徑流的影響程度加大,并居于主導地位。中長期降水預報是中長期徑流預報的重要支撐。

（1)長期降水預報。黃河流域長期降水預報主要采用天氣、統計和動力相結合的預報方法。以影響降水的外強迫信號和降水歷史演變規律為基礎,建立黃河流域長期降水預測回歸模型,并將預測結果同數值預報模式的輸出產品進行疊加,得到黃河流域長期降水的趨勢變化預測。

（2)中期降水預報。黃河流域中期降水預報主要采用相似計算和概率預報相給合的方法。前者基于形勢相似和相關預報指標相似,從歷史天氣系統庫中查找與當前天氣形勢相似的樣本,繼而做出黃河流域中期降水預報。后者對降雨等級進行分級,統計某一天氣系統所造成的某一級降雨出現的概率。

（3)支流非汛期降水預報模型。采用前期降水量和大氣環流指數作為初選預報因子,利用多元回歸分析方法建立沁河、涇渭河3—6月各月降水預報方程。

3.2.2 非汛期徑流預報方法

（1)黃河上中游主要來水站（區)非汛期徑流預報模型。在分析降雨徑流變化規律及影響因素的基礎上,進行預報因子的篩選和參數率定,采用多元回歸分析、門限回歸分析和時間序列分析等多種方法,建立黃河上中游主要來水站（區)非汛期徑流預報方案,包括非汛期徑流總量預報模型、非汛期月徑流預報模型和非汛期逐旬、月滾動徑流預報模型。

預報因子的挑選是統計模型建模的關鍵。影響徑流的主要因子包括前期/上游徑流、前期降水、同期降水、氣溫、人類活動耗水、大氣海洋物理量等,通過相關分析、相關系數計算篩選預報因子,預報因子的選取以相關系數高為原則,預報效果相同的情況下以預報因子最少為原則。

黃河流域非汛期徑流變化以退水為主,因此河道前期徑流量是非汛期中長期徑流預報建模首選因子；隨著氣溫的逐漸升高,在有積雪（冰凍)存在的集水區域,2—4月的融雪（冰)過程也是影響徑流變化的重要因素；4—6月,黃河流域降水逐漸增多,降水是影響該時段徑流變化的又一重要因素。黃河上游唐乃亥站非汛期徑流預報模型見表1。

表1 黃河上游唐乃亥站非汛期徑流總量及非汛期逐月徑流量預報模型

（2)渭河、沁河主要站非汛期月徑流預報方法。隨著2006年《黃河水量調度條例》的頒布實施,黃河水量調度范圍從干流擴展到重要支流,渭河和沁河是較早進行水量統一調度的支流。黃河支流渭河和沁河徑流具有流量小、變率大的特點,在分析徑流變化特點和主要影響因素的基礎上,建立了渭河和沁河主要站非汛期徑流總量預報方案、月徑流預報方案和逐月滾動徑流預報方案等。

3.2.3 汛期徑流預報方法

汛期徑流變化受降雨影響強烈,受技術條件限制,目前很難提供整個汛期各來水區間降雨的定量預報,僅靠定性或者降雨趨勢預報無法估計整個汛期來水狀況。流域降水主要受大氣環流等因子影響,因此從前期環流因子中挑選預報因子,建立黃河上中游主要來水站（區)汛期徑流總量預估方案。根據中國氣象局提供的74項環流指數,采用相關普查、物理意義分析等方法,遴選預報意義顯著的環流因子作為徑流預估的預報因子（見表2),利用多元回歸方法建立黃河上中游主要來水站（區)汛期徑流總量預報模型：

式中：x′1為上一年 7 月南海副高北界（100E～120E)；x′2為上一年9月北半球極渦強度指數（5區,0～360)；x′3為上一年9月亞洲經向環流指數（IM,60E～150E)；x′4為1月印度副高北界（65E～95E)；x′5為1月大西洋副高北界（55W～25W)；x′6為 3月北半球極渦面積指數（5區,0～360)。

徑流總量預報方案的合格率為73%～94%,平均相對誤差為26%。

表2 入選環流因子與汛期徑流總量相關系數

汛期各站（區)徑流總量及逐月徑流量預報方案采用多種方案相結合的方式：一是采用經驗、統計相關等方法建立以前期徑流、區間降水為主要因子的預報方案；二是采用天文氣象學方法,建立以氣象因子為主要因子的預報方案；三是對于華縣、黑石關和武陟站汛期徑流總量,建立以上一年度汛期徑流總量為因子的自回歸模型。

3.2.4 天然徑流量預報方法

天然徑流量指實測河川徑流量的還原水量,一般指實測徑流量加上實測斷面以上的利用水量（扣除回歸部分)。因此,可以根據實測徑流量預報和年度用水趨勢來預測水文斷面年度天然來水情況。此外,天然徑流量變化主要受降水、地貌、植被、土壤等自然因素影響,與大氣環流的演變和全球氣候背景的變化有一定關聯,具有周期性和隨機性等特點。因此,采用實測徑流還原方法、時間序列分析及大氣海洋物理因子相關法相結合的方式建立天然徑流量預報模型。

3.3 分布式徑流預報模型與概率預報模型

3.3.1 黃河源區大尺度分布式徑流預報模型

2004—2006年,黃委水文局依托中荷合作項目“建立基于衛星的黃河流域水監測和河流預報系統”［3］,開發了黃河河源區徑流預報系統,系統的核心為分布式水文模型。該模型是項目合作方聯合國教科文組織國際水利學院（UNESCO-IHE)研制的基于空間分布網格化的大尺度分布式水文模型,采用的網格尺寸為5 km×5 km。模型的輸入為能量與水平衡系統（EWBMS)推演的降雨、融雪、蒸散發及水文站網觀測的徑流量,也可以用站點預報降雨及蒸發處理成網格尺度的“有效降雨”作為模型的輸入,模型可用于黃河源區唐乃亥等站日徑流過程模擬預報。

3.3.2 中長期徑流概率預報模型

2013—2016年,黃委水文局依托“十二五”國家科技支撐計劃項目“黃河流域旱情監測與水資源調配技術研究與應用”,建立了唐乃亥站中長期徑流概率預報模型,包括非汛期徑流總量、非汛期逐月滾動及汛期徑流總量預報模型。

隨著預見期加長,影響中長期水文預報的因素逐漸增多,其預報難度及不確定性增大,為了定量研究黃河源區中長期徑流預報的不確定性,采用貝葉斯預報系統（Bayesian Forecasting System,BFS)中的水文不確定性處理器（Hydrologic Uncertainty Processor,HUP),實現唐乃亥站中長期徑流概率預報。

BFS最早由美國學者Krzysztofowicz提出,是一種通用的理論框架,能與任意確定性水文預報模型協同工作［5］。水文不確定性處理器是BFS的主要組成部分［6］,用來分析除降雨之外的所有其他不確定性。其特點是,不需要直接處理預報模型的結構與參數,而是從預報模型預報結果入手,分析其與實測水文過程的誤差,再利用貝葉斯公式估計預報變量的后驗分布,從而實現預報不確定性分析及概率預報。

中長期徑流概率預報以1971年11月—2010年10月共計39 a（其中非汛期為11月—翌年6月,汛期為7—10月)相應時段徑流量的確定性預報結果作為BFS-HUP概率預報模型的輸入,進行模型參數率定；選用驗證期（2010年11月—2013年6月)資料,進行中長期概率預報檢驗,對置信度90%的區間預報結果進行統計,并給出流量概率分布的期望值預報結果（非汛期以實測流量的20%作為定值預報的許可誤差,汛期以實測值序列最大變幅的20%作為定值預報的許可誤差)。唐乃亥站率定期非汛期徑流總量概率預報置信度為90%的預報區間覆蓋率在84%以上（見圖2)。

圖2 唐乃亥站11月—翌年6月徑流總量概率預報過程線

4 黃河流域中長期徑流預報系統

黃河流域中長期徑流預報系統是黃委水文局目前服務于黃河水量調度的主要業務系統。系統包括干流長期徑流預報、干流中期徑流預報、重點支流徑流預報、桃汛水量預報和資料管理5個核心模塊,下設二級子模塊,用于實現不同類型的預報功能、數據查詢及統計功能。系統的總體結構見圖3。為滿足徑流預報業務需求,系統具有降水徑流資料查詢處理、徑流預報制作、徑流預報結果顯示和保存打印功能。此外,還有流域站點簡介等輔助功能。

5 近幾年徑流預報在黃河水量調度中的應用

黃河流域中長期徑流預報緊密結合全河水量統一調度需求,在1999—2018年20 a的水量調度中,提供了準確的年度水量預報和旬月徑流預報,為黃河水量統一管理調度提供了重要依據,對緩解水資源供需矛盾,確保黃河下游連續20 a不斷流具有重要意義,為維護黃河健康生命提供了有力的技術支撐,取得了明顯的社會和經濟效益。

1999—2018年每年10月中下旬發布的花園口站年度天然徑流總量預報平均誤差為3.7%,最小預報誤差為0.6%。1999—2018年歷年花園口站年度天然徑流量預報與實況對比見圖4。

圖3 黃河流域中長期徑流預報系統總體結構

圖4 1999—2018年歷年花園口站年度天然徑流量預報與實況對比

2002—2003年度黃河遭遇有史以來最嚴重旱情,花園口年度天然來水量僅282億m3,為歷史最少。黃委水文局在2002年11月準確預報了2003年1—6月黃河流域來水量為1950年以來最少,比多年同期均值偏少51%,水庫可調節水量只有35億m3,黃河水量調度面臨著自1999年實施全河水量調度以來最為嚴峻的考驗。根據《中華人民共和國水法》第四十五條規定,黃委在征求沿黃省（區)水利、電力部門意見的基礎上,編制完成了《2003年旱情緊急情況下黃河水量調度預案》并上報水利部。水利部在報國務院同意后以水汛［2003］138號文印發實施。該預案為新《水法》施行以來全國第一個由流域機構編制的旱情緊急調度預案。水文預報為該預案的編制和審批提供了技術支撐和決策依據。在黃河水量緊急調度期中,黃委水文局及時提供調度期內中長期徑流預報,預報精度較高,為緊急調度預案的成功實施提供了保障。

6 結 語

徑流預報是黃河水量調度的重要依據。隨著黃河水資源管理、調度工作的不斷深入,對徑流預報工作的要求將不斷提高,預報項目和時段增加,預見期延長,同時要求更高的預報精度。為適應黃河水量調度新形勢,徑流預報服務的能力與水平應不斷提升,應該從以下幾個方面進一步努力：

（1)加強部門間的協作,擴大預報和服務領域,構建新的徑流預報模式。黃河水文情勢受人類活動影響非常強烈,其徑流預報在很大程度上不僅依賴技術的發展,而且需要通過對人類活動影響的分析和模擬來解決,這個過程非常復雜和難以把握。因此,需要建立一種新的徑流預報模式,即預報與調度部門之間多層次、全方位、交互式的信息交流與反饋。徑流預報輸入的信息除了常規的水文氣象信息,還要有流域引退水、管理部門的水利工程水量調度指令及實際執行情況等各種人類活動影響資料；預報部門除了提供常規的徑流預報,還應該對特定條件下可能出現的徑流形勢進行分析預估,并通過信息交互及時對預報項目進行實時修正,實現滾動預報。這要求各部門之間建立良好的溝通渠道,及時交流、反饋各自的信息,以滿足調度與預報的需求。

（2)加強基礎研究。20 a來預報部門雖然努力進行了一些基礎研究,但是受多方面因素影響,研究尚不夠深入,很多問題尚待解決,因此必須加強基礎研究,使黃河流域徑流預報工作不斷改進和完善。

（3)關鍵技術和薄弱環節的研究。降雨預報是影

響徑流預報的關鍵因子,尤其對于汛期,降雨預報精度與預見期直接影響徑流預報的水平。目前中長期降雨預報在預報區域和預報時段上仍不能滿足徑流預報的需求,必須在原有基礎上進一步研究,研制黃河流域各分區汛期、非汛期中長期降水預報方法,使之能夠為中長期徑流預報提供更好的支撐。