長江上游流域水文預報系統及典型洪水反演分析

曾志強，湯正陽，曹 輝，舒衛民，張海榮

(1.三峽水利樞紐梯級調度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長江與水電科學湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

三峽水利樞紐梯級調度中心(以下簡稱“三峽梯調”)的主要核心業務包括：數據收集、氣象預測、水文預報、調度方案和實時調度[1-3]。針對長江上游流域的水文預報是三峽梯調各核心業務中的關鍵流程，在氣象預報和水庫調度中起到承上啟下的作用[4-6]。高精度的水文預報有助于提高水資源利用效率。目前，三峽梯調已圍繞長江上游流域水文預報展開一系列研究[7-9]。鑒于長江上游流域復雜的水文情勢以及較高的預報精度要求，有必要關注該流域的水文預報研究和應用現狀，從而科學指導生產實踐。

目前，三峽梯調所采用的水文預報系統已經過多次升級改造，成為集降雨實況預報展示、短中長期徑流預報、水情預報會商和預報精度評價等多功能于一體的自動化業務平臺，對三峽梯調水文預報業務起輔助決策作用[10-11]。本文介紹了長江上游流域水文預報系統(以下簡稱“水文預報系統”)，選擇2021年汛期的3場典型洪水進行反演分析，結合生產實際對水文預報系統的下一步開發和今后水文預報研究工作提出建議。

1 水文預報系統介紹

(1) 流域概況。水文預報系統模擬了長江源頭至湖北宜昌段流域的水循環過程，覆蓋流域面積約100萬km2，干流河段長4 504 km。按水系情況可以將長江上游流域劃分為金沙江、雅礱江、岷沱江、嘉陵江、長江上游干流、橫江、赤水河、綦江、烏江等流域，如圖1(a)所示。

(2) 流域分區。水文預報系統中包含一二三級流域分區(圖1(b)～(d))、流域產匯流分區(圖1(e))以及流域子單元分區(圖1(f))等5種流域分區方法。一二三級分區分別將流域劃分為12，25個和51個區域，產匯流分區和流域子單元分區分別將流域劃分為377個和1 437個區域。上述5種分區逐步細化，層層嵌套。一二三級分區是氣象預報分區流域產匯流分區是長江上游流域產匯流計算的基本單元，包括小流域及區間流域；流域子單元分區是流域產匯流分區構建的基礎，通過合并屬于相同流域的子單元可生成產匯流分區。

圖1 長江上游流域分區Fig.1 Zoning of the upper reaches of Yangtze River

(3) 預報分區。長江上游流域包括金沙江、岷沱江、嘉陵江、烏江、向寸(向家壩-寸灘)區間以及三峽區間這6個預報區域。目前，三峽梯調已針對這6個區域建立了6套預報方案，并針對整個長江上游流域建立了一套水文預報方案。上述7套水文預報方案包含132個預報點(圖2)，其中水庫站33個。在后期運行維護中，根據預報業務的需求，可靈活增減預報點。

圖2 長江上游流域報汛站點分布Fig.2 Distribution of flood reporting stations in the upper reaches of Yangtze River

(4) 站網建設。目前，水文預報系統中包含自建遙測系統的水雨情數據(638個遙測站)、與各省水文局同步的報汛水雨情數據(372個報汛站)、各水庫電站的共享水雨情數據(445個共享站)以及氣象部門的雨情數據(4 563個氣象站)等多套水雨情數據。根據數據特點，對4套站網進行融合，建立了如圖3所示的水文氣象一體化站網，站網中包含遙測站556個、氣象站207個、報汛站164個。

圖3 長江上游流域融合站網分布Fig.3 Distribution of forecast stations in the upper reaches of Yangtze River

(5) 預報模型。圖4所示為長江上游流域的流域拓撲重構示意圖，由產匯流分區、河段、測站以及水量交匯點組成，采用經典的新安江模型[12]作為降雨徑流模型，選用馬斯京根[13]和一維水動力模型[14]進行河道徑流演進，并利用反饋模擬模型和誤差自回歸模型實時校正[15]。在主汛期、消落期和蓄水期均采用不同的水文模型參數方案。模型之間采用單向松散耦合方式進行耦合，各區間各個流域根據水系的連接情況依次匯入干流，干流采用了考慮支流入匯的分段馬斯京根方法[16](圖5)。

圖4 流域拓撲結構示意Fig.4 Schematic diagram of drainage basin topology

(6) 氣象預報。水文預報系統中引入了梯調中心氣象預報部門人工訂正后的分區氣象預報產品和數值預報產品，用于驅動降雨徑流模型。其中，數值預報產品包括三峽梯調中心網格產品、歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)、三峽梯調中心1個月訂正產品和美國國家環境預報中心(NCEP)9個月產品。數值天氣預報產品被直接接入到洪水預報方案中，以延長作業預報預見期。此外，數值預報結果可用于降雨量時空分析顯示，輔助會商研判。

(7) 數值預報產品接入。梯調預報產品的預見期為7 d，時間步長為3 h；歐洲預報產品的預見期為10 d，其中，前3 d的時間步長為3 h，后7 d的時間步長6 h。與洪水預報方案進行耦合時，都按洪水預報方案的計算步長進行插值，方便數據接入。空間尺度上采用流域子單元接入(圖6)、流域產匯流分區接入和流域降雨交互分區接入，即根據氣象預報產品的空間步長，動態調整接入方式，完成洪水預報方案和氣象預報產品在預報區域上的耦合。

2 典型洪水反演分析

2.1 數 據

2021年汛期，針對長江上游流域共開展了3次防洪調度，分別發生于2021年9月3～6日(1號洪水)、9月13～19日以及10月3～6日。本文選擇這3次防洪調度所針對的洪水過程進行預報反演分析，防洪調度過程的降雨發展情勢簡述如下。

(1) 第一次防洪調度。1號洪水對應的降雨過程如下：2021年9月3日，嘉陵江、渠江中上游、岷沱江中下游、雅礱江中下游出現大到暴雨，局部大暴雨；9月4日，雨帶緩慢東移南壓，長江上游沿江以北、金沙江中下游沿江以北出現大到暴雨，局部大暴雨；9月5日，隨著新一輪冷空氣加入，橫江、宜賓至重慶、重慶至萬州、渠江出現大到暴雨，局部大暴雨；9月6日，雨帶進一步東移南壓并減弱，三峽區間出現中到大雨，局部暴雨，上游大部分降水停止。此次降雨過程最大日面雨量為23.1 mm，于9月5日出現在寸灘至三峽區間。受降水影響，三峽入庫流量從9月3日02∶00的27 500 m3/s漲至9月6日20∶00的55 000 m3/s，后逐步退水至28 000 m3/s。

(2) 第二次防洪調度。2021年9月13～19日所發生的洪水過程對應的降雨過程如下：9月13日，副高增強北抬，同時受高空槽、中低層切變線影響，沱江、涪江出現大到暴雨；9月14日，岷沱江中下游、涪江出現大到暴雨，局部大暴雨；9月15日，岷沱江、嘉陵江中下游流域出現大到暴雨，局部大暴雨到特大暴雨；9月16日，雨帶東移南壓并減弱，雅礱江中下游、嘉陵江流域、烏江流域、寸灘-三峽區間出現大到暴雨。此次降雨過程最大日面雨量為31.9 mm，于15日出現在沱江流域。9月17～19日上游流域出現一次較強降水過程，9月17日，嘉陵江流域北部、烏江流域出現中到大雨；9月18日，金沙江下游至長江上游干流一線出現中到大雨，其中，三峽區間出現大到暴雨；9月19日，三峽-宜昌區間出現中到大雨。此過程最大日面雨量為30.8 mm，于18日出現在寸灘至三峽區間。受此次降雨影響，三峽入庫流量從9月16日20∶00的24 500 m3/s起漲，17日22∶00漲至43 800 m3/s，后流量逐步轉退。

(3) 第三次防洪調度。2021年10月3～6日，長江上游北部出現一次強降水過程，具體過程如下：10月3日，沱江出現小雨，嘉陵江出現中到大雨，局部暴雨；10月4日，嘉陵江出現大到暴雨，沱江出現中到大雨；10月5日，嘉陵江出現中雨；10月6日，嘉陵江持續出現中雨，寸灘-三峽區間出現中雨。受長江上游流域北部降雨影響，三峽入庫流量從10月5日14∶00的17 000 m3/s起漲，7日14∶00漲至38 000 m3/s，洪峰持續12 h，后流量逐步轉退。

2.2 方 法

在水文預報系統中接入典型洪水過程所對應的降雨和水庫調度過程，并設置作業預報時間以及水文參數方案。由于上述3次洪水過程均發生在汛期，因此選擇主汛期水文參數方案作為交互預報的模型參數。水文預報系統計算完成后，可獲取水庫實測和模擬的水位、入庫流量以及出庫流量等數據。本文選擇接入實況降雨作為水文模型的輸入，降雨和水文預報的時間步長均為1 h。

引入確定系數來評價模擬徑流和實測徑流之間的誤差，確定性系數的表達式為

2.3 結果與討論

(1) 第一次防洪調度。為了完整展示一場洪水過程，選擇水文預報的起止時間分別為2021年9月2日12∶00和9月10日10∶00。在水文預報系統中接入相應時段的降雨數據后，水文預報系統計算結果見圖7。從整體上來看，實況降雨驅動下洪水的漲、退水趨勢均與實況一致。實況降雨接入下的模擬洪峰為53 900 m3/s，與實測洪峰(60 100 m3/s)的誤差約為10.3%，峰現時間誤差約為6 h，峰現相對滯后，預報模型有改進的空間。模擬入庫徑流和實況入庫徑流(反推入庫)過程的確定性系數為0.99，實況入庫徑流和模擬入庫徑流的擬合度較高。

圖7 三峽水庫預報調度綜合過程示意(第一次防洪調度)Fig.7 Schematic diagram of the comprehensive process of the forecast dispatch of Three Gorges Reservoir (the first flood control dispatch)

(2) 第二次防洪調度。選擇水文預報的起止時間分別為2021年9月13日08∶00和9月19日08∶00。在水文預報系統中接入相應時段的降雨數據后，系統計算結果見圖8。從整體上來看，實況降雨驅動下洪水的漲、退水趨勢均與實況一致。該場洪水過程包括兩個洪峰，第一個洪峰的模擬洪峰值為41 500 m3/s，與實測洪峰(43 800 m3/s)的誤差約為5.25%，峰現時間差約為7 h，峰現相對滯后，預報模型有改進的空間。第二個洪峰的模擬洪峰值為46 200 m3/s，與實測洪峰(40 900 m3/s)的誤差約為12.96，洪峰誤差較大，峰現時間誤差約為2 h，峰現時間提前，峰現時間誤差小。模擬入庫徑流和實況入庫徑流(反推入庫)過程的確定性系數為0.95，實況入庫徑流和模擬入庫徑流的擬合度較高。

圖8 三峽水庫預報調度綜合過程示意(第二次防洪調度)Fig.8 Schematic diagram of the comprehensive process of the forecast dispatch of Three Gorges Reservoir(the second flood control dispatch)

(3) 第三次防洪調度。選擇水文預報的起止時間分別為2021年10月3日08∶00和10月6日08∶00。在水文預報系統中接入相應時段的降雨數據后，水文預報系統計算結果見圖9。從整體上來看，實況降雨驅動下洪水的漲、退水趨勢均與實況一致。實況降雨接入下的模擬洪峰為 35 800 m3/s，與實測洪峰(38 500 m3/s)的誤差約為0.7%，峰現時間差約為1 h，模擬洪峰提前，預報模型精度精準。模擬入庫徑流和實況入庫徑流(反推入庫)過程的確定性系數為0.98，實況入庫徑流和模擬入庫徑流的擬合度較高。

圖9 三峽水庫預報調度綜合過程示意 (第三次防洪調度)Fig.9 Schematic diagram of the comprehensive process of the forecast dispatch of the Three Gorges Reservoir(the third flood control dispatch)

上述3次反演分析中，洪峰誤差最大為11.47%，最小為0.7%，峰現時間差最大為7 h，最小為1 h，不確定性系數均在0.9以上。總體而言，在降雨預報精度較高時，水文預報系統所預報的洪峰和峰現時間可輔助調度決策，但仍有改進空間；洪水過程的預報精度則比較高，可以滿足生產需求。

3 結論與展望

長江上游流域水文預報系統在三峽梯調水文預報業務中起到關鍵作用，為水資源高效利用提供了技術支撐。總體而言，該系統基本滿足目前的生產應用需求，流域和預報分區劃分科學，氣象水文站網建設齊全，用于流域水循環模擬的數學模型選用合理，氣象預報產品豐富且精度滿足生產要求，預報降雨接入方式科學且便捷。本文的典型洪水預報反演分析表明，水文預報系統表現出了較好的性能和穩定性。但是，水文預報系統還存在以下問題。

(1) 目前，水文預報系統中的水文參數方案相對固化，僅對主汛期、消落期和蓄水期這3種不同工況在水文參數上加以區別，沒有考慮不同降雨情景下水文參數的差異性。

(2) 水文預報系統中的數學模型比較單一，可多引入一些性能較好的概念性水文模型、分布式水文模型以及水動力模型，豐富水文預報系統的模型庫，形成多模型預報方案，為水文預報人員提供更多預報手段。

(3) 基于物理機制的分布式水文模型和水動力模型的引入，勢必會降低水文預報系統的計算效率，因此，需引入能提高計算效率的新技術，在提高水文預報精度的同時保證其計算效率。

(4) 目前的水文預報系統中缺乏自主可控的水文參數率定模塊，使預報人員無法通過優化水文參數的方式來改善預報精度，同時預報人員的經驗尚無法直接反映到水文參數上。

今后建議考慮針對以上幾個方面進行優化和改進，提高水文預報系統的適用性、準確性和計算效率。