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根據(jù)洪水形成和運動的規(guī)律,利用過去和實時水文氣象資料,對未來一定時段的洪水發(fā)展情況的預(yù)測,稱洪水預(yù)報。[1]

預(yù)報內(nèi)容

最高洪峰水位(或流量)、洪峰出現(xiàn)時間、洪水漲落過程、洪水總量等。

應(yīng)用領(lǐng)域

洪水預(yù)報是防洪非工程措施的重要內(nèi)容之一,直接為防汛搶險、水資源合理利用與保護(hù)、水利工程建設(shè)和調(diào)度運用管理,及工農(nóng)業(yè)的安全生產(chǎn)服務(wù)。

1910年奧地利林茨和維也納的省水文局,首次安裝水位自動遙測和洪水警報電話裝置,發(fā)展了洪水預(yù)報方法。

1932年L.R.K.謝爾曼提出單位過程線;1933年,R.E.霍頓建立下滲公式;1935年G.T.麥卡錫等人提出馬斯京根法原理,為根據(jù)降雨過程計算流量過程和河道洪水演進(jìn)提供了方法,這些成果至今仍在洪水預(yù)報中廣泛應(yīng)用,且在不斷地深化研究和改進(jìn)。

第二次世界大戰(zhàn)期間,美國H.U.斯韋爾德魯普和W.H.蒙克提出了根據(jù)風(fēng)的要素預(yù)報海浪要素的半經(jīng)驗半理論方法。

50年代以來洪水預(yù)報技術(shù)提高很快。隨著電子計算技術(shù)的發(fā)展,多學(xué)科的互相滲透和綜合研究,不僅對水文現(xiàn)象的物理機制給予較充分的揭示,加強了經(jīng)驗性預(yù)報方法的理論基礎(chǔ),而且大大加速了信息的傳遞與處理,并使以往用人工無法實現(xiàn)的分析計算,能用電子計算機快速完成,同時還提出了一些新方法。

60年代以后迅速發(fā)展的各種流域水文模型(包括中國的新安江模型、美國的薩克拉門托模型、日本的水箱模型等),日益得到廣泛應(yīng)用,并在不斷研究改進(jìn)和完善。又如采用卡爾曼濾波遞推估算水文系統(tǒng)狀態(tài);用系統(tǒng)識別建立誤差模型和參數(shù)估計作補充描述;或用人機對話進(jìn)行實時跟蹤校正,把衛(wèi)星遙感技術(shù)和測雨雷達(dá)與水文預(yù)報模型結(jié)合應(yīng)用,以提高洪水預(yù)報精度。

此外,歐美不少國家正在發(fā)展多種實時聯(lián)機洪水預(yù)報系統(tǒng)。如美國國家氣象局建立了全國的河流預(yù)報系統(tǒng),蘇聯(lián)國家水文氣象及自然環(huán)境監(jiān)督委員會,建立了全國實時水資料接收和預(yù)報系統(tǒng)。它們的特點是:功能齊全,適應(yīng)性強,自動化程度高,通用性好,運算速度快。

中國洪水預(yù)報

中國早在1027年就將水情分為12類。

16世紀(jì)70年代在黃河流域已有比較正常的報汛方式。當(dāng)時在黃河設(shè)有驛站,由驛吏乘馬飛速向下游逐站接力傳報水情。同時,還發(fā)現(xiàn)"凡黃水消長必有先兆,如水先泡則方盛,泡先水則將衰"的規(guī)律。大意是當(dāng)黃河大量出現(xiàn)水泡時,表示水勢正在盛漲,若水泡消失,表示水勢趨于衰落,據(jù)此來預(yù)估黃河洪水的漲落趨勢。

中國1949年以后,全面規(guī)劃布設(shè)了水文站網(wǎng),制訂了統(tǒng)一的報汛辦法,加強了對洪水的監(jiān)測工作,洪水預(yù)報業(yè)務(wù)技術(shù)得到迅速發(fā)展提高。

1954年長江、淮河特大洪水,1958年黃河特大洪水和1963年8月海河特大洪水,1981年長江上游、1983年漢江上游特大洪水,都由于洪水預(yù)報準(zhǔn)確及時,為正確作出防汛決策提供了科學(xué)依據(jù)。

與此同時,中國洪水預(yù)報技術(shù)在大量實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)上,不論是理論或方法都有創(chuàng)新和發(fā)展,并在國際水文學(xué)術(shù)活動中廣為交流。如對馬斯京根法的物理概念及其使用條件進(jìn)行了研究論證,發(fā)展了多河段連續(xù)演算的方法;對經(jīng)驗單位線的基本假定與客觀實際情況不符所帶來的問題,提出了有效的處理方法;結(jié)合中國的自然地理條件,提出了濕潤地區(qū)的飽和產(chǎn)流模型和干旱地區(qū)的非飽和產(chǎn)流模型;提出了適合各種不同運用條件下中小型水庫的簡易預(yù)報方法;在成因分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行中長期預(yù)報方法的研究等。

中國水利部水文水利調(diào)度中心初步形成了一個包括 6個子系統(tǒng)的適合于不同流域、不同地區(qū)的預(yù)報系統(tǒng),進(jìn)一步提高了洪水預(yù)報的預(yù)見性和準(zhǔn)確性。

為統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),嚴(yán)格工作程序,提高水文情報預(yù)報質(zhì)量,水利電力部還組織編制了《水文情報預(yù)報規(guī)范》,于1985年正式頒發(fā)實施。

洪水預(yù)報按預(yù)見期的長短,可分為短、中、長期預(yù)報。

通常把預(yù)見期在2天以內(nèi)的稱為短期預(yù)報;

預(yù)見期在3~10天以內(nèi)的稱為中期預(yù)報;

預(yù)見期在10天以上一年以內(nèi)的稱為長期預(yù)報。

對徑流預(yù)報而言,預(yù)見期超過流域最大匯流時間即作為中長期預(yù)報。

按成因

按洪水成因要素可分為暴雨洪水預(yù)報、融雪洪水預(yù)報、冰凌洪水預(yù)報、海岸洪水預(yù)報等。

世界上絕大多數(shù)河流的洪水是暴雨產(chǎn)生并造成災(zāi)害的,故暴雨洪水預(yù)報是洪水預(yù)報的一個主要課題。它包括產(chǎn)流量預(yù)報,即預(yù)報流域內(nèi)一次暴雨將產(chǎn)生多少洪水徑流量;匯流預(yù)報,即預(yù)報產(chǎn)流后,徑流如何匯集河道再進(jìn)行洪水演進(jìn),得出河道各代表斷面的洪水過程。

其它

洪水預(yù)報還可分為兩大類:一類是河道洪水預(yù)報,如相應(yīng)水位(流量)法。

天然河道中的洪水,以洪水波形態(tài)沿河道自上游向下游運動,各項洪水要素(洪水位和洪水流量)先在河道上游斷面出現(xiàn),然后依次在下游斷面出現(xiàn)。因此,可利用河道中洪水波的運動規(guī)律,由上游斷面的洪水位和洪水流量,來預(yù)報下游的運動規(guī)律,由上游斷面的洪水位和洪水流量來預(yù)報下游斷面的洪水位和洪水流量。這就是相應(yīng)水位(流量)法。

第二類方法是流域降雨徑流(包括流域模型)法。

依據(jù)降雨形成徑流的原理,直接從實時降雨預(yù)報流域出口斷面的洪水總量和洪水過程。

洪水預(yù)報精度包括預(yù)報方案精度等級評定、作業(yè)預(yù)報的精度等級評定和預(yù)報時效等級評定。

洪水預(yù)報精度評定的項目包括洪峰流量(水位)、洪峰出現(xiàn)時間、洪量(徑流量)和洪水過程等,根據(jù)預(yù)報方案的類型和作業(yè)發(fā)布需要確定。洪水預(yù)報誤差標(biāo)準(zhǔn):采用絕對誤差、相對誤差和確定性系數(shù)三種指標(biāo)。當(dāng)一次預(yù)報的誤差小于許可誤差時,為合格預(yù)報,合格預(yù)報次數(shù)與預(yù)報總次數(shù)之比的百分?jǐn)?shù)為合格率,表示多次預(yù)報總體的精度水平,分為甲乙丙三個等級。

潮位預(yù)報精度評定

潮位預(yù)報精度評定包含潮位許可誤差、預(yù)報方案精度評定和預(yù)報方案合格率。

潮位許可誤差分類包含正常潮位許可誤差、風(fēng)暴潮過程最大增水量誤差、風(fēng)暴潮最高潮位許可誤差和潮位及最大增水出現(xiàn)時間誤差。

暴雨洪水預(yù)報

目前常用基于一定理論基礎(chǔ)的經(jīng)驗性預(yù)報方法。如產(chǎn)流量預(yù)報中的降雨徑流相關(guān)圖是在分析暴雨徑流形成機制基礎(chǔ)上,利用統(tǒng)計相關(guān)的一種圖解分析法;匯流預(yù)報則是應(yīng)用匯流理論為基礎(chǔ)的匯流曲線,用單位線法或瞬時單位線等法對洪水匯流過程進(jìn)行預(yù)報;河道相應(yīng)水位預(yù)報和河道洪水演算是根據(jù)河道洪水波自上游向下游傳播的運動原理,分析洪水波在傳播過程中的變化規(guī)律及其引起的漲落變化尋求其經(jīng)驗統(tǒng)計關(guān)系,或者對某些條件加以簡化求解等。近年來實時聯(lián)機降雨徑流預(yù)報系統(tǒng)的建立和發(fā)展,電子計算機的應(yīng)用,以及暴雨洪水產(chǎn)流和匯流理論研究的進(jìn)展,不僅從信息的獲得、數(shù)據(jù)的處理到預(yù)報的發(fā)布,費時很短(一般只需幾分鐘),而且既能爭取到最大有效預(yù)見期,又具有實時追蹤修正預(yù)報的功能,從而提高了暴雨洪水預(yù)報的準(zhǔn)確度。

融雪洪水預(yù)報

主要根據(jù)熱力學(xué)原理,在分析大氣與雪層的熱量交換以及雪層與水體內(nèi)部的熱量交換基礎(chǔ)上,并考慮雪層特性(如雪的密度、導(dǎo)熱性、透熱性、反射率、雪層結(jié)構(gòu)等),以及下墊面情況(如凍土影響、產(chǎn)水面積等),選定有關(guān)氣象、水文等因子建立經(jīng)驗公式或相關(guān)圖預(yù)報融雪出水量、融雪徑流總量、融雪洪峰流量及其出現(xiàn)時間等。80年代以來,概念性模型也得到廣泛應(yīng)用。

冰凌洪水預(yù)報

可分為以熱量平衡原理為基礎(chǔ)的分析計算法和應(yīng)用冰情、水文、氣象觀測資料為主的經(jīng)驗統(tǒng)計法兩大類,以經(jīng)驗統(tǒng)計法較為簡便。它選用有關(guān)氣象、水文、動力、河道特征等因子建立經(jīng)驗公式或相關(guān)圖,預(yù)報冰流量、冰塞或冰壩壅水高度、解凍最高水位及其出現(xiàn)時間等。目前冰凌洪水預(yù)報尚缺乏完善的理論和可靠的預(yù)報方法。除要加強冰情監(jiān)測和深入研究冰的生消過程物理機制外,還需要提高氣象預(yù)報的可靠性,加強熱量平衡計算法的研究和建立冰情預(yù)報模型。

風(fēng)暴潮預(yù)報

一般先用調(diào)和分析法、最小二乘法和月齡法等計算出天文潮正常水位,然后進(jìn)行風(fēng)暴潮的增水預(yù)報。常用的預(yù)報方法有兩種。①經(jīng)驗統(tǒng)計法:即根據(jù)歷史資料建立經(jīng)驗公式或預(yù)報模擬圖。如建立風(fēng)、氣壓和給定地點風(fēng)暴潮位之間的經(jīng)驗關(guān)系進(jìn)行預(yù)報。②動力數(shù)值計算法:即應(yīng)用動力學(xué)原理,求解運動方程、連續(xù)方程,或建立各類動力模型作過程預(yù)報。這種方法理論基礎(chǔ)比較嚴(yán)密,并可直接應(yīng)用電子計算機。因此,國內(nèi)外都在進(jìn)一步研究發(fā)展中。

水文氣象法預(yù)報

為了增長洪水預(yù)報的預(yù)見期,有時采用水文氣象法作預(yù)報。即從分析形成各類洪水的天氣氣候要素及前期大氣環(huán)流形勢和有關(guān)因素入手,預(yù)報出暴雨、氣溫、臺風(fēng)、氣旋等的演變發(fā)展,再據(jù)以預(yù)報洪水的變化。這種方法在很大程度上取決于氣象預(yù)報的精度。因此,要密切注視預(yù)見期內(nèi)及其前后的天氣氣候變化,及時進(jìn)行修正預(yù)報,對水庫調(diào)度運用及研究防洪措施決策能起到一定的參考作用。

洪水預(yù)報系統(tǒng)( flood forecasting system)是在計算機上實現(xiàn)洪水預(yù)報聯(lián)機作業(yè)的運行系統(tǒng),它靠快速、準(zhǔn)確地收集、存儲和處理水情、雨情,通過各種專業(yè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行洪水預(yù)報和河道洪水演進(jìn),從而及時、準(zhǔn)確地作出洪水流量過程的預(yù)報,提高了洪水預(yù)報的時效性和精確度。

系統(tǒng)組成

洪水預(yù)報系統(tǒng)一般包括六個子系統(tǒng)——歷史和實時數(shù)據(jù)收集系統(tǒng);數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng);數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng);預(yù)報模型計算與休整系統(tǒng);預(yù)報發(fā)布系統(tǒng);預(yù)報評估系統(tǒng)。決定洪水預(yù)報系統(tǒng)的質(zhì)量關(guān)鍵在與兩點:一是快速,即通過各種水文信息的及時采集、迅速傳輸和處理運算來實現(xiàn)的;二是準(zhǔn)確,即通過預(yù)報變量實時信息的反饋對預(yù)報模型計算成果或參數(shù)不斷進(jìn)行實時校正來達(dá)到的。這兩個關(guān)鍵點必須始終貫徹于從數(shù)據(jù)采集、處理到預(yù)報、發(fā)布這整個預(yù)報系統(tǒng)中。下面詳細(xì)地說明一下洪水預(yù)報系統(tǒng)的具體內(nèi)容:

數(shù)據(jù)收集

主要收集區(qū)域內(nèi)的雨量站、水位站、水文站及工程管理隊觀測的雨、水、沙、工情和委、省管轄的雨、水、沙情,另外,氣象部門的衛(wèi)星云圖雷達(dá)信息以及數(shù)字預(yù)報成果和水文局有關(guān)區(qū)域的雨量信息也是我們數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的接受對象。

數(shù)據(jù)傳輸

在收集雨水情信息時,我們通過接受氣象部門的衛(wèi)星云圖、雷達(dá)回波信息以及暴雨數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品和水文局有關(guān)預(yù)報區(qū)域的雨量信息,同時,采用短信平臺、超短波、有線公網(wǎng)相結(jié)合的方式,收齊區(qū)間水雨情站的水情信息。

數(shù)據(jù)庫管理

是數(shù)據(jù)處理與存儲環(huán)節(jié),在這一環(huán)節(jié)中,我們具體的信息處理內(nèi)容有:翻譯雨水情電報報文;識別錯誤信息并處理;根據(jù)洪水預(yù)報輸入要求,生成相應(yīng)時段的水文要素過程;根據(jù)用戶信息查詢要求,制成相應(yīng)的圖表;根據(jù)人工制定的門檻,遇特殊雨水情發(fā)出預(yù)警;根據(jù)報汛任務(wù)要求向有關(guān)部門轉(zhuǎn)發(fā)信息。在處理信息之后,我們便可以將原始信息和處理后的信息存儲到數(shù)據(jù)庫,以便隨時調(diào)用。

預(yù)報模型

經(jīng)過處理后的信息從數(shù)據(jù)庫中提取出來進(jìn)入到預(yù)報模型計算系統(tǒng),我們一方面將實時數(shù)據(jù)進(jìn)行插補、外延,分割成 0.5或1.0小時為時段的降雨、流量過程,一方面提取歷史資料,經(jīng)過處理后進(jìn)行典型雨洪分析。在計算系統(tǒng)中,最重要的環(huán)節(jié)是模型率定參數(shù)的確定,一是利用歷史資料為建模進(jìn)行率定,二是利用實時資料對模型參數(shù)進(jìn)行補充、修改。最后我們要按照實際模擬達(dá)到合格要求后,才能確定預(yù)報模型的參數(shù)。

預(yù)報發(fā)布

根據(jù)確定后的預(yù)報模型,我們輸入實時雨水情信息或氣象部門等單位預(yù)測的雨量信息,進(jìn)行產(chǎn)流、匯流計算,根據(jù)計算結(jié)果及時向社會發(fā)布洪水預(yù)報,洪水預(yù)報還分為預(yù)警預(yù)報和正式預(yù)報兩個階段。

預(yù)報評估

在預(yù)報發(fā)布后,我們還要不停更新數(shù)據(jù)庫實時數(shù)據(jù),計算出的預(yù)報數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)比較后,評價此次預(yù)報的及時性和準(zhǔn)確性,如果出現(xiàn)預(yù)測之后的現(xiàn)象,應(yīng)當(dāng)加快實時數(shù)據(jù)更新的速度,如果出現(xiàn)預(yù)測失誤的現(xiàn)象,就需要及時調(diào)整模型參數(shù),以實現(xiàn)快速精確的預(yù)報結(jié)果。

總而言之,水文是防汛的耳目,水文預(yù)報是領(lǐng)導(dǎo)防汛指揮、調(diào)度、決策的重要依據(jù),一個洪水預(yù)報系統(tǒng)就是一個數(shù)學(xué)模型,它實現(xiàn)了復(fù)雜的信息采集、處理和輸出,減輕了洪水預(yù)報以前繁重的工作量,更重要的是它提高了洪水預(yù)報的時效性和準(zhǔn)確度,為各級防汛指揮部門提供決策依據(jù),對降低洪水風(fēng)險,減少洪災(zāi)損失發(fā)揮了重要作用。