根據洪水形成和運動的規律,利用過去和實時水文氣象資料,對未來一定時段的洪水發展情況的預測,稱洪水預報。[1]

預報內容

最高洪峰水位(或流量)、洪峰出現時間、洪水漲落過程、洪水總量等。

應用領域

洪水預報是防洪非工程措施的重要內容之一,直接為防汛搶險、水資源合理利用與保護、水利工程建設和調度運用管理,及工農業的安全生產服務。

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,發展了洪水預報方法。

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,為根據降雨過程計算流量過程和河道洪水演進提供了方法,這些成果至今仍在洪水預報中廣泛應用,且在不斷地深化研究和改進。

第二次世界大戰期間,美國H.U.斯韋爾德魯普和W.H.蒙克提出了根據風的要素預報海浪要素的半經驗半理論方法。

50年代以來洪水預報技術提高很快。隨著電子計算技術的發展,多學科的互相滲透和綜合研究,不僅對水文現象的物理機制給予較充分的揭示,加強了經驗性預報方法的理論基礎,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),日益得到廣泛應用,并在不斷研究改進和完善。又如采用卡爾曼濾波遞推估算水文系統狀態;用系統識別建立誤差模型和參數估計作補充描述;或用人機對話進行實時跟蹤校正,把衛星遙感技術和測雨雷達與水文預報模型結合應用,以提高洪水預報精度。

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

中國洪水預報

中國早在1027年就將水情分為12類。

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

中國1949年以后,全面規劃布設了水文站網,制訂了統一的報汛辦法,加強了對洪水的監測工作,洪水預報業務技術得到迅速發展提高。

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,都由于洪水預報準確及時,為正確作出防汛決策提供了科學依據。

與此同時,中國洪水預報技術在大量實踐經驗基礎上,不論是理論或方法都有創新和發展,并在國際水文學術活動中廣為交流。如對馬斯京根法的物理概念及其使用條件進行了研究論證,發展了多河段連續演算的方法;對經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;結合中國的自然地理條件,提出了濕潤地區的飽和產流模型和干旱地區的非飽和產流模型;提出了適合各種不同運用條件下中小型水庫的簡易預報方法;在成因分析的基礎上進行中長期預報方法的研究等。

中國水利部水文水利調度中心初步形成了一個包括 6個子系統的適合于不同流域、不同地區的預報系統,進一步提高了洪水預報的預見性和準確性。

為統一技術標準,嚴格工作程序,提高水文情報預報質量,水利電力部還組織編制了《水文情報預報規范》,于1985年正式頒發實施。

洪水預報按預見期的長短,可分為短、中、長期預報。

通常把預見期在2天以內的稱為短期預報;

預見期在3~10天以內的稱為中期預報;

預見期在10天以上一年以內的稱為長期預報。

對徑流預報而言,預見期超過流域最大匯流時間即作為中長期預報。

按成因

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

世界上絕大多數河流的洪水是暴雨產生并造成災害的,故暴雨洪水預報是洪水預報的一個主要課題。它包括產流量預報,即預報流域內一次暴雨將產生多少洪水徑流量;匯流預報,即預報產流后,徑流如何匯集河道再進行洪水演進,得出河道各代表斷面的洪水過程。

其它

洪水預報還可分為兩大類:一類是河道洪水預報,如相應水位(流量)法。

天然河道中的洪水,以洪水波形態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,然后依次在下游斷面出現。因此,可利用河道中洪水波的運動規律,由上游斷面的洪水位和洪水流量,來預報下游的運動規律,由上游斷面的洪水位和洪水流量來預報下游斷面的洪水位和洪水流量。這就是相應水位(流量)法。

第二類方法是流域降雨徑流(包括流域模型)法。

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

洪水預報精度包括預報方案精度等級評定、作業預報的精度等級評定和預報時效等級評定。

洪水預報精度評定的項目包括洪峰流量(水位)、洪峰出現時間、洪量(徑流量)和洪水過程等,根據預報方案的類型和作業發布需要確定。洪水預報誤差標準:采用絕對誤差、相對誤差和確定性系數三種指標。當一次預報的誤差小于許可誤差時,為合格預報,合格預報次數與預報總次數之比的百分數為合格率,表示多次預報總體的精度水平,分為甲乙丙三個等級。

潮位預報精度評定

潮位預報精度評定包含潮位許可誤差、預報方案精度評定和預報方案合格率。

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

暴雨洪水預報

目前常用基于一定理論基礎的經驗性預報方法。如產流量預報中的降雨徑流相關圖是在分析暴雨徑流形成機制基礎上,利用統計相關的一種圖解分析法;匯流預報則是應用匯流理論為基礎的匯流曲線,用單位線法或瞬時單位線等法對洪水匯流過程進行預報;河道相應水位預報和河道洪水演算是根據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律及其引起的漲落變化尋求其經驗統計關系,或者對某些條件加以簡化求解等。近年來實時聯機降雨徑流預報系統的建立和發展,電子計算機的應用,以及暴雨洪水產流和匯流理論研究的進展,不僅從信息的獲得、數據的處理到預報的發布,費時很短(一般只需幾分鐘),而且既能爭取到最大有效預見期,又具有實時追蹤修正預報的功能,從而提高了暴雨洪水預報的準確度。

融雪洪水預報

主要根據熱力學原理,在分析大氣與雪層的熱量交換以及雪層與水體內部的熱量交換基礎上,并考慮雪層特性(如雪的密度、導熱性、透熱性、反射率、雪層結構等),以及下墊面情況(如凍土影響、產水面積等),選定有關氣象、水文等因子建立經驗公式或相關圖預報融雪出水量、融雪徑流總量、融雪洪峰流量及其出現時間等。80年代以來,概念性模型也得到廣泛應用。

冰凌洪水預報

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

風暴潮預報

一般先用調和分析法、最小二乘法和月齡法等計算出天文潮正常水位,然后進行風暴潮的增水預報。常用的預報方法有兩種。①經驗統計法:即根據歷史資料建立經驗公式或預報模擬圖。如建立風、氣壓和給定地點風暴潮位之間的經驗關系進行預報。②動力數值計算法:即應用動力學原理,求解運動方程、連續方程,或建立各類動力模型作過程預報。這種方法理論基礎比較嚴密,并可直接應用電子計算機。因此,國內外都在進一步研究發展中。

水文氣象法預報

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

洪水預報系統( flood forecasting system)是在計算機上實現洪水預報聯機作業的運行系統,它靠快速、準確地收集、存儲和處理水情、雨情,通過各種專業數學模型進行洪水預報和河道洪水演進,從而及時、準確地作出洪水流量過程的預報,提高了洪水預報的時效性和精確度。

系統組成

洪水預報系統一般包括六個子系統——歷史和實時數據收集系統;數據傳輸系統;數據庫管理系統;預報模型計算與休整系統;預報發布系統;預報評估系統。決定洪水預報系統的質量關鍵在與兩點: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的;二是準確,即通過預報變量實時信息的反饋對預報模型計算成果或參數不斷進行實時校正來達到的。這兩個關鍵點必須始終貫徹于從數據采集、處理到預報、發布這整個預報系統中。下面詳細地說明一下洪水預報系統的具體內容:

數據收集

主要收集區域內的雨量站、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,氣象部門的衛星云圖雷達信息以及數字預報成果和水文局有關區域的雨量信息也是我們數據收集系統的接受對象。

數據傳輸

在收集雨水情信息時,我們通過接受氣象部門的衛星云圖、雷達回波信息以及暴雨數值預報產品和水文局有關預報區域的雨量信息,同時,采用短信平臺、超短波、有線公網相結合的方式,收齊區間水雨情站的水情信息。

數據庫管理

是數據處理與存儲環節,在這一環節中,我們具體的信息處理內容有:翻譯雨水情電報報文;識別錯誤信息并處理;根據洪水預報輸入要求,生成相應時段的水文要素過程;根據用戶信息查詢要求,制成相應的圖表;根據人工制定的門檻,遇特殊雨水情發出預警;根據報汛任務要求向有關部門轉發信息。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據庫,以便隨時調用。

預報模型

經過處理后的信息從數據庫中提取出來進入到預報模型計算系統,我們一方面將實時數據進行插補、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,經過處理后進行典型雨洪分析。在計算系統中,最重要的環節是模型率定參數的確定,一是利用歷史資料為建模進行率定,二是利用實時資料對模型參數進行補充、修改。最后我們要按照實際模擬達到合格要求后,才能確定預報模型的參數。

預報發布

根據確定后的預報模型,我們輸入實時雨水情信息或氣象部門等單位預測的雨量信息,進行產流、匯流計算,根據計算結果及時向社會發布洪水預報,洪水預報還分為預警預報和正式預報兩個階段。

預報評估

在預報發布后,我們還要不停更新數據庫實時數據,計算出的預報數據與實時數據比較后,評價此次預報的及時性和準確性,如果出現預測之后的現象,應當加快實時數據更新的速度,如果出現預測失誤的現象,就需要及時調整模型參數,以實現快速精確的預報結果。

總而言之,水文是防汛的耳目,水文預報是領導防汛指揮、調度、決策的重要依據,一個洪水預報系統就是一個數學模型,它實現了復雜的信息采集、處理和輸出,減輕了洪水預報以前繁重的工作量,更重要的是它提高了洪水預報的時效性和準確度,為各級防汛指揮部門提供決策依據,對降低洪水風險,減少洪災損失發揮了重要作用。