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1、长江实时洪水预报系统黄艳长江水利委员会水文局摘要长江水利委员会1951年成立以来，长江实时洪水预报系统不断得到发展。系统采取气象模型（提供定量降雨预报）与水文、水力模型相结合的方法，并结合预报员经验分析，为长江上主要站点提供实时洪水预报。采用的模型包括气象模型MM5，水文模型有新安江模型，API模型，水力模型有马斯京根方法，统计学模型如相关关系法和“大湖演算法”以及MIKE11模型。本文介绍了长江水利委员会水文局实施的洪水预报系统的框架和概要。简述了使用模型的原理，预报范围与流程，并给出了一些预报结果。文章最后讨论了目前需要给予特别关注的重要问题。1 关键字实时洪水预报，长江，定量降雨预报引言
2、长江洪水历来带来巨大破坏。1877年以来，至少有25次洪水超过了河道泄洪能力。1998年洪水是最近发生的一次大洪水事件。由于流域范围的大洪水会影响了成千上万人民的生命与财产安全，所以，对洪水预报的精度，时效性都提出了非常高的要求。另外，随着社会经济的不断发展，对防洪的要求也在不断提高。同时，由于人类活动的加剧，使得洪水预报变得更为复杂。为了促进流域洪水管理，长江委水文局通过不断努力，逐步建立了一套实时洪水预报系统。经过几十年的不断发展，目前使用的洪水预报系统是1990年代中期开发的。系统包括1400多个水位雨量测站，其中118个中央报汛站实现自动报汛。系统应用了多个水文水力学模型。本文简要描述
3、了当前业务实时洪水预报系统使用的方法及其使用效果，并讨论了即将面临的挑战。1.1 长江实时洪水预报系统概述长江流域位于中国中部，面积108万平方公里，河流干支流全长6300余公里。从青藏高原长江源头至宜昌为上游，集水面积100平方公里，从宜昌至武汉为中游，集水面积68万平方公里，从武汉至河口上海市为下游，集水面积12万平方公里。针对不同区域，目前的洪水预报系统预报方法各不相同，详细见图1。气象预报图1长江实时洪水预报系统如图1所示，当前的洪水预报系统由多个部分构成。根据信息流程，系统组成可分为如下几个部分：1、气象预报：使用气象模型提供定量降雨预报；2、水文模拟：使用实时雨量与定量降雨预报值预
4、测径流量。使用的模型主要有API方法1，单位线（UH）2演算和新安江模型（XAJ）3；3、洪水演算：使用模型预测径流和实测径流作为边界条件，应用多个水力学模型和统计模型洪水演算程序计算不同站点的水位和流量。使用的模型有马斯京根4，MIKE11，相关关系线法和由长江委水文局为复杂的洞庭湖区开发的所谓“大湖演算法”；4、后验分析：人工对模型结果进行分析的过程。结合不同模型给出的预报结果，考虑到人类活动或天气动力带来的不确定性，给出最终预报成果，予以发布。这一步没有在图1中明显表现出来，但它是当前洪水预报系统中非常重要的一环。1.2 系统组成如上所述，当前的洪水预报系统由四部分组成，即定量降雨预报，
5、降雨-径流模拟，洪水演算和对模型结果进行的后验分析。使用的大多数模型在理论上是成熟的，模型的复杂性是可行的，大多数教科书中均有介绍。惟一的例外是所谓的“大湖演算法”，它是专门为模拟洞庭湖区的江湖关系而研发的。1.2.1 定量降雨预报（QPF）为了增加预报预见期，提高预报精度，当前的洪水预报系统中进行了气象模拟，为水文模型提供QPF。目前，使用两种预报方法来进行短期降雨准定量预报。第一种方法是，通过分析各种气象信息，包括常规的地面天气信息，卫星信息，卫星图像，雷达遥感信息等等,估算降雨范围与趋势。第二种方法是使用MM5模型来预报流域范围降雨。该模型是一个中期预报气象模型，由美国国家天气局和加州大
6、学联合开发，起初是一个中尺度模型。关于该模型的更多信息可以访问该网站：http:/www.mmm.ucar.edu/mm5/mm5-home.html.两种方法都用来为洪水预报系统提供QPF。QPF计算单独进行，计算程序没有与水文模型自动对接。1.2.2 水文模拟长期长江洪水预报实践表明，有两个水文模型可以可靠地和准确地计算长江流域大多数地区径流量。这两个模型是API模型和新安江模型(Zhao,1984).。API模型：API模型通常与单位线演算一起用来计算集水区的降雨-径流。新安江模型：该模型是一个概念性降雨-径流模型，在长江流域广泛采用。其它水文模型如由澳大利亚研制的URBS,RAFTS模
7、型，源自美国的HEC-HMS模型以及源自丹麦的NAM模型也在系统中应用，它们与其它模型并行测试运行。1.2.3 洪水演算在当前的洪水预报系统中，洪水演算程序包括有水力学模型和统计学方法。在长江上游地区，河道较窄，稳定，马斯京根方法合适应用；在下游以及洞庭湖区，统计方法如相关关系线法和大湖演算法表现相对好些；MIKE11表现位于两者之间，比较稳定与准确。马斯京根演算：作为广泛使用的一种1维洪水演算程序，该方法是长江主河道洪水演算的主要水力学模型，在长江上中游河道稳定的区域使用。5.MIKE11:由丹麦水力研究所研制，是一个1维水力学模型，用于简单和复杂河流和河道系统模拟分析，设计，管理和调度。水
8、力学模块是MIKE11模型的核心。相关关系曲线法：使用历史数据，建立了测站之间的水位之间和/或流量之间相关关系曲线。在这中方法中，洪水波传播时间与洪峰之间建立相关关系。这种关系曲线反映了地理上相互联系的两个或多个测站之间的统计特性和对应关系。大湖演算法-同庭湖区：最为复杂同样也是最为重要的洪水演算就是所谓的“大湖演算法”，用于洞庭湖区预测螺山站水文与流量。将螺山看成一个大的蓄水池，根据质量守恒原理，考虑来自上游的所有入流，包括四口入流，长江主干宜昌入流，清江长阳入流以及集水区径流，通过水位流量曲线来计算螺山站水位。1.2.4 后验分析模型是洪水预报系统的主要部分，但不是最后的一步。后验分析成为
9、预报过程的一部分，包含了专家经验和对当前形式的理解判断，是目前洪水预报系统最后的和重要的一步。尽管模拟结果总的来说是好的，但在重要洪水事件期间，这还是不够的。为了获得可靠的洪水预报，需要预报员考虑各种不确定因素对模型结果进行综合分析，最终确定预报值。后验分析一般有这几项工作：1、精度分析：结合由不同模型给出的预报值，确定可能最准确的预报；2、历史洪水相似性研究：与历史洪水进行比较，找出相似之处，如果必要，寻求合适的管理措施；3、气象假想案例研究：计算可能的暴雨时空组合产生的洪水；4、社会经济评估：在洪水期结束之后，对洪水预报系统的表现进行社会经济影响评估，找出当年系统中的不足之处，为下一个汛期
10、改进提供借鉴。1.3 总结如上所述，目前的洪水预报系统由多种模型和方法组成，结合气象预报，水文模拟和水力学洪水演算，并且还有预报员经验分析。该系统提供3-5天长江干流和主要支流重要测站的洪水预报。下面一节给出了最近的一些预报结果。Domain2；Procnipirtationinmm/6hUnitVpI怕JAM盘DM1u7C-13.042dWUTCIME110Efonrno_E谧r五Q.1M15flS9.Q阿1,53口图2长江流域6小时累积降雨预报3结果3.1定量降雨预报在目前的洪水预报系统中，气象模拟为水文模型提供定量降雨预报（QPF）输入。图2显示了使用MM5模型给出的长江流域6小时累积降
11、雨预报。统计分析表明，QPF精度是不够的。目前正在努力改进MM5模型QPF预报精度。3.2洪水预报当前洪水预报系统提供长江干流及支流主要测站水文和流量预报。预见期一般为枝城以上测站为3天，螺山以下为5天。图3显示了2005年汉口站汛期1-5天水文预报。1-5天的平均预报误差分别为，0.05m，0.09m，0.14m,0.20mand0.27m。模拟系统总的来说是稳健的，准确的。4结论与讨论实践表明，长江水利委员水文局开发与实施的长江洪水预报系统为长江流域的洪水管理和防洪提供了准确和有效的洪水预报，取得了显著的社会经济效益。目前的洪水预报系统有几个值得关注的特性：1、经验方法如相关关系线法被广泛
12、采用。物理基础水力学模型的应用具有局限性，主要是因为物理基础的确定性水力学模型需要大量的信息，而这些信息很难保持不断更新。经验方法相对简单，容易，可以使用最新的水文信息进行调整，因此更加实用。2、在实时预报中，使用模型模拟只是第一步，考虑更多信息和不确定性因素是长江实时洪水预报非常重要的一步。这需要借鉴预报员的经验。这些经验很难用数学方程和其它清楚的规则来表达，但这些隐性经验的使用是长江洪水预报过程中非常重要的一环。尽管当前的洪水预报系统是可靠有效的，但需要进行不断改进。需要关注的几个问题如下：1、应当加强和改进监测能力。随着河流特性的改变，流域社会经济的快速发展，有必要加强监测与测绘，掌握河
13、流特性的变化规律。随着大型水利工程如三峡工程投入使用，河道冲淤以及水流特性也会发生变化。有必要增加泥沙淤积观测。为了更有效地进行信息管理，有必要改进自动监测和数据传输技术以及改进分析方法和模型。2、有必要更新当前的预报/模拟方法和技术。由于人类活动，目前的洪水预报方法变得不再准确。由于三峡水库投入运行，河道淤积情势发生变化，下游河道变化显著。过去的相关关系曲线可能不再合适，需要研究并建立新的关系曲线。3、在目前洪水预报系统中建立实时更新程序是重要的。数据同化技术如卡尔曼滤波或基因编程法对建立这种程序具有相当大的价值。4、需要进一步跟踪和分析人类活动带来的影响。在过去20年间，长江流域兴建了大量
14、的水利灌溉或其他供水工程，长江干流和支流特性发生了重大改变，水流特性受到影响。收集这些水利工程实时调度信息对洪水预报来说是重要的，尤其是对上游地区小流域来说更是如此。为了获得准确和有效的洪水预报，不断收集和跟踪人类活动是十分有意义的。26283OctMay18-May2-Jun17-Jun2-Jul17-Jul1-Aug16-Aug31-Aug15-Sep30-Sep15-bz/厂图3汉口站2005年汛N期1-5天水位预报Measurement44-dayforecast1242220W1816W1 Kohler,M.A.,andLinsley,R.K.,1951.Predictingruno
15、fffromstormrainfall.Res.Paper34,U.S.WeatherBureau,Washington,D.C.2 Sherman,L.K.,1942.TheunithydrographmethodC,hapterX1EofHydrology.ed.O.E.Meinzer,pp.514-525.3 Zhao,R.J.,1984.Hydrologicalmodelling.WaterConservancyandhydropowerpublication,1984MBeijing.（赵人俊，1984，流域水文模拟M。北京：水利电力出版社。）Cunge,J.A.,1969.Onthesubjectofafloodpropagationmethod.JournalofHydraulicsResearch.IAHR,7,pp.205-230.4 Anthes,R.A.,andWarner,T.T.,1978.Developmentofhydrodynamicmodelssuitableforairpollutionandotherm
