基于气象的预测降雨数据在中短期洪水预报中的应用

基于气象的预测降雨数据在中短期洪水预报中的应用

姚新振

安徽省驷马山引江工程管理处襄河口闸管理所安徽省滁州市239516

摘要：近年来由于全球气候的异常变化，诸如厄尔尼诺现象和拉尼娜现象等，无疑加剧和改变了水文循环的原有过程，驱动降水量、蒸发量等水文要素的变化，增强水文极端事件发生的概率，也改变流域水量平衡，影响流域水资源的分布.短期水文预报作为水电站、水库等水利设施防灾减灾、生产运营、综合利用的重要手段早已得到成熟应用，随着国内大江大河水电大开发的进行，天然河道已经大量被水电站、水库开发截流，合理的利用水资源，水文站网的历史数据已经发生根本性的改变，再基于历史水文数据和实时数据做传统的短期水文预报已经面临精确度的挑战。因此必须结合最新科技手段予以修正，随着卫星通信、动力气象学、数学物理方法、统计学方法等大量科技手段的应用，如何使水文预报的水平显著提高，趋于精准，是目前面临的一个难题。

关键词：气象的预测降雨数据；中短期洪水预报；应用

1气象的预测降雨数据在中短期洪水预报中应用的重要性

（1）洪水形成机理。按照中国气候的特点和地理分布的特征，在我国境内形成的洪水大多是由降雨的持续性和强降雨引起的，特别是最近几年发生的几次大洪水，比如2020年安徽省全省性大洪水，特别是驷马山引江工程管理处所处的滁河-长江流域大洪水，更是百年一遇的超历史性特大洪水，还有2021年郑州特大洪水，2023年北京-天津-河北省唐山地区以及黑龙江流域发生的特大洪水，给人民生命和财产造成极大损失。所以准确预测降雨是中短期洪水预报的基础，也是国家进行防汛抗旱的决策依据。因此，预测降雨量和分布可以帮助了解洪水形成的机理，即判断何时何地会发生洪水，有助于预报员和相关部门及时采取措施应对。（2）洪水响应时间。预测降雨数据能够提供洪水形成的时间特征，即预测何时开始降雨、降雨强度的变化以及降雨持续时间等。这些数据能够帮助预警部门确定洪水响应的时间，以便采取紧急疏散、抢险救灾等应对措施，提高抗洪能力。（3）防洪调度决策。预测降雨数据不仅可以用于洪水预警，也能够为水利部门提供重要的决策依据。根据降雨预测数据，可以进行水库调度、泄洪预案制定等操作，以最大限度地减少洪峰流量和洪水波及范围，减轻洪水灾害风险。（4）群众安全保障。及时准确的洪水预报可以提高群众的安全意识和预防措施，有助于减少人员伤亡和财产损失。预测降雨数据可以用于发布洪水预警信息，引导群众有序疏散，采取必要的防洪措施，提高洪水应对和避险能力。

2采用的模型和理论基础

1.D模型介绍

1983年，河海大学朱华提出了马斯京根方程的非线性矩阵解数学方程，该方程可用于进行有支流汇入及区间入流情况下的长河道流量演算。马斯京根矩阵方程开辟了动态洪水预报模型的新方向，为自动控制领域中的动态校正技术奠定了理论基础。其内部包含了各子河段的汇流时间概念，因而可以全方位合理地实时修正，而不损失预见期。可以在理论上证明，采用卡尔曼滤波技术的预报精度是最高的，在实践应用上也证明了这一点。D模型采用我国新安江（三水源）模型进行单元产流计算并划分水源，其出流作为子河段的区间入流。运用马斯京根矩阵解法作为河道汇流系统的状态空间方程，并通过自适应卡尔曼滤波技术进行实时校正，校正系统的状态向量，同时校正系统的参数矩阵，促使预报模型与流域产汇流系统一直处在最适配状态。流域内的雨量、水位等气象监测站点越多，洪水预报精度就越高，需要的遥测站数目越少。一般可比常规预报模型节省20%～50%的报汛站数目，因而可为国家节省大量投资。D模型具有降雨径流模型的预见期，它成功地克服了预报精度与预见期的矛盾。D模型一经安装，就可以每天自动定时进行全自动洪水预报，不需要任何人工干预。

2.D模型具体原理

D模型主要分为两大部分：降雨径流、河道汇流。D模型是一个以河道汇流为主的的预报模型，因为小流域属于强烈非线性系统，大中流域可以看成一个线性系统。这是符合大流域特性的。首先要确定预报时段的长短，一般取1h或3h（特大流域）。然后根据大中洪水时，洪水波在一个时段的传播距离作为子河段长度的基础，将干支流划分成若干子河段。注意：将各个水文站划分成子河段断面，而两个水文站断面之间一般可以等分。相邻子河段之间的区间面积就是单元面积。如果一条河流上有若干个水库或节制闸，那么每个水库和节制闸也可以划作一个单元。若干个相连的子河段组成一个长河段，使用马斯京根法非线性矩阵解。依此类推，将一个大流域划分成若干个子河段单元和若干个水库单元。而每一个水文站则处在某个单元的出口。对于河道最上游的单元，则只有一个出口断面。对于内部没有雨量站的单元，单元面雨量可以用单元四周的雨量站平均。在每一个单元面积上采用D模型计算产流并分水源，汇入子河段的上端，称之为区间入流。

2.2.1降雨径流

D模型将一个大流域划分成若个单元流域，每个单元流域由一个子河段和区间组成。子河段的长度与时段长度有关，河水在子河段的传播时间与时段长相当。所谓区间就是上、下子河段断面控制的区间面积。在每个子河段区间上使用降雨径流模型，计算出的区间出流汇入子河段的上断面。目前国内外适用的降雨径流模型，大多用普通的降雨径流模型，采用实时修正技术后，可以大大提高适用性。采用D模型，近几年的预报精度均达到了90%以上。

2.2.2河道汇流

河道洪水演进的基本原理，主要采用朱华教授（1983年）提出的马斯京根方程的非线性矩阵解数学方程进行实例演算。该方程适用于有支流汇入及区间入流情况下的长河道流量演算，预报精度较高且预见期长。马斯京根法并没有预见期，也不能进行实时修正。但马斯京根法的矩阵解采用了递推算法，并且符合自动控制理论中的状态方程数学形式，因而可采用卡尔曼滤波技术进行实时修正。由于已经在数学上证明了对于线性系统，卡尔曼滤波进行实时修正，其精度是最好的。马斯京根法具有最少的参数k，x，参数调整简单、便捷，且具有明确的物理意义，在洪水预报、防洪预警等方面得到了广泛运用。

3D模型的改进方法

以往，定时洪水预报软件只使用一个时段即当前及前期时段或历年同期时段的实际降雨量、上下游水位进行预报，并不考虑未来的雨量，因此，研究气候对流域水资源的影响具有及其重要的意义。利用天气预报的数据，对未来该流域内发生的降雨做出洪水预报，使用天气预报数据进行预报后，预见期将大大增加，利用高精度的可靠的气象雨量数据为洪水的防范及高层的决策起到必要的参考作用。基于短期降雨数据的洪水预报，以未来10d的雨量作为洪水预报降雨数据输入，充分利用正在使用的自动定时洪水预报软件计算出的土壤参数以及下垫面条件作为计算依据，使得方案能够基于事实，更加可靠。

4应用实例

某水电站是1座以发电为主、兼顾防洪、航运等综合利用的水利枢纽工程。水库正常蓄水位65m，汛期（4-7月）运行控制水位61m。电站装机总容量140×104kW，保证出力26×104kW，年平均发电量49.5×108kW·h，是华东地区最大的水电站。坝址控制流域面积52438km2，占闽江全流域面积的86%。流域内降水充沛，年平均降雨量达1758mm[5]。利用天气预报的数据，对未来本流域内发生的降雨做出洪水预报，对闽江流域水资源的影响具有极其重要的意义。水口原有预见期根据降雨中心的不同，多为9～20h，在使用天气预报数据进行预报后，预见期将大大增加，中期洪水预报的预见期可将增至5～6d，长达144h，表1是2021年5月17日20点的自动计算结果，预测5月22日最大洪峰16734m3/s，实测洪峰为16716m3/s，精度达到99.89%，预见期长达144h。

5结语

从抽取的10d估计雨量预报结果看，D模型在洪水预报中的预测精度高达99.89%，在此基础上，通过气象预报数据的接入可以满足预见期3～7d的要求，大大提高了预见期，高精度的水文预报为调度和决策支持提供可靠的数据服务，为有关防洪决策部门提供有力的决策判断依据和技术支撑，大大提高了决策能力和社会效果。

参考文献

[1]程海云，熊明，冯宝飞，陈瑜彬，牛文静，秦昊，张潇.长江现代水文水资源监测预报预警体系[J].水利水电快报，2023，44（07）：6-7.

[2]田兆伟，刘金凤，张炜，宋利祥，解河海.实时洪水预报调度演进一体化技术在西枝江流域的应用研究[J].广东水利水电，2022，（11）：30-34.