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洪水预报  

      根据前期和现时的水文、气象等信息,揭示和预测洪水的发生及其变化过程的应用科学技术。它是防洪非工程措施的重要内容之一,直接为防汛抢险、水资源合理利用与保护、水利工程建设和调度运用管理,及工农业的安全生产服务。

     名词概念

名词定义

     根据洪水形成和运动的规律,利用过去和实时水文气象资料,对未来一定时段的洪水发展情况的预测,称洪水预报。

预报内容

最高洪峰水位(或流量)、洪峰出现时间、洪水涨落过程、洪水总量等。

应用领域

洪水预报是防洪非工程措施的重要内容之一,直接为防汛抢险、水资源合理利用与保护、水利工程建设和调度运用管理,及工农业的安全生产服务。

      发展历史

国际洪水预报

1910年奥地利林茨和维也纳的省水文局,首次安装水位自动遥测和洪水警报电话装置,发展了洪水预报 洪水预报流程图方法。
1932年L.R.K.谢尔曼提出单位过程线;1933年,R.E.霍顿建立下渗公式;1935年G.T.麦卡锡等人提出马斯京根法原理,为根据降雨过程计算流量过程和河道洪水演进提供了方法,这些成果至今仍在洪水预报中广泛应用,且在不断地深化研究和改进。
第二次世界大战期间,美国H.U.斯韦尔德鲁普和W.H.蒙克提出了根据风的要素预报海浪要素的半经验半理论方法。
50年代以来洪水预报技术提高很快。随着电子计算技术的发展,多学科的互相渗透和综合研究,不仅对水文现象的物理机制给予较充分的揭示,加强了经验性预报方法的理论基础,而且大大加速了信息的传递与处理,并使以往用人工无法实现的分析计算,能用电子计算机快速完成,同时还提出了一些新方法。
60年代以后迅速发展的各种流域水文模型(包括中国的新安江模型、美国的萨克拉门托模型、日本的水箱模型等),日益得到广泛应用,并在不断研究改进和完善。又如采用卡尔曼滤波递推估算水文系统状态;用系统识别建立误差模型和参数估计作补充描述;或用人机对话进行实时跟踪校正,把卫星遥感技术和测雨雷达与水文预报模型结合应用,以提高洪水预报精度。
此外,欧美不少国家正在发展多种实时联机洪水预报系统。如美国国家气象局建立了全国的河流预报系统,苏联国家水文气象及自然环境监督委员会,建立了全国实时水资料接收和预报系统。它们的特点是:功能齐全,适应性强,自动化程度高,通用性好,运算速度快。

中国洪水预报

中国早在1027年就将水情分为12类。
16世纪70年代在黄河流域已有比较正常的报汛方式。当时在黄河设有驿站,由驿吏乘马飞速向下游逐站 水文图接力传报水情。同时,还发现"凡黄水消长必有先兆,如水先泡则方盛,泡先水则将衰"的规律。大意是当黄河大量出现水泡时,表示水势正在盛涨,若水泡消失,表示水势趋于衰落,据此来预估黄河洪水的涨落趋势。
中国1949年以后,全面规划布设了水文站网,制订了统一的报汛办法,加强了对洪水的监测工作,洪水预报业务技术得到迅速发展提高。
1954年长江、淮河特大洪水,1958年黄河特大洪水和1963年8月海河特大洪水,1981年长江上游、1983年汉江上游特大洪水,都由于洪水预报准确及时,为正确作出防汛决策提供了科学依据。
与此同时,中国洪水预报技术在大量实践经验基础上,不论是理论或方法都有创新和发展,并在国际水文学术活动中广为交流。如对马斯京根法的物理概念及其使用条件进行了研究论证,发展了多河段连续演算的方法;对经验单位线的基本假定与客观实际情况不符所带来的问题,提出了有效的处理方法;结合中国的自然地理条件,提出了湿润地区的饱和产流模型和干旱地区的非饱和产流模型;提出了适合各种不同运用条件下中小型水库的简易预报方法;在成因分析的基础上进行中长期预报方法的研究等。
中国水利部水文水利调度中心初步形成了一个包括 6个子系统的适合于不同流域、不同地区的预报系统,进一步提高了洪水预报的预见性和准确性。
为统一技术标准,严格工作程序,提高水文情报预报质量,水利电力部还组织编制了《水文情报预报规范》,于1985年正式颁发实施。

     预报分类

按预见期

蓄水大坝
洪水预报按预见期的长短,可分为短、中、长期预报。
通常把预见期在2天以内的称为短期预报;
预见期在3~10天以内的称为中期预报;
预见期在10天以上一年以内的称为长期预报。
对径流预报而言,预见期超过流域最大汇流时间即作为中长期预报。

按成因

按洪水成因要素可分为暴雨洪水预报、融雪洪水预报冰凌洪水预报、海岸洪水预报等。
世界上绝大多数河流的洪水是暴雨产生并造成灾害的,故暴雨洪水预报是洪水预报的一个主要课题。它包括产流量预报,即预报流域内一次暴雨将产生多少洪水径流量;汇流预报,即预报产流后,径流如何汇集河道再进行洪水演进,得出河道各代表断面的洪水过程。

其它

洪水预报还可分为两大类:一类是河道洪水预报,如相应水位(流量)法。
天然河道中的洪水,以洪水波形态沿河道自上游向下游运动,各项洪水要素(洪水位和洪水流量)先在河道上游断面出现,然后依次在下游断面出现。因此,可利用河道中洪水波的运动规律,由上游断面的洪水位和洪水流量,来预报下游的运动规律,由上游断面的洪水位和洪水流量来预报下游断面的洪水位和洪水流量。这就是相应水位(流量)法。
第二类方法是流域降雨径流(包括流域模型)法。
依据降雨形成径流的原理,直接从实时降雨预报流域出口断面的洪水总量和洪水过程。

     预报精度评定

洪水预报精度评定

洪水预报精度包括预报方案精度等级评定、作业预报的精度等级评定和预报时效等级评定。
洪水预报精度评定的项目包括洪峰流量(水位)、洪峰出现时间、洪量(径流量)和洪水过程等,根据预报方案的类型和作业发布需要确定。洪水预报误差标准:采用绝对误差、相对误差和确定性系数三种指标。当一次预报的误差小于许可误差时,为合格预报,合格预报次数与预报总次数之比的百分数为合格率,表示多次预报总体的精度水平,分为甲乙丙三个等级。

潮位预报精度评定

潮位预报精度评定包含潮位许可误差、预报方案精度评定和预报方案合格率。
潮位许可误差分类包含正常潮位许可误差、风暴潮过程最大增水量误差、风暴潮最高潮位许可误差和潮位及最大增水出现时间误差。

     预报方法

大气环流、海洋潮汐、各种地球物理因子和下垫面产流汇流条件,对洪水形成及演变都可发生影响,情况十分复杂,故短期洪水预报方法多系基于一定物理成因分析基础上的经验方法。至于中长期预报,则更与天气气候、气象预报紧密关联。而影响长期天气过程变化的因子尤为复杂,故其预报方法尚处于研究探索阶段。

暴雨洪水预报

目前常用基于一定理论基础的经验性预报方法。如产流量预报中的降雨径流相关图是在分析暴雨径流形成机制基础上,利用统计相关的一种图解分析法;汇流预报则是应用汇流理论为基础的汇流曲线,用单位线法或瞬时单位线等法对洪水汇流过程进行预报;河道相应水位预报和河道洪水演算是根据河道洪水波自上游向下游传播的运动原理,分析洪水波在传播过程中的变化规律及其引起的涨落变化寻求其经验统计关系,或者对某些条件加以简化求解等。近年来实时联机降雨径流预报系统的建立和发展,电子计算机的应用,以及暴雨洪水产流和汇流理论研究的进展,不仅从信息的获得、数据的处理到预报的发布,费时很短(一般只需几分钟),而且既能争取到最大有效预见期,又具有实时追踪修正预报的功能,从而提高了暴雨洪水预报的准确度。

融雪洪水预报

主要根据热力学原理,在分析大气与雪层的热量交换以及雪层与水体内部的热量交换基础上,并考虑雪层特性(如雪的密度、导热性、透热性、反射率、雪层结构等),以及下垫面情况(如冻土影响、产水面积等),选定有关气象、水文等因子建立经验公式或相关图预报融雪出水量、融雪径流总量、融雪洪峰流量及其出现时间等。80年代以来,概念性模型也得到广泛应用。

冰凌洪水预报

可分为以热量平衡原理为基础的分析计算法和应用冰情、水文、气象观测资料为主的经验统计法两大类,以经验统计法较为简便。它选用有关气象、水文、动力、河道特征等因子建立经验公式或相关图,预报冰流量、冰塞或冰坝壅水高度、解冻最高水位及其出现时间等。目前冰凌洪水预报尚缺乏完善的理论和可靠的预报方法。除要加强冰情监测和深入研究冰的生消过程物理机制外,还需要提高气象预报的可靠性,加强热量平衡计算法的研究和建立冰情预报模型。

风暴潮预报

一般先用调和分析法、最小二乘法和月龄法等计算出天文潮正常水位,然后进行风暴潮的增水预报。常用的预报方法有两种。①经验统计法:即根据历史资料建立经验公式或预报模拟图。如建立风、气压和给定地点风暴潮位之间的经验关系进行预报。②动力数值计算法:即应用动力学原理,求解运动方程、连续方程,或建立各类动力模型作过程预报。这种方法理论基础比较严密,并可直接应用电子计算机。因此,国内外都在进一步研究发展中。

水文气象法预报

为了增长洪水预报的预见期,有时采用水文气象法作预报。即从分析形成各类洪水的天气气候要素及前期大气环流形势和有关因素入手,预报出暴雨、气温、台风、气旋等的演变发展,再据以预报洪水的变化。这种方法在很大程度上取决于气象预报的精度。因此,要密切注视预见期内及其前后的天气气候变化,及时进行修正预报,对水库调度运用及研究防洪措施决策能起到一定的参考作用。

     预报体系

现代洪水预报系统简介:
洪水预报系统( flood forecasting system)是在计算机上实现洪水预报联机作业的运行系统,它靠快速、准确地收集、存储和处理水情、雨情,通过各种专业数学模型进行洪水预报和河道洪水演进,从而及时、准确地作出洪水流量过程的预报,提高了洪水预报的时效性和精确度。

系统组成

洪水预报系统一般包括六个子系统--历史和实时数据收集系统;数据传输系统;数据库管理系统;预报模型计算与休整系统;预报发布系统;预报评估系统。决定洪水预报系统的质量关键在与两点:一是快速,即通过各种水文信息的及时采集、迅速传输和处理运算来实现的;二是准确,即通过预报变量实时信息的反馈对预报模型计算成果或参数不断进行实时校正来达到的。这两个关键点必须始终贯彻于从数据采集、处理到预报、发布这整个预报系统中。下面详细地说明一下洪水预报系统的具体内容:

数据收集

主要收集区域内的雨量站、水位站、水文站及工程管理队观测的雨、水、沙、工情和委、省管辖的雨、水、沙情,另外,气象部门的卫星云图雷达信息以及数字预报成果和水文局有关区域的雨量信息也是我们数据收集系统的接受对象。

数据传输

在收集雨水情信息时,我们通过接受气象部门的卫星云图、雷达回波信息以及暴雨数值预报产品和水文局有关预报区域的雨量信息,同时,采用短信平台、超短波、有线公网相结合的方式,收齐区间水雨情站的水情信息。

数据库管理

是数据处理与存储环节,在这一环节中,我们具体的信息处理内容有:翻译雨水情电报报文;识别错误信息并处理;根据洪水预报输入要求,生成相应时段的水文要素过程;根据用户信息查询要求,制成相应的图表;根据人工制定的门槛,遇特殊雨水情发出预警;根据报汛任务要求向有关部门转发信息。在处理信息之后,我们便可以将原始信息和处理后的信息存储到数据库,以便随时调用。

预报模型

经过处理后的信息从数据库中提取出来进入到预报模型计算系统,我们一方面将实时数据进行插补、外延,分割成 0.5或1.0小时为时段的降雨、流量过程,一方面提取历史资料,经过处理后进行典型雨洪分析。在计算系统中,最重要的环节是模型率定参数的确定,一是利用历史资料为建模进行率定,二是利用实时资料对模型参数进行补充、修改。最后我们要按照实际模拟达到合格要求后,才能确定预报模型的参数。

预报发布

根据确定后的预报模型,我们输入实时雨水情信息或气象部门等单位预测的雨量信息,进行产流、汇流计算,根据计算结果及时向社会发布洪水预报,洪水预报还分为预警预报和正式预报两个阶段。

预报评估

在预报发布后,我们还要不停更新数据库实时数据,计算出的预报数据与实时数据比较后,评价此次预报的及时性和准确性,如果出现预测之后的现象,应当加快实时数据更新的速度,如果出现预测失误的现象,就需要及时调整模型参数,以实现快速精确的预报结果。
总而言之,水文是防汛的耳目,水文预报是领导防汛指挥、调度、决策的重要依据,一个洪水预报系统就是一个数学模型,它实现了复杂的信息采集、处理和输出,减轻了洪水预报以前繁重的工作量,更重要的是它提高了洪水预报的时效性和准确度,为各级防汛指挥部门提供决策依据,对降低洪水风险,减少洪灾损失发挥了重要作用。
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