水文预报 (水文情况预测技术)
发布时间:2017-07-19
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来源:百度百科
水文预报(hydrologic forecasting)是指根据前期或现时的水文气象资料,对某一水体、某一地区或某一水文站在未来一定时间内的水文情况作出定性或定量的预测。对防洪、抗旱、水资源合理利用和国防事业中有重要意义。
对未来水文情况作出科学预测并发布预报的技术与作业。水文预报是水文学为经济和社会服务的重要方面,特别是对灾害性水文现象做出预报,对综合利用大型水利枢纽做出短期、中期和长期的预报,作用很大。中国已开展预报服务的项目有:洪水水位与流量、枯水水位与流量、含沙量、各种冰情、水质等。

预报目的

水文预报的目的把水文现象的实况观测及时传送到预报中心,是水文预报的前提。要提高水文预报的精度,必须提高水文情报的数量与质量。要加长预见期,首先要缩短观测、传送与处理资料的时间。常用的观测方法,电报电话、译电与发布办法等。现代的自动化遥测设备、通讯手段,特别是卫星通信以及联机作业程序,可大大提高水文情报与预报的效率。

预报内容

水文预报按水情特点和预报内容分:主要预测河流、湖泊、水库汛期洪水的洪水预报,预报内容有洪水位、洪水流量和洪水过程;主要预测枯季水位、流量和河网蓄水量的枯水预报。主要预测水体冻结和消融过程的冰情预报,预报内容包括封冻日期、冰厚、解冻日期和流冰。
主要预报入海河口段水量剧增、水位猛升情况的台风暴潮预报;预测河流含沙量和水库泥沙冲淤情况的沙量预报。按预见期分:预见期为数小时至数天的短期预报;预见期在2~5天以上,10天以内(或15天以内)的中期预报;一般认为预见期在15天以上,1年之内的为长期水文预报;预见期在一年以上的称超长期水文预报。水文预报一般运用经验和半经验方法、水文模型方法和统计预报方法。

预见时期

短期预报

预报必须在现象发生以前做出,以便采取措施。这种提前量称为预见期。水文预报的预见期决定于水文现象的性质,有一定限制。利用河道上游的实测洪水来预报下游的洪水,预见期不超过河道的汇流时间。利用降雨来预报流域出流量,预见期不可能超过流域的汇流时间。实际上预见期还更短,因为实测值经过观测、传送、处理、分析,需要一定时间。因此,水文预报的预见期往往不长,例如为几小时至一二天,只能作为短期预报,供用户应急之用。如要加长预见期,就要对降雨量等气象因素作出预报。

中期预报

水文与气象预报相结合,可以构成中期的预报,预见期可以达到几天以上。如要求更长的预见期,如几个月以上,则应用物理规律作预报是不够的,还要用统计的方法。统计方法的可靠性一般不如物理方法。预报的精度与预见期之间存在着矛盾。对于特别紧急的水情,如山洪、泥石流、漫决等现象,已无法作出通常的预报,只能采用水文警报,以报警信号通知用户采取紧急措施。

预报方法

河流预报

根据河道上游实测的洪水过程预报下游的洪水过程。常用的方法是洪水演算,有时也可采用更为简易的相应水位法。

流域预报

根据流域上实测的降雨或降雪资料预报流域出口的流量过程。预报的方法,在产流方面常用降雨径流相关图(见图)。在汇流方面常用单位线。现在的发展方向是应用流域水文模型

水质预报

最重要的评价水质的指标是生化需氧量与溶解氧。水流内部的扩散作用使得污染物质不断得到稀释,水面从空气取氧而使水质不断得到净化。这些过程可以根据扩散理论作出预报。

统计预报

根据水文现象的统计规律可作出较长期的预报。最简单的,例如对河流的封冻开始日期,可取过去多年的平均日期作出预报,预见期很长,但精度很差。现在新发展的方法,是时间序列分析法。一个水文现象的时序变化过程,服从一定的统计规律,可以根据随机过程理论作出预报,预见期比较长,但精度也不够高。

实时预报

当预报值的实测值已经测得,该预报值的误差为已知。利用这个新的信息作反馈计算,调整预报方案,可以提高以后预报的精度。这种利用过去预报的误差修正今后预报的方法,也称现时校正,效果显著。校正的方法有两大类:一是预报误差的时间序列分析,二是滤波技术。

主要案例

HBV水文预报模型及与之集成系统介绍
1. 1 背景
70 年 代 ,为了水电厂的洪水预报,瑞典国家水文气象局(SMHI)开发了HBV水文预报模型。当时
开发该模型的目的是通过输人合理的预报参数来进行洪水预报,并对预报结果进行校验。事实证明,
HBV模型在解决水资源问题上具有易用性和灵活性的特点,所以该模型被瑞典及北欧国家广泛使
用。目前,该模型在瑞典已成为一个标准的洪水预报工具,在近40个流域中,大多数无控制站的小河
流都使用该模型进行洪水预报;另外,大约在60个流域范围内,该模型被用于水电厂的洪水预报。世
界上大约有40个国家使用或了解HBV模型。如今 , H BV模型已发展成为一个集成的水文预
报模型系统,它是一个现代化的,经过良好测试的易操作的预报工具。它可以与实时气象信息及预报
系统相集成,可运行在独立的计算机上,也可运行在网络环境下。
1.2 结构
HB V模 型 可以被贴切地描述成一个半分布式的概念模型。多年来,模型的基础结构很少改变,要
求输人的参数也被尽可能地简化(通常只需要输人日平均气温值和降雨量值)。尽管如此,它的模拟性
能还是很好,而且,原来该模型只用于水文预报,现在它的应用范围已扩展到其它领域,如:被测量的
时间序列的插补、无控制站河流的流量模拟、设计洪水计算以及水质研究。1993年,对SMHI模型的结
构作了很大的改动,实现了以下目标:
(1) 进 一 步发展了分布式的径流模型,使其能够增加新的输人参数(如气象雷达和卫星图像数据),
以满足空间解决方案的需要。
(2) 利 用 当前最新的水文和气象知识,使模型的物理结构更加准确和先进。
(3) 除 了 评估降雨和温度两个参数以外,使用其它的输人参数进行校准,以保证模拟和预报的可行
性和准确性。
(4) 在 保 持原有HBV模型灵活、易用的前提下,确保新老版本的相互兼容性。
经过 三 年 的开发研究,SMHI于19%年开始推广使用经过改进的HBV模型(简称HBV一%模
型)。集成 的 水 文模型系统(IHMS系统)是以HBV模型为基础开发出的一套应用系统软件。在该系统中,
只需要输人少量的参数即可进行预报。HBV/IHMS系统在作预报时,可以按照不同气候、土质条件以及
水文气象网络的分布密度等因素,把一个大流域划分成若干个子流域,先对各个子流域进行预报,然后
综合各子流域的预报结果,形成整个大流域的洪水预报。目前,该系统已被应用在瑞典的200多个子流
域的有控制站的洪水预报中,而且,它可与水电站的溢洪道设计研究相结合。
HB V/ IH MS模型结构示意图(降雨/雪在上层、土壤含水量在中层、响应在底层)见图to

模型功能

2.1 数据存贮
为了 缩 短 计算时间,HBV模型所需的输人参数(如降雨、温度、流量等)被存放在基于二进制文件的
内部数据库中,这样很容易实现把数据从确定的文件格式转人已存在的数据库中。
2.2 数据校验
在校 验 模 型之前,可以先用公式(如二次样条公式)把不正确和不同类型的数据(降雨、径流、温度)
水利水文自动化2004.2
2.3 降雪量计算
降雪 量 计 算模块用于计算降雪量。降雪量与温度的修正因子密切相关。计算降雨量和降雪量可使
用不同的修正因子。该模型可以计算冰河和田间积雪区的降雪量。新版 的 H BV模型(HBV一%版)可以很好的预
报世界各地的积雪量和融雪量。目前,瑞典国家气象局又在对HBV一%模型进行修正,修正后的HBV
模型可以处理发生在特殊条件下的温度倒置的情况。
2.4 径流预报
土壤 含 水 量计算模块用于计算不同的降雨、融雪和蒸发等条件下的田间土壤含水量,以及模拟土
壤含水量的变化过程。然后,径流生成模块把土壤中的水(以土壤含水量表示)转化为径流。径流生成模
块由一个上层、非线性、一个下层、线性以及产流五部分组成。算出的径流成果是绘制水文曲线图的原
始数据。
标准 的 H BV模型通过马斯京根法(Muskingum)与其它的汇流公式相结合生成径流预报,同时,径流
预报过程也可得到校验(在非常复杂的水库运行调度情况下,径流预报过程必须校验)。
第2期掀;HBV水文预报模型及与之集成的水文模型系统介绍当一 个 河 流的集水区被划分成几个子流域时,
HBV模型可以先预报每个子流域的径流,然后,再把各个子流域产生的从上游到下游的出流累加起
来,形成全流域的出流。
通过 把 H D水文预报模型(由波兰水文气象局研制开发)与IHMS系统相结合,可以进行河流动力
学的研究(虽然这不属于标准的模块)。目前,该成果已有几个应用实例,例如:该成果已用于波兰境内的
Vistula河的河流动力学研究。
2.5 入流、出流计算
在应 用 H BV模型时,如将大流域划分为若干个子流域,大型水库应位于子流域的出口处。HBV模
型先计算水库的人流(包括降落在库区的雨量以及水库水面自身的蒸发量),然后,根据调度规则或频
率曲线得到水库的出流。调度规则与水库出流、水库水位以及时间序列有关,同时,它也与水库的用水量
有关。

应用领域

3.1 校验
模型 所 用 到的各参数必须先经过率定,率定一般由校准过程来完成。当模拟出的径流曲线和人工
观测出的径流曲线的一致性较好时,说明参数选择合理。一般来说,校验需要10年以上的水文数据,率
定需要5年以上的水文数据,但实际上通常没有这么长的径流记录,所以在径流记录较短的条件下,
模型也应能做预报。校验时,所选用的径流记录必须包含一个完整的水文事件的变化过程(即应包括峰
谷、洪峰),这一点非常重要。
校验 时 , 从气象站测得的温度数据、河流区间的降雨数据,从水电厂、大坝以及观测站得来的流量数
据、水位数据,必须存人模型数据库中。预报 精 度 可以通过以下两种方式来判定:
(1) 统 计 法:通常使用由Nash和Sutcliffe于1970年提出的R2值法(代表模型的可用性);
(2) 模 拟 流量和实测流量的累计误差曲线图:这种方法通常用于检验的初始阶段,如对降雪参数的
评估。
HB V 模 型预报的预见期可以是1 -24h。通常,合理的预见期为3,6和12 h(不能为7h或13
h)。大多数应用程序使用的预见期为1h或24h。使用经验表明,可以使用24h前的历史日平均数据作
为输人参数,然后稍作修整即可用于时段预报和模型的校验。
3.2 模拟
模型 经 过 校验后,可以用于基于水文时间序列的各种模拟应用程序。如果历史水文资料时间序列
太短,则应对历史水文资料进行插补及延伸。对数 据 质 量的评估也是模型应用的另一个方
面。模型的输出结果可用来判断融雪和降雨的合理性、所观测的水位值的正确性、预报的融雪量的正确
性,同时,模型也适于判定径流记录的多相性。
3.3 洪水和入流预报
3.3.1 短期洪水预报
对于 小 流 域和本地人流,根据气象预报的结果和要求,预报的预见期一般设为1h。通常情况下,这
种预见期应用于由梯级水库组成的水电厂的实时洪水预报及优化调度系统中。
3.3.2 人流预报(洪水的中长期预报)
HB V模 型 使用历史统计值来进行季节性水库的多年调度或洪水风险评估(即洪水的中长期预
报)。这种服务不但提高了社会效益,而且可以向社会提供有用的信息,减少洪水造成的危害。
3.4 无控制站流域的洪水预报
使用 概 念 水文模型的传统方法是:首先对模型进行校准,确定经验系数的优化值,然后再进行洪水
预报。实践证明,经过优化的经验系数的变化范围很小。对于缺少历史径流资料,从而无法对模型进行校
验的流域,通常应用具有较长历史资料的水化学资料来推断水文资料,找到优化的经验系数,从而进行
洪水预报。如今,这种方法已广泛应用于瑞典的400个无控制站流域的洪水预报。
3.5 设计洪水计算
HB V/ IH MS系统软件中的“洪水设计”模块应用于具有多个水库的河流系统。它的基础是通过迭
代的方法,对最重要的洪水过程的临界值进行反复迭代,从而优化出所需要的结果。该模块是以1990
年瑞典颁布实施的《大坝溢洪道设计开发规则》为基础开发的。因此,如果其它国家想使用这一功能,则
溢洪道的水文设计规则必须与瑞典相似。当然,也可以通过修改模块本身来适应不同的溢洪道设计规
则,但必须对方方面面进行仔细研究。
3.6 水质监测
HB V模 型 如要用于水质监测(即模拟浅表地下水过程),首先必须对模型进行改动,在这基础上,产
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生了一个新的模型一PULSE模型。PULSE模型的大部分结构与HBV模型非常相似,只是它可以更好
地模拟浅表地下水的过程,从而进行水化学状况的模拟。这一模型主要研究水质酸度的短期变化,模
拟无点源污染的传输,同时,它也被广泛地用来模拟已知模型参数条件下的无观测站流域的径流预报。
3.7 气候变化研究
气候 变 化 与人类活动密切相关已是当今最流行的科学论点。虽然,地域性气候变化存在不确定
性,但早在90年代,水文模型就被用于气候变化对水资源影响的研究中。1998年,北欧的一份研究表
明了气候变化对发电存在影响,这一研究就是以HBV模型及地域性气候变化规律为基础的。

软件系统

SM HI 于 1990年开始开发集成的水文模型系统(简称IHMS)的用户界面部分,当时的系统运行
环境为Windows3 .x。目前,它运行在WindowsN T环境下,程序稍作配置即可运行在Windows的其它
环境下(如:Windows 98,Windows 2000等操作系统)。模拟HBV模型的核心代码用FORTRAN语言
编写,其它用户界面部分用C++语言编写。到目前为止,IHMS系统已广泛应用于瑞典的水库人流预
报和洪水预报,以及大坝的设计洪水计算(最高级别的风险计算)。
HB V/ IH MS系统软件可以运行在与Windows/Intel兼容的PC处理器或工作站上。根据不同的需
要,系统可以运行在单独的计算机上,也可以运行在基于客户/服务器的网络环境下。系统的最低配
置要求为:CPU-}:,Pe ntium3;内存)32M;安装IHMS需要硬盘有)20M的空间,程序可以通过光驱(CD)
或软盘安装;系统加密使用软件狗加密方法。

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