长江上游流域水文预报系统及典型洪水反演分析

曾志强，汤正阳，曹 辉，舒卫民，张海荣

(1.三峡水利枢纽梯级调度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧长江与水电科学湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

三峡水利枢纽梯级调度中心(以下简称“三峡梯调”)的主要核心业务包括：数据收集、气象预测、水文预报、调度方案和实时调度[1-3]。针对长江上游流域的水文预报是三峡梯调各核心业务中的关键流程，在气象预报和水库调度中起到承上启下的作用[4-6]。高精度的水文预报有助于提高水资源利用效率。目前，三峡梯调已围绕长江上游流域水文预报展开一系列研究[7-9]。鉴于长江上游流域复杂的水文情势以及较高的预报精度要求，有必要关注该流域的水文预报研究和应用现状，从而科学指导生产实践。

目前，三峡梯调所采用的水文预报系统已经过多次升级改造，成为集降雨实况预报展示、短中长期径流预报、水情预报会商和预报精度评价等多功能于一体的自动化业务平台，对三峡梯调水文预报业务起辅助决策作用[10-11]。本文介绍了长江上游流域水文预报系统(以下简称“水文预报系统”)，选择2021年汛期的3场典型洪水进行反演分析，结合生产实际对水文预报系统的下一步开发和今后水文预报研究工作提出建议。

1 水文预报系统介绍

(1) 流域概况。水文预报系统模拟了长江源头至湖北宜昌段流域的水循环过程，覆盖流域面积约100万km2，干流河段长4 504 km。按水系情况可以将长江上游流域划分为金沙江、雅砻江、岷沱江、嘉陵江、长江上游干流、横江、赤水河、綦江、乌江等流域，如图1(a)所示。

(2) 流域分区。水文预报系统中包含一二三级流域分区(图1(b)～(d))、流域产汇流分区(图1(e))以及流域子单元分区(图1(f))等5种流域分区方法。一二三级分区分别将流域划分为12，25个和51个区域，产汇流分区和流域子单元分区分别将流域划分为377个和1 437个区域。上述5种分区逐步细化，层层嵌套。一二三级分区是气象预报分区流域产汇流分区是长江上游流域产汇流计算的基本单元，包括小流域及区间流域；流域子单元分区是流域产汇流分区构建的基础，通过合并属于相同流域的子单元可生成产汇流分区。

图1 长江上游流域分区Fig.1 Zoning of the upper reaches of Yangtze River

(3) 预报分区。长江上游流域包括金沙江、岷沱江、嘉陵江、乌江、向寸(向家坝-寸滩)区间以及三峡区间这6个预报区域。目前，三峡梯调已针对这6个区域建立了6套预报方案，并针对整个长江上游流域建立了一套水文预报方案。上述7套水文预报方案包含132个预报点(图2)，其中水库站33个。在后期运行维护中，根据预报业务的需求，可灵活增减预报点。

图2 长江上游流域报汛站点分布Fig.2 Distribution of flood reporting stations in the upper reaches of Yangtze River

(4) 站网建设。目前，水文预报系统中包含自建遥测系统的水雨情数据(638个遥测站)、与各省水文局同步的报汛水雨情数据(372个报汛站)、各水库电站的共享水雨情数据(445个共享站)以及气象部门的雨情数据(4 563个气象站)等多套水雨情数据。根据数据特点，对4套站网进行融合，建立了如图3所示的水文气象一体化站网，站网中包含遥测站556个、气象站207个、报汛站164个。

图3 长江上游流域融合站网分布Fig.3 Distribution of forecast stations in the upper reaches of Yangtze River

(5) 预报模型。图4所示为长江上游流域的流域拓扑重构示意图，由产汇流分区、河段、测站以及水量交汇点组成，采用经典的新安江模型[12]作为降雨径流模型，选用马斯京根[13]和一维水动力模型[14]进行河道径流演进，并利用反馈模拟模型和误差自回归模型实时校正[15]。在主汛期、消落期和蓄水期均采用不同的水文模型参数方案。模型之间采用单向松散耦合方式进行耦合，各区间各个流域根据水系的连接情况依次汇入干流，干流采用了考虑支流入汇的分段马斯京根方法[16](图5)。

图4 流域拓扑结构示意Fig.4 Schematic diagram of drainage basin topology

(6) 气象预报。水文预报系统中引入了梯调中心气象预报部门人工订正后的分区气象预报产品和数值预报产品，用于驱动降雨径流模型。其中，数值预报产品包括三峡梯调中心网格产品、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、三峡梯调中心1个月订正产品和美国国家环境预报中心(NCEP)9个月产品。数值天气预报产品被直接接入到洪水预报方案中，以延长作业预报预见期。此外，数值预报结果可用于降雨量时空分析显示，辅助会商研判。

(7) 数值预报产品接入。梯调预报产品的预见期为7 d，时间步长为3 h；欧洲预报产品的预见期为10 d，其中，前3 d的时间步长为3 h，后7 d的时间步长6 h。与洪水预报方案进行耦合时，都按洪水预报方案的计算步长进行插值，方便数据接入。空间尺度上采用流域子单元接入(图6)、流域产汇流分区接入和流域降雨交互分区接入，即根据气象预报产品的空间步长，动态调整接入方式，完成洪水预报方案和气象预报产品在预报区域上的耦合。

2 典型洪水反演分析

2.1 数 据

2021年汛期，针对长江上游流域共开展了3次防洪调度，分别发生于2021年9月3～6日(1号洪水)、9月13～19日以及10月3～6日。本文选择这3次防洪调度所针对的洪水过程进行预报反演分析，防洪调度过程的降雨发展情势简述如下。

(1) 第一次防洪调度。1号洪水对应的降雨过程如下：2021年9月3日，嘉陵江、渠江中上游、岷沱江中下游、雅砻江中下游出现大到暴雨，局部大暴雨；9月4日，雨带缓慢东移南压，长江上游沿江以北、金沙江中下游沿江以北出现大到暴雨，局部大暴雨；9月5日，随着新一轮冷空气加入，横江、宜宾至重庆、重庆至万州、渠江出现大到暴雨，局部大暴雨；9月6日，雨带进一步东移南压并减弱，三峡区间出现中到大雨，局部暴雨，上游大部分降水停止。此次降雨过程最大日面雨量为23.1 mm，于9月5日出现在寸滩至三峡区间。受降水影响，三峡入库流量从9月3日02∶00的27 500 m3/s涨至9月6日20∶00的55 000 m3/s，后逐步退水至28 000 m3/s。

(2) 第二次防洪调度。2021年9月13～19日所发生的洪水过程对应的降雨过程如下：9月13日，副高增强北抬，同时受高空槽、中低层切变线影响，沱江、涪江出现大到暴雨；9月14日，岷沱江中下游、涪江出现大到暴雨，局部大暴雨；9月15日，岷沱江、嘉陵江中下游流域出现大到暴雨，局部大暴雨到特大暴雨；9月16日，雨带东移南压并减弱，雅砻江中下游、嘉陵江流域、乌江流域、寸滩-三峡区间出现大到暴雨。此次降雨过程最大日面雨量为31.9 mm，于15日出现在沱江流域。9月17～19日上游流域出现一次较强降水过程，9月17日，嘉陵江流域北部、乌江流域出现中到大雨；9月18日，金沙江下游至长江上游干流一线出现中到大雨，其中，三峡区间出现大到暴雨；9月19日，三峡-宜昌区间出现中到大雨。此过程最大日面雨量为30.8 mm，于18日出现在寸滩至三峡区间。受此次降雨影响，三峡入库流量从9月16日20∶00的24 500 m3/s起涨，17日22∶00涨至43 800 m3/s，后流量逐步转退。

(3) 第三次防洪调度。2021年10月3～6日，长江上游北部出现一次强降水过程，具体过程如下：10月3日，沱江出现小雨，嘉陵江出现中到大雨，局部暴雨；10月4日，嘉陵江出现大到暴雨，沱江出现中到大雨；10月5日，嘉陵江出现中雨；10月6日，嘉陵江持续出现中雨，寸滩-三峡区间出现中雨。受长江上游流域北部降雨影响，三峡入库流量从10月5日14∶00的17 000 m3/s起涨，7日14∶00涨至38 000 m3/s，洪峰持续12 h，后流量逐步转退。

2.2 方 法

在水文预报系统中接入典型洪水过程所对应的降雨和水库调度过程，并设置作业预报时间以及水文参数方案。由于上述3次洪水过程均发生在汛期，因此选择主汛期水文参数方案作为交互预报的模型参数。水文预报系统计算完成后，可获取水库实测和模拟的水位、入库流量以及出库流量等数据。本文选择接入实况降雨作为水文模型的输入，降雨和水文预报的时间步长均为1 h。

引入确定系数来评价模拟径流和实测径流之间的误差，确定性系数的表达式为

2.3 结果与讨论

(1) 第一次防洪调度。为了完整展示一场洪水过程，选择水文预报的起止时间分别为2021年9月2日12∶00和9月10日10∶00。在水文预报系统中接入相应时段的降雨数据后，水文预报系统计算结果见图7。从整体上来看，实况降雨驱动下洪水的涨、退水趋势均与实况一致。实况降雨接入下的模拟洪峰为53 900 m3/s，与实测洪峰(60 100 m3/s)的误差约为10.3%，峰现时间误差约为6 h，峰现相对滞后，预报模型有改进的空间。模拟入库径流和实况入库径流(反推入库)过程的确定性系数为0.99，实况入库径流和模拟入库径流的拟合度较高。

图7 三峡水库预报调度综合过程示意(第一次防洪调度)Fig.7 Schematic diagram of the comprehensive process of the forecast dispatch of Three Gorges Reservoir (the first flood control dispatch)

(2) 第二次防洪调度。选择水文预报的起止时间分别为2021年9月13日08∶00和9月19日08∶00。在水文预报系统中接入相应时段的降雨数据后，系统计算结果见图8。从整体上来看，实况降雨驱动下洪水的涨、退水趋势均与实况一致。该场洪水过程包括两个洪峰，第一个洪峰的模拟洪峰值为41 500 m3/s，与实测洪峰(43 800 m3/s)的误差约为5.25%，峰现时间差约为7 h，峰现相对滞后，预报模型有改进的空间。第二个洪峰的模拟洪峰值为46 200 m3/s，与实测洪峰(40 900 m3/s)的误差约为12.96，洪峰误差较大，峰现时间误差约为2 h，峰现时间提前，峰现时间误差小。模拟入库径流和实况入库径流(反推入库)过程的确定性系数为0.95，实况入库径流和模拟入库径流的拟合度较高。

图8 三峡水库预报调度综合过程示意(第二次防洪调度)Fig.8 Schematic diagram of the comprehensive process of the forecast dispatch of Three Gorges Reservoir(the second flood control dispatch)

(3) 第三次防洪调度。选择水文预报的起止时间分别为2021年10月3日08∶00和10月6日08∶00。在水文预报系统中接入相应时段的降雨数据后，水文预报系统计算结果见图9。从整体上来看，实况降雨驱动下洪水的涨、退水趋势均与实况一致。实况降雨接入下的模拟洪峰为 35 800 m3/s，与实测洪峰(38 500 m3/s)的误差约为0.7%，峰现时间差约为1 h，模拟洪峰提前，预报模型精度精准。模拟入库径流和实况入库径流(反推入库)过程的确定性系数为0.98，实况入库径流和模拟入库径流的拟合度较高。

图9 三峡水库预报调度综合过程示意 (第三次防洪调度)Fig.9 Schematic diagram of the comprehensive process of the forecast dispatch of the Three Gorges Reservoir(the third flood control dispatch)

上述3次反演分析中，洪峰误差最大为11.47%，最小为0.7%，峰现时间差最大为7 h，最小为1 h，不确定性系数均在0.9以上。总体而言，在降雨预报精度较高时，水文预报系统所预报的洪峰和峰现时间可辅助调度决策，但仍有改进空间；洪水过程的预报精度则比较高，可以满足生产需求。

3 结论与展望

长江上游流域水文预报系统在三峡梯调水文预报业务中起到关键作用，为水资源高效利用提供了技术支撑。总体而言，该系统基本满足目前的生产应用需求，流域和预报分区划分科学，气象水文站网建设齐全，用于流域水循环模拟的数学模型选用合理，气象预报产品丰富且精度满足生产要求，预报降雨接入方式科学且便捷。本文的典型洪水预报反演分析表明，水文预报系统表现出了较好的性能和稳定性。但是，水文预报系统还存在以下问题。

(1) 目前，水文预报系统中的水文参数方案相对固化，仅对主汛期、消落期和蓄水期这3种不同工况在水文参数上加以区别，没有考虑不同降雨情景下水文参数的差异性。

(2) 水文预报系统中的数学模型比较单一，可多引入一些性能较好的概念性水文模型、分布式水文模型以及水动力模型，丰富水文预报系统的模型库，形成多模型预报方案，为水文预报人员提供更多预报手段。

(3) 基于物理机制的分布式水文模型和水动力模型的引入，势必会降低水文预报系统的计算效率，因此，需引入能提高计算效率的新技术，在提高水文预报精度的同时保证其计算效率。

(4) 目前的水文预报系统中缺乏自主可控的水文参数率定模块，使预报人员无法通过优化水文参数的方式来改善预报精度，同时预报人员的经验尚无法直接反映到水文参数上。

今后建议考虑针对以上几个方面进行优化和改进，提高水文预报系统的适用性、准确性和计算效率。