反馈模拟实时校正技术在洪水预报中的应用

徐 宁戴军利陈 洁

反馈模拟实时校正技术在洪水预报中的应用

徐 宁1戴军利2陈 洁2

流域水文系统是一个非常复杂的系统，在考虑水文预报模型结构时，通常要给以一系列的假设和结构简化近似，这在模型外延中会带来较大的误差；在模型参数确定中，由于历史水文资料的代表性不够，也会带来误差。实时洪水的预报与估计系统中误差更多，常见的有：（1）设备故障，导致资料缺测或不合理的观测数据；（2）水利工程、农田蓄放水误差；（3）流域水文规律的变化；（4）水文规律简化误差，即模型结构误差。

在洪水预测系统中，常会发现不同时间发生的误差是十分相似的。例如，高强度降雨引起的洪水，常会导致预测的洪峰偏小，长期干旱后的洪水径流量估计常偏大等。虽然这些洪水发生在不同年份，但许多相同类型的洪水会有相似的误差统计特征，称为误差的相似性。这些相似性是客观存在的，是由引起误差的因素相似性所决定的。

反馈模拟实时校正技术可用于实时洪水预报误差修正，针对实际洪水预报有一定影响的误差因素，利用实时系统能获得的观测信息和一切能利用的其他信息对预报误差进行实时校正，以弥补流域水文模型的不足。

一、应用背景

1.实例应用地区概况

漳河水系位于陕西高原和太行山区，地跨晋、冀、豫三省，是相对独立的水系，水文预报误差不易受系统外因素干扰；其地处山区，夏季太平洋副热带高压加强北上，易在太行山区迎风坡形成大暴雨，洪水具有峰高量大、次洪过程迅速的特点，洪水要素明确，且对误差敏感；漳河水系上游建有多座水库，农田蓄放水和沿河取水活动频繁，人类活动已对水系水文规律产生影响；漳河水系洪水预报主要使用降雨径流模型，产流部分应用了蓄满产流模型，产流机理较为简化，近年来洪水预报误差增大，特别是中小等级的洪水尤为明显。基于以上特点，本文选取漳河水系进行反馈模拟实时校正技术应用与研究，具有较强的代表性和推广性。

漳河发源于山西省长治西部和北部山区，主要支流有清漳河与浊漳河两支，见图2。清漳河又分东西两源，均发源于太行山区，二者于下交漳相汇。浊漳河又分北、西、南三源，均发源于太岳山区，三源上分别建有关河、后湾、漳泽3座大型水库，清漳与浊漳在合漳村汇合后称漳河。流域面积19537km2，山区约占95%。

2.水文预报概况

根据漳河水系地理特征和水文特征将其划分为三个预报分区：关河、后湾、漳泽三水库—石梁区间，匡门口以上区间，石梁、匡门口—观台区间（见图3）。

图1 实时校正预报过程图

图2 漳河流域概化图

图3 漳河流域预报分区图

通过长期的应用和对比，漳河水系使用降雨径流模型预报精度优于其他预报模型，故本文选用降雨径流模型进行对比。

二、反馈模拟实时校正技术原理

由于流域降雨在时空分布上的复杂性，根据现有雨量站点观测的雨量很难准确地计算出流域实际降雨，同时还有计算及观测等方面的误差，这就导致洪水作业预报中，用产汇流原理作出的预见期内的预报值与实测值有较大误差。实时校正可以最大限度地利用预见期内所获得的各种信息对后期预报值进行反馈校正，以提高预报精度。

一次降雨过程，通过模型计算可以得出Qfi～t预报流量过程，在河流的控制站将逐渐出现DQobi～t实测流量过程。

设DQobi为实测流量，DQobi＞0，其中，i=1，2，…，n；

设Qfi为预报计算流量，Qfi＞0，其中，i=1，2，…，m；

n为实测流量的个数，m为预报计算流量的总时段数。

实测流量的差值计算中，设DQobi＝0，从i=2实测值起连续计算到n，则差值为：DQobi=Qobi-Qobi-1。

预报计算的流量之间差值计算中，设DQfi＝0，从i=2预报值起连续计算到m，则差值为：DQfi=Qfi-Qfi-1。

相邻两个时段实测流量差值之和与预报计算流量差值之和的比值Fact因子，其表达式：

为了判别涨水与退水，采用前式。Fact因子的数值范围，通常在0.45到2.21之间，当j=6时，Fact0.75j趋近于1.0，其表达式为：

水文预报时实时校正分涨水段和退水段，当DQfi≥0时，则为涨水段；当DQfi＜0时，则为退水段。

涨水段按下列判别式作实时校正：

如i-（n+6）≥0时，i≥7，则Qobi实时校正流量的增量等于Qfi；

如i-（n+6）＜0时，实时校正系数Fac按下式计算：

i为预报点序数。因此，涨水段实时校正计算公式为：

退水段按下式作实时校正：

即前一时刻的实测值与预报值之比乘以本时刻的预报值，即为本时刻的实时校正流量。

当只有第一个流量是实测值时，即n=1，涨水段第二个实时校正计算为：Qob2=Qob1+Qf2-Qf1

依此类推得：

由以上可知，退水段和当n=1时，第1个流量为实测时的涨水段不计算Fact。

三、反馈模拟实时校正技术在漳河流域的应用

近十年来漳河水系下垫面变化较小，处于枯水期。在此期间选择5场次中、小级别洪水，首先使用降雨径流模型进行水文模拟，然后根据洪水过程初期的实测流量过程通过反馈模拟实时校正技术对预报结果进行修正。具体成果见表1降雨径流方案和反馈模拟实时校正计算结果比较。

表1 降雨径流方案和反馈模拟校正计算结果比较（观台站）

四、成果分析

由表1对比分析可得：降雨径流模型在对中、小级别洪水的模拟中误差较大，水利工程和人为因素对洪水预报结果的应尤为明显。通过反馈模拟实时校正技术进行修正后，洪峰流量的预报精度有了较大提高，同时洪量的相对误差也不同程度的减小。

反馈模拟实时校正技术在实时预报模型中能有效提高预报精度，最大限度地利用了预见期内可获得的各种水文实测信息，物理意义明确。但由于其数学理论性不强，所以在使用过程中误差会不断累积。预见期比较短的时候可以取得一定的效果，若预见期比较长，校正后的精度反而会降低，如12072908号洪水，由于洪水过程中后期上游水库持续泄流，导致洪水过程延长。在预报中，及时分析实测流量的合理性和可靠性可提高校正的精度。这也说明预报功能取决于模型本身结构，实时校正法是一种辅助提高预报精度的方法■

（作者单位：1.海委漳卫南运河管理局 253000 2.山东省德州市水利局253000）

（专栏编辑：张 婷）