清河水庫洪水預報修正技術(shù)研究與應用

王金忠

（遼寧省清河水庫管理局，遼寧 鐵嶺 112003）

1 問題的提出

洪水預報精度一直是預報人員和決策部門最關心的問題，近幾年來由于環(huán)境的變化，降雨的非典型導致整體預報精度有偏低的趨勢，而僅僅依賴對洪水預報模型參數(shù)重新率定，較難改變這種現(xiàn)狀，那么如何通過其他技術(shù)手段對預報結(jié)果進行修正和分析，提高洪水的預報精度，是目前迫切需要解決的問題。

以下提出采用4種技術(shù)手段即：通過根據(jù)實際已發(fā)生的洪水時段入庫趨勢，對產(chǎn)流預報結(jié)果修正；根據(jù)實際已發(fā)生的洪水時段入庫趨勢，對雨強單位線、經(jīng)驗單位線修正；建立歷史洪水庫，對產(chǎn)流預報結(jié)果通過尋求歷史相似性洪水，達到修正洪水預報結(jié)果的目的；運用離差最小二乘法的原理，對清河水庫多模型洪水預報結(jié)果進行技術(shù)上的處理。通過以上手段的應用，能更為科學合理達到修正洪水預報，提高洪水預報的精度的目的，具有一定的推廣意義。

2 技術(shù)手段的應用研究

2.1 產(chǎn)流預報修正技術(shù)

通過對流域內(nèi)近10年歷史洪水產(chǎn)流部分特性統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)流預報有偏大的趨勢，對于發(fā)生的洪水，根據(jù)已知時段的入庫洪水起漲趨勢，與預報過程對比分析，若整體線形差別不大，而預報過程正偏離較大，可以通過經(jīng)驗修改整體預報凈雨，再按照比例把凈雨細分到各個時段，從而在一定程度上減少產(chǎn)流預報的誤差。

若對于某場次洪水，發(fā)現(xiàn)幾個時段后預報和實際過程仍舊擬和的很差，通過其他的手段未果，分析是由于雨量站的代表性可能不足，暴雨中心沒有抓住，那么我們可以通過重新分配凈雨，重新進行預報的辦法解決這個問題。

2.2 歷史洪水相似性修正技術(shù)

通過分析不同流域不同洪水的特點以及實時預報產(chǎn)生誤差的影響因素，往往會發(fā)現(xiàn)，許多洪水的預報誤差產(chǎn)生原因是十分相似的。例如，臺風雨或雷暴雨型洪水，常會導致預報的洪峰偏小，長期干旱后的洪水徑流量估計偏大，而連續(xù)大洪水后又會使徑流量估計偏小等。雖然這些洪水發(fā)生在不同年份,但許多相同類型的洪水會有相似的誤差特性,即洪水預報誤差的相似性。這種相似性,是客觀存在的,是由引起誤差的因素相似性所決定的?；谡`差相似性，采用歷史洪水相似性修正技術(shù)，對洪水實時信息進行修正，以保證清河水庫洪水預報的精度。首先建立歷史洪水指標庫，對歷史洪水的各項特性指標，比如前期土壤含水量、降雨強度、降雨歷時、暴雨中心、峰現(xiàn)時間、洪峰流量以及預報誤差等做詳細的統(tǒng)計分析，并歸類入庫，當有降于發(fā)生的時候，根據(jù)此次降雨的特性指標，通過異聯(lián)想技術(shù)尋找歷史相似性洪水以及誤差信息，對該場次洪水進行實時修正，以達到提高預報精度的目的。

2.3 單位線修正技術(shù)

清河水庫匯流部分主要采用雨強單位線，經(jīng)驗單位線，如果降雨上下游時空分布不均勻，雨強較大，那么所使用的匯流單位線就會和預報洪水的相符性差。再者，高強度的庫面降雨直接形成入庫過程，都會影響到匯流預報結(jié)果。盡管水庫已有很多條經(jīng)驗單位線和雨強單位線，但是也不可能滿足匯流預報的要求，從而影響匯流預報的精度。例如2005年8月13日的降水，清河站的強降雨開始時間早于中游各站0.5 h左右，早于上游各站2.5 h的時間，而且降雨量比較大，時段最大凈雨80 mm，這是該流域歷史暴雨中的最大值。短時高強度的庫面降雨直接形成入庫，中游的兩個控制站的洪峰滯后時間長，且兩股匯流過程也有近2 h的誤差，而使用全流域的匯流單位線得到總匯流結(jié)果，會有一定的誤差。

如何利用已有的單位線進行預報成為一個急待解決的問題，嘗試性提出首先根據(jù)已知時段洪水的起漲趨勢，分析雨強單位線的特點，通過選擇類似符合降雨強度和降雨分布的雨強單位線，在不改變單位線整體形狀的前提下，按比例修尖或坦化單位線，也可以對單位線的時段進行提前或滯后，通過這些手段能使洪峰流量、峰現(xiàn)時間的預報結(jié)果更接近真實值，同時再配合使用已有的經(jīng)驗單位線進行對比修正，以解決雨強單位線的坦化性和經(jīng)驗單位線的不足等原因帶來的預報誤差。

2.4 多模型洪水預報結(jié)果修正技術(shù)

具體思路是：將蓄滿產(chǎn)流模型、新安江模型和大伙房模型3種方法所得到的成果加以綜合，將每一種方法所得的結(jié)果乘上一個權(quán)重，得到流域的最后預報結(jié)果，即：

式中：qr（i）——第i個時段的預報結(jié)果；qy（ i，j）——第 j種方案的第i個時段的預報流量；w（j）——第j種方案的權(quán)重。以上的w（j）根據(jù)遞推最小二乘法進行在線估計。上式的矩陣表達式為：

在根據(jù)遞推最小二乘法推導權(quán)重時的目標函數(shù)為：

其中：εi=qci-qri=qci-（qyi1·ω1+qyi2·ω2+qyi3·ω3）

如果前M個時段的實測流量已知，則根據(jù)遞推到第M個時段的權(quán)重來發(fā)布未來的流量過程。假定蓄滿產(chǎn)流模型、新安江模型和大伙房模型3個模型計算得到的流量過程與實測的流量過程存在線性關系，組成如下方程組：

Q=C1Q1+C2Q2+C3Q3

其中：Q為實測流量過程；Q1為蓄滿產(chǎn)流模型計算流量過程；Q2為新安江模型計算流量過程；Q3為大伙房模型計算流量過程；C1，C2，C3分別為各個模型對應的流量的權(quán)重系數(shù)。在此方案中，以1994年8月的一場洪水為例，時段長取3 h。若開始起漲4個時段的實際流量已經(jīng)知道，那么根據(jù)這3種模型的前4個時段的不同預報結(jié)果，按照離線最小二乘估計的原理，計算出每種模型的權(quán)重系數(shù)，根據(jù)此發(fā)布未來的流量預報結(jié)果，當?shù)?個時段的實際流量已知時，再根據(jù)前5個時段的預報結(jié)果，重新率定各種模型的權(quán)重系數(shù)，根據(jù)新的系數(shù)重新發(fā)布未來的流量預報結(jié)果，以此類推。通過這樣的方法，能解決模型個別時段預報結(jié)果精度的偶然性，也能減少模型自身的預報凈雨誤差較大的影響。

3 結(jié)語

通過以上技術(shù)手段的實施，能使清河水庫洪水預報精度進一步提高，洪峰流量和洪水總量以及峰現(xiàn)時間等特性指標都更接近真實值，避免了因自然環(huán)境變化和人為因素影響以及降雨的非典型帶來的預報結(jié)果的誤差偏大現(xiàn)象，在理論上講也是科學的合理的。