黑龍江省洪水預(yù)報(bào)的進(jìn)展

楊廣云，廖厚初

(黑龍江省水文局，黑龍江 哈爾濱 150001)

黑龍江省的水文觀測(cè)可追溯到清朝光緒二十四年(1898年)，當(dāng)時(shí)沙皇俄國(guó)在黑龍江省境內(nèi)修筑“中東鐵路”，為在松花江上修建鐵路橋的需要，由“中東鐵路工程局”選定哈爾濱松花江今濱州鐵路橋附近設(shè)立水尺，1898年5月25日建立了第一個(gè)水位站，進(jìn)行水文觀測(cè)。從此掀開了黑龍江省水文測(cè)驗(yàn)工作的序幕，至今已有120年的歷史[1]。1933年，偽滿洲國(guó)大規(guī)模的設(shè)站，1945年內(nèi)戰(zhàn)暴發(fā)，站網(wǎng)全面癱瘓，所有測(cè)站全部停測(cè)。東北解放后，水文觀測(cè)開始全面恢復(fù)，1956年進(jìn)行第一次水文站網(wǎng)規(guī)劃，制訂了統(tǒng)一的報(bào)汛辦法，加強(qiáng)了對(duì)洪水的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作，洪水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)技術(shù)得到迅速發(fā)展提高。1957年、1960年、1991年、1998年、2013年松花江大洪水,1958年、1984年、2013年黑龍江大洪水，都由于洪水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確及時(shí)，為正確作出防汛決策提供了科學(xué)依據(jù)。

1 洪水預(yù)報(bào)

新中國(guó)成立以來，黑龍江省洪水預(yù)報(bào)工作從無到有、由點(diǎn)到面迅速發(fā)展起來。20世紀(jì)50—60 年代，學(xué)習(xí)、吸收蘇聯(lián)的洪水預(yù)報(bào)方法，為黑龍江省洪水預(yù)報(bào)工作奠定了基礎(chǔ)。70—80年代，國(guó)內(nèi)開始對(duì)降雨徑流關(guān)系進(jìn)行研究，特別是河海大學(xué)趙人俊教授研究的新安江模型獲得成功，隨后在全國(guó)范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。90年代以后，不少研究者對(duì)黑龍江的洪水預(yù)報(bào)進(jìn)行了研究和分析，如張德偉等[2]建立了黑龍江省主要江河長(zhǎng)期洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)；閻琛榮等[3]對(duì)黑龍江洪水預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了改進(jìn)；郭姚生等[4]對(duì)黑龍江中游的特大洪水預(yù)報(bào)進(jìn)行分析研究；劉清仁等[5]對(duì)1998年嫩江松花江洪水預(yù)報(bào)及成因分析研究。特別是2003年以后，隨著通信、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)在水文預(yù)報(bào)領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用，黑龍江省洪水預(yù)報(bào)在預(yù)報(bào)模型和方法、洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)等方面有了很大的提高,如李亞龍等[6]應(yīng)用灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)黑龍江洪水；肖興濤等[7]應(yīng)用黑龍江省洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)小流域洪水進(jìn)行預(yù)報(bào)。多年來水文工作者在洪水預(yù)報(bào)工作中積累了大量的工作經(jīng)驗(yàn)，建立了各水文站洪水預(yù)報(bào)方案，2003年匯編了松花江流域?qū)嵱煤樗A(yù)報(bào)方案，2009年匯編了黑龍江省實(shí)用洪水預(yù)報(bào)方案，2004年建立了黑龍江省主要江河洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，2005年引進(jìn)中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，2013年開發(fā)了黑龍江省洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。目前，黑龍江省洪水預(yù)報(bào)采取的方法主要包括實(shí)用洪水預(yù)報(bào)方案和洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

1.1 實(shí)用洪水預(yù)報(bào)方案

經(jīng)過幾十年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研究，已形成一套比較完整的、適合黑龍江省的實(shí)用洪水預(yù)報(bào)和計(jì)算方法，主要有經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法、降雨產(chǎn)匯流預(yù)報(bào)。

1.1.1 相應(yīng)水位(流量)相關(guān)法

相應(yīng)水位(流量)相關(guān)法是大江大河中下游河段普遍采用的一種實(shí)用洪水預(yù)報(bào)方法，它根據(jù)天然河道洪水波運(yùn)動(dòng)原理，在分析歷史大量實(shí)測(cè)的河段上下游斷面水位(流量)過程線上,任一時(shí)刻的水位自上站傳播到下站的相應(yīng)水位(流量)之間的定量關(guān)系及其傳播速度的變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)關(guān)系，之后可根據(jù)此相關(guān)關(guān)系進(jìn)行單站洪峰水位(流量)預(yù)報(bào)。在幾輩水文人的努力下，建立了一套比較完整的相關(guān)圖預(yù)報(bào)方案。但隨著河道沖淤的變化、工程建設(shè)的影響，下墊面發(fā)生了很大的變化，原來建立的相關(guān)圖預(yù)報(bào)方案已不適用，因此每隔5 a要重新修訂一次預(yù)報(bào)方案。例如2013年黑龍江中下游發(fā)生特大洪水，利用水位相關(guān)圖預(yù)報(bào)方案，提前二十余天準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)了黑瞎子島將要淹沒。正常情況下相關(guān)圖預(yù)報(bào)是只有在上一站出現(xiàn)洪峰水位(流量)了才能預(yù)報(bào)一下站的洪峰水位(流量)，但是考慮到黑龍江干流河道比較穩(wěn)定，采用越站預(yù)報(bào)，跨越了6個(gè)站，遇見期提前了十幾天，為相關(guān)圖的預(yù)報(bào)創(chuàng)造一個(gè)新的亮點(diǎn)。

1.1.2 降雨產(chǎn)匯流預(yù)報(bào)

產(chǎn)匯流預(yù)報(bào)分為降雨產(chǎn)流預(yù)報(bào)和匯流預(yù)報(bào)兩部分。降雨產(chǎn)流預(yù)報(bào)是以降雨徑流形成理論和坡地產(chǎn)流基本規(guī)律為基礎(chǔ)，由降雨量預(yù)報(bào)流域出口斷面的徑流量[8]。主要的預(yù)報(bào)方法采用降雨徑流相關(guān)圖法。

降雨徑流相關(guān)圖是在成因分析的基礎(chǔ)上，用每次流域平均雨量和相應(yīng)產(chǎn)生的徑流總量，以及影響它們的主要因素所建立起來的一種定量相關(guān)圖。黑龍江省屬于半濕潤(rùn)地區(qū)，一般考慮為蓄滿產(chǎn)流，在建立相關(guān)圖中的影響因素只考慮前期影響雨量Pa，即R=f(P，Pa)相關(guān)圖。該方法適用于一些中小河流，需要對(duì)流域進(jìn)行分塊產(chǎn)流計(jì)算，更好地考慮流域內(nèi)下墊面不同以及局部產(chǎn)流，利于提高產(chǎn)流計(jì)算的精度，對(duì)于大江大河預(yù)報(bào)效果不是很好。

黑龍江省屬于半濕潤(rùn)地區(qū)，地面、壤中和地下徑流都有，在計(jì)算徑流時(shí)多采用謝爾曼單位線。在編制預(yù)報(bào)方案時(shí)，可以根據(jù)不同的暴雨等級(jí)、暴雨中心位置，編制不同的單位線。目前，隨著計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展，可以采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行單位線計(jì)算和方案編制，方便快捷。全省已有50余處水文站建立了單位線預(yù)報(bào)方案。

1.2 洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)

2005年，黑龍江省水文局從水利部水文局引進(jìn)中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，經(jīng)過近些年的不斷應(yīng)用、升級(jí)和完善，在防汛水文預(yù)報(bào)工作中發(fā)揮了重要作用。中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)以實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)庫為依托，以地理信息系統(tǒng)為平臺(tái)，能方便地構(gòu)建五類洪水預(yù)報(bào)方案，具有通用的預(yù)報(bào)模型方法庫，可以任意選擇多模型、多方法制定預(yù)報(bào)方案；具有人工和自動(dòng)優(yōu)選相結(jié)合的模型率定功能，具有定時(shí)預(yù)報(bào)和人機(jī)交互預(yù)報(bào)功能；可干預(yù)任何信息源和預(yù)報(bào)過程，具有先進(jìn)的泰森多邊形動(dòng)態(tài)計(jì)算方法和雨量缺測(cè)計(jì)算方法，具有全面完善的系統(tǒng)管理功能等。該系統(tǒng)具有科學(xué)先進(jìn)、功能齊全、通用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)[9]。

1.2.1 系統(tǒng)主要功能

(1)構(gòu)建預(yù)報(bào)方案。系統(tǒng)可以通過人機(jī)界面簡(jiǎn)單、快速地構(gòu)建常用的預(yù)報(bào)方案，能管理所有預(yù)報(bào)方案[8]，可進(jìn)行多站、多流域、河系連續(xù)預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)方案是預(yù)報(bào)模型和方法同預(yù)報(bào)斷面有關(guān)的河段和流域特性以及洪水特性的具體結(jié)合。目前，可通過人機(jī)界面構(gòu)建的預(yù)報(bào)方案有經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)報(bào)方案、概念模型預(yù)報(bào)方案等。

(2)模型率定。系統(tǒng)通過人機(jī)界面的自動(dòng)優(yōu)選和人工試錯(cuò)兩種方式結(jié)合，完成所編制的預(yù)報(bào)方案中預(yù)報(bào)模型參數(shù)的率定，并同時(shí)可進(jìn)行多模型參數(shù)自動(dòng)優(yōu)選。系統(tǒng)也可對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)報(bào)模型中的單值參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)選，并可依據(jù)對(duì)模型、洪水和流域特性的熟悉程度采用內(nèi)置的人工試錯(cuò)方法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，完成預(yù)報(bào)方案的最終建立。

系統(tǒng)有確定性系數(shù)和水量平衡兩種目標(biāo)函數(shù)可供選擇，不僅可設(shè)定計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的閾值，還可以設(shè)定任何連續(xù)或間斷歷史水文資料系列用于率定，根據(jù)預(yù)報(bào)方案屬性自動(dòng)從專用數(shù)據(jù)庫中獲取并生成用于模型率定的歷史數(shù)據(jù)文件。模型率定完成后，所保存的率定結(jié)果即可用于實(shí)時(shí)作業(yè)預(yù)報(bào)。

(3)實(shí)時(shí)作業(yè)預(yù)報(bào)。該系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)報(bào)方案的屬性自動(dòng)從實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)庫和專用數(shù)據(jù)庫中獲取預(yù)報(bào)根據(jù)站點(diǎn)實(shí)時(shí)信息、數(shù)據(jù)預(yù)處理、預(yù)報(bào)模型參數(shù)狀態(tài)，完成預(yù)報(bào)方案各輸入的模型計(jì)算，最后得到預(yù)報(bào)結(jié)果。并可根據(jù)預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)通過人工干預(yù)預(yù)報(bào)進(jìn)程和修改預(yù)報(bào)方案屬性進(jìn)行綜合分析，提高預(yù)報(bào)精度[10]。

(4)人工交互作業(yè)預(yù)報(bào)。系統(tǒng)的人工交互預(yù)報(bào)采用圖形和表格方式，為預(yù)報(bào)員方便判斷數(shù)據(jù)或模擬成果正確性提供所需要的信息，并方便快速地將判斷付諸行動(dòng)，使預(yù)報(bào)能反映它們對(duì)當(dāng)前和未來水文氣象條件的最佳估計(jì)。該模塊在充分吸收國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)的具體實(shí)際，開發(fā)了降雨量輸入交互、預(yù)見期降雨處理、流量輸入交互、模型參數(shù)交互、模型狀態(tài)交互、成果綜合優(yōu)選交互、水位流量關(guān)系曲線交互等人機(jī)交互界面，在后臺(tái)技術(shù)層上開發(fā)了退水圖形處理技術(shù)和過程線橡皮筋技術(shù)[11]。

1.2.2 實(shí)用模塊、預(yù)報(bào)方法和模型

系統(tǒng)采用完全模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)對(duì)那些可獨(dú)立于預(yù)報(bào)模型、預(yù)報(bào)方案和預(yù)報(bào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊，根據(jù)其數(shù)據(jù)處理功能開發(fā)成標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用模塊，系統(tǒng)與實(shí)用模塊的通信采用參變量和數(shù)據(jù)文件，各類數(shù)據(jù)文件格式均有標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)定[11]。目前，系統(tǒng)開發(fā)完成的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用模塊有：模型參數(shù)文件生產(chǎn)模塊、模型狀態(tài)文件生產(chǎn)模塊、雨量站號(hào)和流量站號(hào)系列獲取模塊、泰森多邊形控制面積計(jì)算模塊、等時(shí)段點(diǎn)雨量系列計(jì)算模塊、權(quán)重法面雨量系列計(jì)算模塊、網(wǎng)格法面雨量系列計(jì)算模塊、等雨量線計(jì)算模塊、假定雨量定量及時(shí)間分配模塊、等時(shí)段水位流量系列計(jì)算模塊、水位流量相互轉(zhuǎn)換模塊、流量合成法模塊、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)入庫模塊、誤差系列校正模塊、預(yù)報(bào)方案輸入和輸出模塊等。

目前，系統(tǒng)已納入的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)報(bào)模型有：三水源蓄滿產(chǎn)流模型(SMS_3)、三水源滯后演算法(LAG_3)、馬斯京根河道連續(xù)演算法(MSK)、降雨徑流相關(guān)圖法(P_RZHJR)、流域經(jīng)驗(yàn)單位線法(UH_B)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(BP)等國(guó)內(nèi)外主要模型[8]。此外，黑龍江省水文局依據(jù)特定斷面洪水屬性和多年經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)并集成了適宜黑龍江省地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)模型。修訂150處水文站、水位站已有的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方案，納入系統(tǒng)當(dāng)中。

經(jīng)過近十多年的發(fā)展與建設(shè)，黑龍江省水文局已形成比較完善的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，可以隨時(shí)根據(jù)已知情況進(jìn)行洪水作業(yè)預(yù)報(bào)，提高了時(shí)效性，預(yù)報(bào)精度達(dá)到85%，滿足洪水預(yù)報(bào)的要求，為防汛抗洪搶險(xiǎn)爭(zhēng)取了寶貴時(shí)間，提供了可靠的技術(shù)支撐。

2 典型洪水預(yù)報(bào)

2.1 2013年黑龍江全流域大洪水

2013年，嫩江、松花江、烏蘇里江、黑龍江發(fā)生了全流域大洪水，特別是黑龍江干流同江至撫遠(yuǎn)段發(fā)生超百年一遇的特大洪水，第一時(shí)間將預(yù)警預(yù)報(bào)信息報(bào)送各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和相關(guān)部門，提示重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)部位的暴雨洪水防范工作。8月10日晚，在防汛工作緊急會(huì)議上，黑龍江省水文局提出了“黑龍江中游將發(fā)生接近或超過1984年的大洪水，同江至撫遠(yuǎn)江段將發(fā)生超百年一遇特大洪水，黑瞎子島將全部淹沒”的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，提前23 d為各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)抗洪搶險(xiǎn)指揮決策提供了重要的參考依據(jù)，最大限度地爭(zhēng)取了主動(dòng)權(quán)。為確保肇源縣和松花江干流的防洪安全，按照黑龍江省委省政府“調(diào)控尼爾基水庫、豐滿水庫泄流，死守肇源堤防，控制哈爾濱、大慶洪水流量”的總體部署和省水利廳的工作安排，黑龍江省水文局根據(jù)尼爾基水庫、豐滿水庫9種不同的泄流條件，利用洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)制定了聯(lián)合調(diào)度方案，供防汛指揮決策部門參考，有效控制下游洪峰流量，減小了松花江干流沿江城市的防洪壓力[12]。在8月14日提前10 d預(yù)報(bào)肇源站洪峰水位為129.00 m，實(shí)際出現(xiàn)洪峰水位128.99 m，僅差1 cm。在8月18日提前9 d預(yù)報(bào)哈爾濱洪峰水位119.50 m，實(shí)際出現(xiàn)洪峰水位119.49 m，僅差1 cm。哈爾濱市防汛抗旱指揮部根據(jù)預(yù)報(bào)洪峰水位，及時(shí)啟動(dòng)了防汛Ⅲ級(jí)應(yīng)急響應(yīng)。正是由于水文部門的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，黑龍江省防汛抗旱指揮中心先后2次對(duì)大頂子山航電樞紐下達(dá)調(diào)度命令，將壩上水位控制到114.50 m，有效減輕了上游哈爾濱等江段防洪壓力。各地安全轉(zhuǎn)移妥善安置34萬多人。

2.2 2017年暴雨洪水

2017年7月19—21日，拉林河支流牤牛河龍鳳山水庫以上普降大到暴雨，局部降大暴雨，面對(duì)突發(fā)生暴雨，黑龍江省防汛抗旱指揮部召集省防汛抗旱保障中心、省水文局等相關(guān)部門研究龍鳳山水庫如何科學(xué)調(diào)度洪水，保證水庫大壩安全。黑龍江省水文局預(yù)報(bào)人員根據(jù)雨情水情仔細(xì)分析水庫庫區(qū)以上降雨時(shí)空分布及未來降雨情況，并臨時(shí)構(gòu)建了洪水預(yù)報(bào)方案預(yù)報(bào)了龍鳳山水庫入庫過程，并提出調(diào)度方案及預(yù)報(bào)龍鳳山水庫出現(xiàn)最高庫水位值，防汛指揮部門根據(jù)會(huì)商結(jié)論進(jìn)行了洪水調(diào)度和指揮決策，龍鳳山水庫實(shí)際出現(xiàn)的來水過程及最高水位與預(yù)報(bào)基本吻合。

同期，牡丹江中上游普降大到暴雨，局部降大暴雨，致使牡丹江蓮花電站來水量增加很快，按當(dāng)時(shí)泄流量來看，蓮花電站庫水位很有可能超過允許最高水位218.00 m。省水文局預(yù)報(bào)人員根據(jù)牡丹江上游及支流的預(yù)報(bào)來水過程，在保證最高水位不超218.00 m的情況下，制作了4種不同調(diào)度方案。省防汛辦和蓮花電站管理部門根據(jù)預(yù)報(bào)調(diào)度意見，并結(jié)合實(shí)際開展了水庫調(diào)度，既保證了水庫本身安全，又保證了水庫下游沿河居民生活和生產(chǎn)安全，實(shí)際發(fā)生的結(jié)果和預(yù)報(bào)的結(jié)果基本吻合。

3 發(fā)展方向

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展、水利改革不斷深入、各種自然災(zāi)害頻發(fā)，以及科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，對(duì)水文預(yù)報(bào)的要求也越來越高。今后要以加強(qiáng)能力建設(shè)為核心，以服務(wù)流域生態(tài)文明建設(shè)為手段，以加快科技創(chuàng)新為保障，以提升信息化水平為支撐[1]，以提升洪水預(yù)報(bào)服務(wù)能力為目標(biāo)，推進(jìn)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)洪水預(yù)報(bào)向人機(jī)交互洪水預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)變，加強(qiáng)中小河流和無資料地區(qū)洪水預(yù)警預(yù)報(bào)方法研究，著力提高洪水預(yù)報(bào)的精度，加強(qiáng)水利工程聯(lián)合調(diào)度技術(shù)研究，加強(qiáng)水文預(yù)報(bào)新方法、新技術(shù)的應(yīng)用研究。