1998年，我國只有3300個(gè)報(bào)汛站，現(xiàn)在發(fā)展到超過12萬個(gè)，現(xiàn)在借助水情信息交換系統(tǒng)，集齊12萬多個(gè)報(bào)汛站的信息只要10—15分鐘；采用氣象水文預(yù)報(bào)耦合、人機(jī)交互技術(shù)等方法，我國精度不斷提高，南方主要江河預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度能達(dá)到90%。
6月以來，我國南方地區(qū)暴雨洪水集中頻繁發(fā)生，部分地區(qū)洪澇災(zāi)害嚴(yán)重。針對一場在途的洪水，盡早預(yù)判其過境的時(shí)間和峰值，對提早部署制定防御方案無疑有著重要意義。
“7月2日和17日，長江先后發(fā)生了今年第1號和第2號洪水，我們提前兩天就做出了洪峰精準(zhǔn)預(yù)報(bào)。7月17日，太湖發(fā)生超標(biāo)洪水，我們提前5天做出了太湖可能發(fā)生超標(biāo)洪水的預(yù)判，提前2天做出了水位精準(zhǔn)預(yù)報(bào)。”水利部水文水資源監(jiān)測預(yù)報(bào)中心副主任劉志雨在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)介紹，今年以來，截至7月22日，全國水文部門共發(fā)布1034條河流1579個(gè)斷面作業(yè)預(yù)報(bào)20.7萬多站次，為主動防御洪水提供有力支撐。
那么，洪水預(yù)報(bào)是怎么實(shí)現(xiàn)的？如何通過相關(guān)模型對降雨到洪水形成的過程進(jìn)行模擬和推演？科技日報(bào)記者就此進(jìn)行了采訪。
模擬洪水形成過程
由暴雨引起的江河水量迅速增加并伴隨水位急劇上升的現(xiàn)象被稱為暴雨洪水。我國河流的主要洪水大都是暴雨洪水，多發(fā)生在夏、秋季節(jié)，南方一些地區(qū)春季也可能發(fā)生。
“科研人員通過建立洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，模擬從降雨到洪水形成的過程，進(jìn)而對洪水的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)?！敝袊娍茖W(xué)研究院減災(zāi)中心教授級高工張大偉說：“天上下多少雨，降雨在地面如何形成徑流，徑流形成后在坡面和溝道如何運(yùn)動等，都是洪水預(yù)報(bào)中需要考慮的因素。”
“降雨落到地面，首先是垂直方向運(yùn)動，扣除蒸發(fā)、填洼等損失，若超過土壤下滲能力，在地面就形成超滲徑流。下滲入土壤的水，在土壤中運(yùn)動，繼續(xù)滲入地下。土壤水蓄滿后，多余部分的水在地面形成蓄滿徑流。所有地面徑流沿著一定坡度和土壤水、地下水匯入河網(wǎng)，這就是流域降雨徑流的大致過程?！眲⒅居暾f。
在流域各處所形成的地面徑流，都依其遠(yuǎn)近先后匯集于河道的觀測斷面處。當(dāng)近處的地面徑流到達(dá)該斷面時(shí)，河水流量開始增加，水位相應(yīng)上漲，這就是洪水起漲之時(shí)。隨著流域遠(yuǎn)處的地表徑流陸續(xù)流入河道，使流量和水位繼續(xù)增長，大部分高強(qiáng)度的地表徑流匯集到河流的觀測斷面時(shí)，洪水流量増至最大值。
據(jù)了解，降雨扣除損失成為凈雨的過程稱為產(chǎn)流過程；凈雨沿坡面匯入河網(wǎng)，然后經(jīng)河網(wǎng)匯集到流域出口斷面，這一過程稱為流域匯流過程。
結(jié)合流域內(nèi)的降雨數(shù)據(jù)，水情預(yù)報(bào)人員可以進(jìn)行流域產(chǎn)匯流情況預(yù)報(bào)。然后結(jié)合產(chǎn)流計(jì)算和匯流計(jì)算，進(jìn)行流域內(nèi)的降雨徑流計(jì)算，一般有兩種常用方法。一種是采用降雨徑流相關(guān)圖計(jì)算凈雨，隨后再采用單位線等匯流方法計(jì)算流域出口斷面的徑流過程。另一種常用的方法是采用一些完整的水文概念性模型來進(jìn)行計(jì)算，例如常用的有新安江模型、陜北模型等，需要輸入的數(shù)據(jù)主要是降雨數(shù)據(jù)和前期的土壤含水量數(shù)據(jù)等。
降雨徑流從支流匯入干流后的情況，需要通過河段洪水預(yù)報(bào)來進(jìn)行推演和預(yù)測。“這一階段常用的方法有相應(yīng)水位(流量)法和馬斯京根法，輸入數(shù)據(jù)為上游斷面的水位(流量)過程數(shù)據(jù)?！睆埓髠ソ榻B。另外，采用水動力模型也可以對洪水演進(jìn)過程進(jìn)行計(jì)算，但水動力模型需要有非常詳細(xì)的河道地形數(shù)據(jù)，對于資料不全的地區(qū)這種方法就不能發(fā)揮作用。
實(shí)時(shí)校正提高預(yù)報(bào)精度
洪水預(yù)報(bào)模型基本都是先確定好相關(guān)參數(shù)，然后結(jié)合觀測到的歷史水文資料，對洪水進(jìn)行預(yù)報(bào)，這樣的預(yù)報(bào)方案在實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)時(shí)，會不可避免地產(chǎn)生一定誤差。
在分析出現(xiàn)誤差的原因時(shí)，張大偉認(rèn)為，流域水文系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的巨系統(tǒng)，而預(yù)報(bào)所用的模型或方法通常都采用了一系列的假設(shè)，對真實(shí)世界情況進(jìn)行了概化處理；雨量站點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)或其他途徑獲取的降雨數(shù)據(jù)并不能完全反映真實(shí)的降雨時(shí)空分布；流域中存在的許多小型水利工程的調(diào)度或下墊面出現(xiàn)大的變化后，可能無法及時(shí)在模型中反映。
“為了進(jìn)一步提高預(yù)報(bào)精度，預(yù)報(bào)人員通常利用雨水情報(bào)汛和水文應(yīng)急監(jiān)測信息，對洪水預(yù)報(bào)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，以盡可能地提高預(yù)報(bào)精度?！眲⒅居昱e例說，目前在華北山前平原區(qū)布設(shè)了170多個(gè)應(yīng)急監(jiān)測點(diǎn)，可根據(jù)上游監(jiān)測信息，滾動修正預(yù)報(bào)，提高下游河道預(yù)報(bào)精度。在漳河、滹沱河的應(yīng)用結(jié)果表明，這種“以測補(bǔ)報(bào)”的技術(shù)手段可將洪水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度平均提高10%左右。
事實(shí)上，提高洪水預(yù)報(bào)精度，延長預(yù)見期，一直是水文預(yù)報(bào)人員追求的方向。近年來，水利部采取了有力措施推動水文測報(bào)科技發(fā)展。劉志雨介紹，1998年，我國只有3300個(gè)報(bào)汛站，現(xiàn)在發(fā)展到超過12萬個(gè)；1998年采用電報(bào)傳送方式，集齊3300個(gè)報(bào)汛站的信息需要兩個(gè)小時(shí)，而現(xiàn)在借助水情信息交換系統(tǒng)，集齊12萬多個(gè)報(bào)汛站的信息只要10—15分鐘；采用氣象水文預(yù)報(bào)耦合、人機(jī)交互技術(shù)等方法，我國洪水預(yù)報(bào)精度不斷提高，南方主要江河預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度能達(dá)到90%。
劉志雨說，目前多源信息融合、數(shù)據(jù)同化、集合預(yù)報(bào)、人工智能、大數(shù)據(jù)、分布式模擬等技術(shù)有了長足的發(fā)展，未來將進(jìn)一步應(yīng)用到洪水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，提升洪水影響預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警能力，為水旱災(zāi)害防御提供強(qiáng)有力的支撐。
