预报方法研究

一、河道洪水的相应水位(流量)预报法

相应水位(流量)预报法是一种经典而简易的河道洪水预报方法。在50年代初期大江大河的干流河道洪水预报中曾大量采用，该法根据天然河道中洪水传播的特点，分析影响河段上、下游站相应水位(流量)关系的各种因素，编制出不同条件下的相应水位(流量)预报图，以根据上游站出现某水位(流量)时，预报下游站经一个传播时间后，将出现的水位(流量)。影响相应水位的因素有不同洪水的峰型、河槽内底水高低、干支流洪水遭遇或顶托等。引进上述不同影响因素作参数，对相应水位(流量)关系作修正，从而提高了预报精度。

二、流域降雨产流预报方法

新中国成立以来50年的预报实践经验中，研究得比较多且比较实用的当推流域的降雨径流关系，是降雨产流预报的主要手段。

1952年春，河北省首次编制了蓟运河暴雨径流相关图，于当年汛期开展作业预报。同年汛后，省水利厅水文科又对大清河水系拒马河及黑龙港河进行暴雨径流关系分析，1953年开始进行作业预报。50年代初多采用五变数合轴相关来编制暴雨径流图，从蓄满产流的概念出发，认为次暴雨所造成的流域产流量R主要取决于流域次降雨量P的大小和代表雨前下垫面湿润程度的流域影响雨量Pa，这样便可建立流域的P+Pa-R或以Pa为参数的P-Pa-R相关图，供预报产流量应用。在计算前期影响雨量Pa时，对流域土壤含水量的消退系数K值可通过资料分析，分月取不同数值。1964年漳卫南运河管理局组织编制南运河水系预报方案时，则采用以前期影响雨量为参数的降雨径流相关图(P-Pa-R)。其后70年代在磁河建立次降雨—径流关系时，在流域次降雨量计算，考虑了减去雨期蒸发量，提高了相关线精度，取得较好的效果。70年代中期韩家田等人通过对滏阳河产流特性的研究，发现该流域的产流，不能完全用蓄满产流方法来推求，即径流形成过程中又兼有超渗产流的现象。但受资料条件限制，又不能用解决超渗产流的下渗曲线法来推求产流量。最终考虑在蓄满产流理论下建立的降雨径流相关图上，增加一个能反映超渗产流的因子tk，即形成以tk和Pa为参数的P-tk-Pa-R四变数相关图，使预报方案的精度明显提高。tk，被冠名“析渗历时”并有其相应的计算方法。析渗历时tk比净雨历时长，比总降雨历时短，它间接反映了雨强对产流的影响，又考虑了雨强对流域入渗率的影响，计算上比降雨总历时严谨。1977年10月水电部水文水利管理司主编出版的《水文预报技术经验汇编》一书中，“滏阳河产流特性研究”一文入选，后又将有关方法收入长江流域规划办公室主编的《水文预报方法》一书之中。

70年代后期在《磁河降雨径流关系初步分析》对Pa的分层计算方法进行了改进，应用改进后的方法编制的(P-Z雨)-Pa-R相关图合格率由原来的65%提高到86%。

对较大流域的暴雨径流相关图，由于面积大，上、中、下游自然地理条件不尽相同，随暴雨中心位置的变化，产流条件有所不同。为提高相关图的精度，将“产流区”概念引进方案之中，按不同暴雨位置分别给出订正值，使预报精度从67%提高到81%。

用下渗曲线法进行流域产流预报是解决超渗产流预报问题的常用方法。50年代中在《洪水预报方法》一书中，介绍利用次降雨过程与洪水过程相配合，分析流域初渗值和后期平均入渗率的方法，是为了推求净雨过程，进而进行汇流计算，这方法在河北得到成功的应用。1958年华士乾在河北省蹲点，曾利用大清河北支北易水的降雨径流资料，提出用分析法推求流域下渗曲线的实例。70年代初，流域水文模型研究在中国兴起并得到迅速发展。70年代后期在尚义站降雨径流资料分析中，从超渗产流概念出发用流域损失量累积曲线推求尚义流域下渗曲线，对照流域降雨量累积曲线和下渗曲线，便可推求地表产流量，这就是尚义模型。1980年尚义模型被列入南京水文研究所编印的“暴雨洪水计算论文汇编”第一集。

三、汇流计算

50年代初，进行中小河流域洪水预报时，汇流计算常用的是谢尔曼单位线。1952年编制了蓟运河上游的流域单位线，在当年汛期开展作业预报时应用。单位线假定单位净雨(10毫米)在面上分布均匀，流域为线性时不变系统，汇流过程符合倍比叠加原理。但在实际应用中，这些基本假定与客观实际出入较大，用作预报效果不佳。河北省水文总站为了提高预报精度又针对降雨的不同雨强和暴雨中心位置变化对单位线进行分类、分型，建立净雨强度与单位线要素的经验关系，提出综合单位线，取得一定成效。1961年开始引进瞬时单位线，研究流域特征与其参数的关系，并进行地区综合，虽然做了很多工作，但瞬时单位线的适用条件与河北暴雨洪水大不相同，难以取得理想结果。

等流时线是从成因分析出发而产生的一种流域汇流计算方法。该法于50年代开始应用于滦河洪水预报。根据时段净雨量与流域等流时面积分配曲线，先推得“漫流过程线”，再经一次河槽调蓄计算推出断面流量过程。但等流时线(尤其是静等流时线)也有其不足之处，推广使用受到了影响。

河道洪水演算引用早用得多的当推马斯京根法。50年代中期在省内主要干流河道洪水预报中，已普遍使用该方法。应用马斯京根法的关键是确定参数K、X值，经分析，提出在应用该法时按洪水大小分级定参数K、X值以提高计算精度。加里宁的抵偿河长法出现后，也在部分河道上加以引用，并用此法对M法的参数K、X的物理意义进行分析，认识到在不稳定流情况下，K、X值并非常数。为此，欲取得流量演算法的理想结果，必然对汇流计算方法进行非线性改正。近几年，多种连续演算方法的出现与计算机的应用，使河道洪水预报变得更快更准确。

50年代以来，经验槽蓄曲线也曾用于流域的汇流计算。

四、水库水文预报

水库洪水预报包括入库洪水预报与调洪演算两部分，前者用流域降雨径流预报方法，后者又分有闸门与无闸门控制而使用不同方法，进行调洪演算。河流上修建水库后，水库库区的产汇流条件发生了较大变化，为做好水库洪水预报，应对以下几个问题加以妥善处理:(1)凡水库洪水预报，特别注重库水位预报，因此对坝前水位是否代表库面平均水位的问题，应进行观测研究。一般地说，狭谷型水库，坝前水位代表性差，湖泊型水库坝前水位代表性较好。具体应根据库面形状等提出相应的改进方法。(2)中小型水库的洪水预报连同调洪演算，可以采用一些简易图表查算的方法，以便为管理部门掌握使用。(3)一些位于出山口的大型水库，库区、库岸由沉积物组成，因此蓄洪、泄洪时的库岸调节作用明显，对此，在制作预报方案时要加以修正。在编制陡河水库预报方案中，就发现该水库水位达到设计水位时，最大累积库岸调节水量可达0.4亿立方米，约为总库容的20%。累积库岸调节流量与库水位的变化相对应，库水位上升，区间径流呈负补给;库水位下降，区间径流呈正补给。由此绘制了库水位与库岸调节累积流量相关图，推求相应的库水位变化情态下的库岸调节流量，用以修正预报方案。(4)入库洪水单位线变化，应作相应处理。建库后水库入流单位线与建库前有所变化，洪峰增高，峰现时间提前，洪峰历时缩短，峰型陡瘦，究其原因是建库前洪水在河道内传播，洪水波的传播以运动波的形式向前;建库后库区水深增大，库区内洪水波的传播变为重力(压力)波形式前进，速度增快。探求这一变化，经分析建库后入库单位线的纵高、历时、洪峰滞时等都与起涨前库水位有密切关系，故绘出起涨库水位与单位线要素的相关图，供作业预报应用。

自60年代以来，河北省的各大型水库都编制有洪水预报方案及调洪演算的方法、图表，重要的中型水库也有简易预报图表，在历次大洪水中为保工程及下游安全，多次开展预报，取得巨大的社会和经济效益。

1979年滦河潘家口、大黑汀两座大型水库建成开始运行，引滦入津、引滦入唐输水工程相继竣工，滦河流域中下游水文情势发生了变化。水库枢纽上下游的洪水预报方案必须作相应的修改或重新编制。为此，唐山地区在原有潘家口以上河流洪水预报方案的基础上，将建库前23年的60次实测洪水资料进行综合分析，按产流位置和峰型进行分组，分别绘制各产流区的降雨径流相关图，经误差评定，预报方案合格率达到88%。同时增加了有关作业预报的说明。再根据不同产流区给出标准径流过程线，预报洪水过程，供水库调洪演算运用。潘家口、大黑汀水库蓄水后水库下游原预报方案已无法使用。滦县站在取得建库后28次实测洪水资料后，及时分析，重新编制滦河大黑汀净峰流量、青龙河桃林口相应流量、滦县净峰流量相关图，其误差评定合格率为83%，适时地解决了滦县站的洪水预报问题。

五、水文预报模型的研制、应用

用水文模型来预报洪水，是随着电子计算机技术的迅速发展而发展起来的现代化预报手段。水文模型是把水文循环的全过程作为一个完整的系统来研究，当输入流域的次降雨及有关资料，该系统内部即按事先给定的数学物理方程，模拟流域产流汇流的运作，最后输出流域出口断面的洪水过程。这种方法较之过去的经验性预报方法有明显的优越性。在水文自动测报系统中，用水文模型进行联机实时洪水预报，可以有效地提高预报精度与增长预见期。

河北省自70年代末开始学习探索研究水文模型，其主要目的是一方面学习应用国内外一些较为成熟的水文模型，掌握模型编制技术，拓宽研究思路;另一方面力争研制出适合河北省自然地理条件的水文模型，更好地解决河北省的洪水预报问题。首先学习原华东水利学院赵人俊教授提出的《新安江模型》，此模型在南方湿润地区得到了广泛的应用。先后选择大清河系磁河横山岭水库和冀东沿河石河水库等站，仿制出流域产流模型，并获得成功。同时，还在一些中小河流上，学习应用日本的水箱模型，取得对该模型制作技巧与适用条件的一些认识。在此过程中，对全省各河的产流方式进行了研究与初步分类。根据赵人俊教授早期将降雨产流划分为超渗与蓄满两种方式的观点，对照分析河北省各河的产流特点，可以看出:北部坝上地区和永定河上游沉积物覆盖较厚的地区，年降水量在400毫米左右及以下，是以超渗产流为主的地区;太行山和燕山的迎风山区，年降水量为700毫米及以上的地区，是基本符合蓄满产流条件的地区;以上两者之间的年降水量400～700毫米的广大地区，属于超渗与蓄满兼有的地带。其中，在子牙河系的冶河与滏阳河上游，有大范围的岩溶分布，为地表水漏水区;或因有大型岩溶泉出露，造成流域不闭合的地区，皆不能用蓄满产流模型进行洪水预报。

在符合蓄满产流条件的地区，应用新安江产流模型的效果较好，如横山岭水库和石河水库已制成的产流模型那样。但其流域蓄水容量曲线的参数b应调到0.6以上，较我国南方湿润地区的b为0.3～0.4要大得多。这是由于河北省的暴雨强度较大，在一次洪水的总水量中，超渗雨所占的比重较大而造成的。水箱模型应用于部分中小流域，也可取得较好效果，但因参数较多(多个水箱串联、并联的组合也有多种)，随意性较大，实际应用时对预报效果难以把握。

在学习国内外水文模型的基础上，省水文总站适时提出了深入开展研究河北省降雨径流关系的计划，总站、分站水情人员围绕这一计划，做了大量的分析资料与研究产流问题的工作，共撰写了30余篇技术论文，编印成三集《降雨产流预报方法经验汇编》文集，共40余万字。

从70年代末开始的长达十年的时间里，水情人员走上一条探索建立河北雨洪模型的道路，决心在吸收国内外模型长处的基础上，研制出适合河北省特性的洪水预报模型，以满足河北省防汛抗洪的需要。在河北雨洪模型研制过程中，有关的酝酿思路和方法探讨的文章，曾陆续在有关的学术会议与省内的科技刊物上发表、交流。

《尚义产流汇流模型初探》(韩家田，1979年，无锡会议，会后收编入会议论文集)。这篇论文中，首次提出了以下渗曲线配合流域下渗能力分配曲线进行产流计算的方法，再以一种简单非线性汇流曲线进行汇流计算，较好地解决了干旱地区流域降雨不均匀、下渗不均匀情况下的产流汇流计算问题。经在尚义小流域(16.6平方公里)应用，效果较好。

《一种非线性汇流计算方法的尝试》(韩家田，1981年，成都会议)。本论文摆脱通常的汇流计算为线性叠加的束缚，推导出非线性蓄泄方程，再进行一次调蓄实现汇流计算。该方法同样在尚义小流域应用，效果尚佳。

《横山岭模型初探》(丁占民、冯秀英，1988年，西安会议)。论文中首次应用自行编制的“先超(渗)后蓄(满)”产流模型，进行产流计算，再用尚义模型中的一次非线性调蓄法作汇流计算。经在横山岭水库流域(440平方公里)进行连续产流汇流计算，其效果尚好。

《非线性调蓄汇流计算模型》(韩家田，1995年，海口会议，会后收编入会议文集)。这篇论文的特色是，从洪水波运动的理论出发，分别处理洪水波运动中的移动作用和调蓄作用。根据曼宁公式和达西定律，推导流域非线性蓄泄方程，使方程各参数有明确的物理意义，从而解决了流域的地表水、地下水汇流及河道汇流的计算问题，且具有较高的精度。模型介绍后，会议代表认为，这个汇流模型是水力学与水文学方法相结合的汇流计算模型，在模型的描述和非线性求解方面，提出了简便可行的方法。

上述一系列研究成果，为《河北雨洪模型》的形成奠定了基础。

《河北雨洪模型研究》于1994年4月经省水利厅批准正式立题研究，省水文局成立课题组，开展专题研究工作。在该模型研制取得初步成果时，恰逢“96·8”特大洪水发生，应用初步成果在进行大清河北支和黄壁庄水库以下河道的洪水预报中，对模型进行了初步验证，取得较好的效果。又与海委协作，采用由海委冯焱总工提出的汇流计算模型与河北模型结合，进行《海河雨洪模型与大清河洪水调洪》的课题研究，并于1997年基本完成。1997年12月，水利部水利信息中心和水文司联合在武汉市举办“全国水文预报业务竞赛”活动。《河北雨洪模型》被选入参赛使用的模型之一，初次亮相，参加了作业竞赛、技术竞赛和系统演示等各单项竞赛，荣获“优秀奖”。活动结束归来，针对竞赛中发现的问题，对模型进行了修改，使之在理论上和方法上更臻完善。1999年10月，完成该课题研究，编写出《河北雨洪模型研究技术报告》。河北雨洪模型的特点与创新点，主要有以下三个方面的内容。

“先超后蓄”产流模型。以下渗曲线和下渗能力分配曲线计算地表径流量，以时段下渗量借助流域蓄水容量分配曲线计算地下径流量，这就是建立的所谓“双层产流”机制。即以表层土壤湿度制约地表水的产生，以流域蓄水量制约地下径流的产生，并用参数B控制两者之间的比例关系，使两者有机地联系起来。因此，这个模型能够适应河北省产流条件复杂多样的特点，具普遍实用的意义。

非线性调蓄汇流模型。是为汇流计算提供的一条新途径，是经过严格推导求得的流域非线性蓄泄方程，是水力学与水文学方法相结合的汇流计算模型。国外也曾有过类似的方法，但大多用于河道汇流计算，而且蓄泄方程是经验性方程，未作理论推导。

河道沿程损失计算。河北省的行洪河道在山区水库建成蓄水后，经常处于干涸断流状态，加之平原区地下水长期连续超采，地下水位远远低于河底高程，因此，在行洪河道进行汇流计算时，必须解决河道沿程损失的问题。本模型中应用霍尔顿下渗曲线计算河道损失水量，用分段滚动的办法进行下渗、汇流的连续计算，较好地解决了这个问题。

总之，《河北雨洪模型》是针对河北省的自然地理特征和适应防汛抗洪的需要而研制的有较强适用性的洪水预报模型。该模型的使用，可使河北省的洪水预报技术水平提高一大步。结合水情自动测报系统的建设，该模型现已在永定河泛区、大清河北支和南支、滹沱河、滏阳河洪水预报的计算机软件编制中得到广泛的应用。当然，在人为活动如此频繁的河北省，流域的产汇流规律发生变化的可能性依然存在，特别是干旱区在模型应用中出现的问题，仍需要随时加以改进，并使精度不断提高。

《河北雨洪模型研究技术报告》经水利部信息中心，南京水文水资源研究所、河北省防汛指挥部办公室、河海大学、四川联合大学、武汉水利电力大学的知名专家、教授组成的评审组的评审鉴定，认为达到国内领先、国际先进水平，并获2000年度河北省科技进步三等奖。

六、枯季径流和长期预报

在50年代末，河北省曾普遍开展枯季径流预报，张家口地区还开展了冰凌预报。从1967年起开始引入天气气候分析及气象预报资料和需要预报的水文要素建立相关关系，开展中长期水文预报研究工作，并于汛前发布汛期洪水展望。自1982年以后，总结过去发布枯季来水趋势预报的经验，重新修订了枯季径流预报方案。每年10月初发布当年10月至次年5月全省各大型水库和卫河、拒马河、滦河的枯季地表水来水量预报，准确率逐渐提高。各级领导机关及水库管理单位，根据每年枯季地表径流来水量预报，及时作出用水分配方案和工程调度计划，使有限的水资源在工农业生产和城市生活供水方面充分发挥效益。

枯季径流量预报常用的方法有流域前期降水量—枯季径流总量相关法，9月底流量与枯季径流总量相关法和枯季径流分配系数法。用汛期流域前期降水量并考虑预报期内流域降水量预报枯季径流总量的方法，可用于流域面积较大植被较好的河流;对于流域面积较小的河流，则不考虑预报期降水量的影响;即使对于受人类活动(坡面工程措施)影响的流域，此枯季径流预报方法仍然适用。枯季径流总量相关法结合枯季径流分配系数预报枯季各月平均流量，往往取得较好的效果。枯季径流预报的误差，一般可小于±15%。

中长期水文预报是介于水文学、气象学与其他学科之间的一门边缘科学。河北省的中长期水文预报一直处在积极探索阶段，经常研究探索的方法有相关法、历史演变法和方差分析法等。受资料条件、认识水平等主客观条件限制，已制作的方案经试报，精度还不高，尚待继续探讨。

在中华人民共和国成立以来的50年中，河北省的水文预报在防汛抗旱，水利调度和水资源开发利用等方面发挥了巨大作用，水文预报方法研究也取得了丰硕成果，编制了包括河道相应水位(流量)预报，流域降雨产流与汇流计算、河道洪水演算的大量预报图表，进行各种水文预报模型研究，同时，也注意开展枯季径流、中长期预报方法的研究。经过预报人员的艰辛努力，河北省对水文预报方法的研究，在全国同行中作出过公认的贡献。

七、“63·8”暴雨在近期重演后果的研究

进入80年代，河北省持续干旱少雨，水资源紧缺的呼声越来越高。在此情况下，水电部领导提醒:河北省如果遇到像1963年那样的大范围、高强度暴雨，结果会是什么样?由此，引起了省防汛办重视，决定进行“63·8”特大暴雨在现状条件下的重演后果的研究。

该课题于1994年1月由水利厅正式立项，1995年6月提出课题阶段成果报告，邀请有关专家对课题中的模型结构及计算成果进行了审定，同时向省防汛主管部门提供了《“63·8”暴雨重演研究主要成果及1995年防御特大雨洪建议》。后经征求各方面的意见，对模型和部分成果进行了修正，1996年6月提交了课题总报告，获河北省科技进步三等奖。该研究成果具有以下主要特点。

在“63·8”暴雨笼罩的海河南系山区，选择不同流域，进行人类活动前后对产流影响的变化分析，了解了受大规模人类活动后流域平均最大初损量有所增加，造成同量暴雨下，流域产流量有不同程度的减少，这对水库及其下游的防洪调度都会产生相应的影响。

近年来，平原地区由于地下水开采量的增加和长期过量开采，使区域地下水埋深迅速下降。受地下水连年超采与河网化的影响，使平原区的产汇流规律更趋复杂化。这种水文循环既有垂直交换又有水平运动的复杂性和影响因素的多元性，使传统的水文学计算方法已无法全面揭示出各要素之间的影响关系及其作用，因此研制并使用了具有华北地区明显特性的平原产汇流模型，解决了大规模人类活动影响情况下的平原暴雨产汇流计算方法。

研制并使用了考虑河道沿程渗漏损失的具有海河流域特色的河道流量演算模型，解决了在河道沿程渗漏情况下的洪水演算问题。

将系统论的某些方法引入到大流域的防洪调度。通过模型的总体设计，依靠基础模型和子系统模拟模型组成系统;将专家经验支持及防洪决策、方案对比与经济损失评估有机地结合起来，寻求整个防洪系统的优化调度，使洪灾损失降低到最小程度。