水文預報[水文情況預測技術]

水文預報（hydrologic forecasting）是指根據前期或現時的水文氣象資料，對某一水體、某一地區或某一水文站在未來一定時間內的水文情況作出定性或定量的預測。對防洪、抗旱、水資源合理利用和國防事業中有重要意義。 對未來水文情況作出科學預測並發布預報的技術與作業。水文預報是水文學為經濟和社會服務的重要方面，特別是對災害性水文現象做出預報，對綜合利用大型水利樞紐做出短期、中期和長期的預報，作用很大。中國已開展預報服務的項目有：洪水水位與流量、枯水水位與流量、含沙量、各種冰情、水質等。

預報目的

水文預報的目的把水文現象的實況觀測及時傳送到預報中心，是水文預報的前提。要提高水文預報的精度，必須提高水文情報的數量與質量。要加長預見期，首先要縮短觀測、傳送與處理資料的時間。常用的觀測方法，電報電話、譯電與發布辦法等。現代的自動化遙測設備、通訊手段，特別是衛星通信以及在線上作業程式，可大大提高水文情報與預報的效率。

預報內容

水文預報按水情特點和預報內容分：主要預測河流、湖泊、水庫汛期洪水的洪水預報，預報內容有洪水位、洪水流量和洪水過程；主要預測枯季水位、流量和河網蓄水量的枯水預報。主要預測水體凍結和消融過程的冰情預報，預報內容包括封凍日期、冰厚、解凍日期和流冰。

主要預報入海河口段水量劇增、水位猛升情況的颱風暴潮預報；預測河流含沙量和水庫泥沙沖淤情況的沙量預報。按預見期分：預見期為數小時至數天的短期預報；預見期在2～5天以上，10天以內（或15天以內）的中期預報；一般認為預見期在15天以上，1年之內的為長期水文預報；預見期在一年以上的稱超長期水文預報。水文預報一般運用經驗和半經驗方法、水文模型方法和統計預報方法。

預見時期

短期預報

預報必須在現象發生以前做出，以便採取措施。這種提前量稱為預見期。水文預報的預見期決定於水文現象的性質，有一定限制。利用河道上游的實測洪水來預報下游的洪水，預見期不超過河道的匯流時間。利用降雨來預報流域出流量，預見期不可能超過流域的匯流時間。實際上預見期還更短，因為實測值經過觀測、傳送、處理、分析，需要一定時間。因此，水文預報的預見期往往不長，例如為幾小時至一二天，只能作為短期預報，供用戶應急之用。如要加長預見期，就要對降雨量等氣象因素作出預報。

中期預報

水文與氣象預報相結合，可以構成中期的預報，預見期可以達到幾天以上。如要求更長的預見期，如幾個月以上，則套用物理規律作預報是不夠的，還要用統計的方法。統計方法的可靠性一般不如物理方法。預報的精度與預見期之間存在著矛盾。對於特別緊急的水情，如山洪、土石流、漫決等現象，已無法作出通常的預報，只能採用水文警報，以報警信號通知用戶採取緊急措施。

預報方法

河流預報

根據河道上游實測的洪水過程預報下游的洪水過程。常用的方法是洪水演算，有時也可採用更為簡易的相應水位法。

流域預報

水文預報

根據流域上實測的降雨或降雪資料預報流域出口的流量過程。預報的方法，在產流方面常用降雨徑流相關圖（見圖）。在匯流方面常用單位線。現在的發展方向是套用流域水文模型。

水質預報

最重要的評價水質的指標是生化需氧量與溶解氧。水流內部的擴散作用使得污染物質不斷得到稀釋，水面從空氣取氧而使水質不斷得到淨化。這些過程可以根據擴散理論作出預報。

統計預報

根據水文現象的統計規律可作出較長期的預報。最簡單的，例如對河流的封凍開始日期，可取過去多年的平均日期作出預報，預見期很長，但精度很差。現在新發展的方法，是時間序列分析法。一個水文現象的時序變化過程，服從一定的統計規律，可以根據隨機過程理論作出預報，預見期比較長，但精度也不夠高。

實時預報

當預報值的實測值已經測得，該預報值的誤差為已知。利用這個新的信息作反饋計算，調整預報方案，可以提高以後預報的精度。這種利用過去預報的誤差修正今後預報的方法，也稱現時校正，效果顯著。校正的方法有兩大類：一是預報誤差的時間序列分析，二是濾波技術。

主要案例

HBV水文預報模型及與之集成系統介紹

1. 1 背景

70 年 代 ，為了水電廠的洪水預報，瑞典國家水文氣象局（SMHI)開發了HBV水文預報模型。當時

開發該模型的目的是通過輸人合理的預報參數來進行洪水預報，並對預報結果進行校驗。事實證明，

HBV模型在解決水資源問題上具有易用性和靈活性的特點，所以該模型被瑞典及北歐國家廣泛使

用。目前，該模型在瑞典已成為一個標準的洪水預報工具，在近40個流域中，大多數無控制站的小河

流都使用該模型進行洪水預報；另外，大約在60個流域範圍內，該模型被用於水電廠的洪水預報。世

界上大約有40個國家使用或了解HBV模型。如今 ， H BV模型已發展成為一個集成的水文預

報模型系統，它是一個現代化的，經過良好測試的易操作的預報工具。它可以與實時氣象信息及預報

系統相集成，可運行在獨立的計算機上，也可運行在網路環境下。

1.2 結構

HB V模 型 可以被貼切地描述成一個半分散式的概念模型。多年來，模型的基礎結構很少改變，要

求輸人的參數也被儘可能地簡化（通常只需要輸人日平均氣溫值和降雨量值)。儘管如此，它的模擬性

能還是很好，而且，原來該模型只用於水文預報，現在它的套用範圍已擴展到其它領域，如:被測量的

時間序列的插補、無控制站河流的流量模擬、設計洪水計算以及水質研究。1993年，對SMHI模型的結

構作了很大的改動，實現了以下目標:

（1） 進 一 步發展了分散式的徑流模型，使其能夠增加新的輸人參數（如氣象雷達和衛星圖像數據)，

以滿足空間解決方案的需要。

（2） 利 用 當前最新的水文和氣象知識，使模型的物理結構更加準確和先進。

（3） 除 了 評估降雨和溫度兩個參數以外，使用其它的輸人參數進行校準，以保證模擬和預報的可行

性和準確性。

（4） 在 保 持原有HBV模型靈活、易用的前提下，確保新老版本的相互兼容性。

經過 三 年 的開發研究，SMHI於19%年開始推廣使用經過改進的HBV模型（簡稱HBV一%模

型)。集成 的 水 文模型系統（IHMS系統)是以HBV模型為基礎開發出的一套套用系統軟體。在該系統中，

只需要輸人少量的參數即可進行預報。HBV/IHMS系統在作預報時，可以按照不同氣候、土質條件以及

水文氣象網路的分布密度等因素，把一個大流域劃分成若干個子流域，先對各個子流域進行預報，然後

綜合各子流域的預報結果，形成整個大流域的洪水預報。目前，該系統已被套用在瑞典的200多個子流

域的有控制站的洪水預報中，而且，它可與水電站的溢洪道設計研究相結合。

HB V/ IH MS模型結構示意圖（降雨/雪在上層、土壤含水量在中層、回響在底層)見圖to

模型功能

2.1 數據存貯

為了 縮 短 計算時間，HBV模型所需的輸人參數（如降雨、溫度、流量等)被存放在基於二進制檔案的

內部資料庫中，這樣很容易實現把數據從確定的檔案格式轉人已存在的資料庫中。

2.2 數據校驗

在校 驗 模 型之前，可以先用公式（如二次樣條公式)把不正確和不同類型的數據（降雨、徑流、溫度)

水利水文自動化2004.2

2.3 降雪量計算

降雪 量 計 算模組用於計算降雪量。降雪量與溫度的修正因子密切相關。計算降雨量和降雪量可使

用不同的修正因子。該模型可以計算冰河和田間積雪區的降雪量。新版 的 H BV模型（HBV一%版)可以很好的預

報世界各地的積雪量和融雪量。目前，瑞典國家氣象局又在對HBV一%模型進行修正，修正後的HBV

模型可以處理髮生在特殊條件下的溫度倒置的情況。

2.4 徑流預報

土壤 含 水 量計算模組用於計算不同的降雨、融雪和蒸發等條件下的田間土壤含水量，以及模擬土

壤含水量的變化過程。然後，徑流生成模組把土壤中的水（以土壤含水量表示)轉化為徑流。徑流生成模

塊由一個上層、非線性、一個下層、線性以及產流五部分組成。算出的徑流成果是繪製水文曲線圖的原

始數據。

標準 的 H BV模型通過馬斯京根法（Muskingum)與其它的匯流公式相結合生成徑流預報，同時，徑流

預報過程也可得到校驗（在非常複雜的水庫運行調度情況下，徑流預報過程必須校驗)。

第2期掀；HBV水文預報模型及與之集成的水文模型系統介紹當一 個 河 流的集水區被劃分成幾個子流域時，

HBV模型可以先預報每個子流域的徑流，然後，再把各個子流域產生的從上游到下游的出流累加起

來，形成全流域的出流。

通過 把 H D水文預報模型（由波蘭水文氣象局研製開發)與IHMS系統相結合，可以進行河流動力

學的研究（雖然這不屬於標準的模組)。目前，該成果已有幾個套用實例，例如:該成果已用於波蘭境內的

Vistula河的河流動力學研究。

2.5 入流、出流計算

在應 用 H BV模型時，如將大流域劃分為若干個子流域，大型水庫應位於子流域的出口處。HBV模

型先計算水庫的人流（包括降落在庫區的雨量以及水庫水面自身的蒸發量)，然後，根據調度規則或頻

率曲線得到水庫的出流。調度規則與水庫出流、水庫水位以及時間序列有關，同時，它也與水庫的用水量

有關。

套用領域

3.1 校驗

模型 所 用 到的各參數必須先經過率定，率定一般由校準過程來完成。當模擬出的徑流曲線和人工

觀測出的徑流曲線的一致性較好時，說明參數選擇合理。一般來說，校驗需要10年以上的水文數據，率

定需要5年以上的水文數據，但實際上通常沒有這么長的徑流記錄，所以在徑流記錄較短的條件下，

模型也應能做預報。校驗時，所選用的徑流記錄必須包含一個完整的水文事件的變化過程（即應包括峰

谷、洪峰)，這一點非常重要。

校驗 時 ， 從氣象站測得的溫度數據、河流區間的降雨數據，從水電廠、大壩以及觀測站得來的流量數

據、水位數據，必須存人模型資料庫中。預報 精 度 可以通過以下兩種方式來判定:

（1） 統 計 法:通常使用由Nash和Sutcliffe於1970年提出的R2值法（代表模型的可用性);

（2） 模 擬 流量和實測流量的累計誤差曲線圖:這種方法通常用於檢驗的初始階段，如對降雪參數的

評估。

HB V 模 型預報的預見期可以是1 -24h。通常，合理的預見期為3,6和12 h（不能為7h或13

h)。大多數應用程式使用的預見期為1h或24h。使用經驗表明，可以使用24h前的歷史日平均數據作

為輸人參數，然後稍作修整即可用於時段預報和模型的校驗。

3.2 模擬

模型 經 過 校驗後，可以用於基於水文時間序列的各種模擬應用程式。如果歷史水文資料時間序列

太短，則應對歷史水文資料進行插補及延伸。對數 據 質 量的評估也是模型套用的另一個方

面。模型的輸出結果可用來判斷融雪和降雨的合理性、所觀測的水位值的正確性、預報的融雪量的正確

性，同時，模型也適於判定徑流記錄的多相性。

3.3 洪水和入流預報

3.3.1 短期洪水預報

對於 小 流 域和本地人流，根據氣象預報的結果和要求，預報的預見期一般設為1h。通常情況下，這

種預見期套用於由梯級水庫組成的水電廠的實時洪水預報及最佳化調度系統中。

3.3.2 人流預報（洪水的中長期預報)

HB V模 型 使用歷史統計值來進行季節性水庫的多年調度或洪水風險評估（即洪水的中長期預

報)。這種服務不但提高了社會效益，而且可以向社會提供有用的信息，減少洪水造成的危害。

3.4 無控制站流域的洪水預報

使用 概 念 水文模型的傳統方法是:首先對模型進行校準，確定經驗係數的最佳化值，然後再進行洪水

預報。實踐證明，經過最佳化的經驗係數的變化範圍很小。對於缺少歷史徑流資料，從而無法對模型進行校

驗的流域，通常套用具有較長歷史資料的水化學資料來推斷水文資料，找到最佳化的經驗係數，從而進行

洪水預報。如今，這種方法已廣泛套用於瑞典的400個無控制站流域的洪水預報。

3.5 設計洪水計算

HB V/ IH MS系統軟體中的“洪水設計”模組套用於具有多個水庫的河流系統。它的基礎是通過迭

代的方法，對最重要的洪水過程的臨界值進行反覆疊代，從而最佳化出所需要的結果。該模組是以1990

年瑞典頒布實施的《大壩溢洪道設計開發規則》為基礎開發的。因此，如果其它國家想使用這一功能，則

溢洪道的水文設計規則必須與瑞典相似。當然，也可以通過修改模組本身來適應不同的溢洪道設計規

則，但必須對方方面面進行仔細研究。

3.6 水質監測

HB V模 型 如要用於水質監測（即模擬淺表地下水過程)，首先必須對模型進行改動，在這基礎上，產

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生了一個新的模型一PULSE模型。PULSE模型的大部分結構與HBV模型非常相似，只是它可以更好

地模擬淺表地下水的過程，從而進行水化學狀況的模擬。這一模型主要研究水質酸度的短期變化，模

擬無點源污染的傳輸，同時，它也被廣泛地用來模擬已知模型參數條件下的無觀測站流域的徑流預報。

3.7 氣候變化研究

氣候 變 化 與人類活動密切相關已是當今最流行的科學論點。雖然，地域性氣候變化存在不確定

性，但早在90年代，水文模型就被用於氣候變化對水資源影響的研究中。1998年，北歐的一份研究表

明了氣候變化對發電存在影響，這一研究就是以HBV模型及地域性氣候變化規律為基礎的。

軟體系統

SM HI 於 1990年開始開發集成的水文模型系統（簡稱IHMS)的用戶界面部分，當時的系統運行

環境為Windows3 .x。目前，它運行在WindowsN T環境下，程式稍作配置即可運行在Windows的其它

環境下（如:Windows 98,Windows 2000等作業系統)。模擬HBV模型的核心代碼用FORTRAN語言

編寫，其它用戶界面部分用C++語言編寫。到目前為止，IHMS系統已廣泛套用於瑞典的水庫人流預

報和洪水預報，以及大壩的設計洪水計算（最高級別的風險計算)。

HB V/ IH MS系統軟體可以運行在與Windows/Intel兼容的PC處理器或工作站上。根據不同的需

要，系統可以運行在單獨的計算機上，也可以運行在基於客戶/伺服器的網路環境下。系統的最低配

置要求為:CPU-}:,Pe ntium3；記憶體)32M；安裝IHMS需要硬碟有)20M的空間，程式可以通過光碟機(CD)

或軟碟安裝；系統加密使用軟體狗加密方法。