加快水文预报不确定研究 实现水文预报与决策耦合

崔红波

摘 要：洪水灾害是各种自然灾害中危害性较大的一种，世界上很多国家每年都会受到不同程度的洪水灾害的威胁，这给人们的日常生活及社会的正常活动带来了很大的威胁，每次洪水灾害都会使国家承受巨大的经济损失。上个世纪六十年代，先进的计算机技术及方法开始应用于水文预报工作，并在其中起到了巨大的促进作用，在一定程度上提高了水文预测的准确性，延长了预见期，降低了防洪减灾工作的难度。文章旨在针对目前水文预报不确定性进行研究，希望可以提高预报准确性，实现水文预报与决策耦合。

关键词：水文；洪水；灾害；预报

由于洪水灾害是自然灾害，不是人力所能控制的，尤其是突发性的暴雨洪水，确定性的水文预报不能为人们提供准备的精确的情况，预见期也不充足，更是达不到防洪减灾工作对风险信息的要求。水文预报不准确的原因有很多：理论不足，水文模型有缺陷、计算不准确等。洪水灾害的发生是一个动态的过程，气象因素与地理因素都是其发生的诱导因素，水文的预报中融合了水文、气象等多方面的因素，还运用了很多概念意义上水文模型及参数，需要水文专家对输入信息和输入信息等进行分析、判断，这些复杂的因素都使水文预报具有不准确性，并且一直制约着防洪决策工作的正确性。实践证明，水文预报对于防洪减灾的工作决策有重要意义。第一代洪水预测系统出现在上个世纪六十年代，该预报系统成功实现了联机洪水作业预报的功能；在上个世纪八十年代，洪水预测领域提高了一个层次，将自动控制理论实时预报技术引入进来并且进行了融合，实现了洪水预报的自动实时校正。水文预报系统一直在变革、创新，由此可见加强水文预报不确定研究以实现水文预报与决策耦合的重要性。作者将在下文中结合自己几年的工作经验对加强水文预测不确定性研究的现状及发展趋势进行探究，有不足之处，还请指教。

1 对水文预报不确定性的来源及分类进行分析

1.1 水文现象具有模糊性和不确定性

水文现象的形成是一个漫长而复杂的过程，在形成的过程中会受到初始条件、噪声干扰以及其他不可预见的的因素所影响，因此，或多或少都会呈现出一定的模糊性和不确定性，这也是水文预报不确定性的根本原因之一。

1.2 水文模型的结构存在问题

水文模式在水文研究和预报中起到重要的作用，是研究自然规律和解决水文问题的重要工具，一般分为三类：系统模型、概念模型以及物理模型。每种模型的作用都是为了对复杂的水文物理现象进行分析和研究，通过新理论和的新方法指导，最终达到消除水文预报误差的目的。然而，实际情况时无论哪种水文模型在结构上都会有一定的误差，其精度与实际防洪要的差距仍然很大。

1.3 模型参数的优选误差

水文研究中的模型既有一定的物理意义又有其推理化的成分，因此，很多模型都需要由实测资料通过参数优选得到。在挑选的过程中涉及到优选方法的选择、目标函数的确定等，这也就增加了模型参数的优选误差。

1.4 模型不确定性输入的误差

水文预测的精度受到预见期内的降水的影响，并且影响的程度随着预见期的增长而变大。自上个世纪七十年代美国气象局最早提出概率降水至今，很多水文科研工作者对定量降水预报进行了深入的研究，提出了雷达测雨、云降水模型等方法。然而由于中小尺度降水的资料有限，很多研究还停留在提出假设的层面，并没有全面的认识降水形成的物理过程，这就导致定量降水预报的准确性不高，以此为输入的水文预报结果必然也就不准。

2 水文预报不准确性的来源

2.1 水文现象自身具有不确定性

水文现象是一个复杂而漫长的形成过程，在该过程中会受到很多因素的影响，因此，水文现象一直都处于模糊、不确定的状态，按照水文现象的形态可以将其分为随机不确定性和模糊不确定性。

2.2 水文模型具有不确定性

水文模型的结构和参数是相辅相成、缺一不可的，分别对水文模型的结构和参数的误差进行量化是不可能实现的，也是没有意义的，因此，将水文模型结构的误差和参数优选的误差统称为水文模型的不确定性。

2.3 输入信息的不确定性

水文模型的输入分为两种类型：确定性输入和不确定性输入，确定性的输入在水文预报时是时刻被我们所掌握的，不确定输入指的就是指定量降水预报，由此导致的水文预报不确定性称之为定量降水预报不确定性。

3 对水文预报不确定性的进展进行研究

3.1 水文现象不确定性的研究进展

目前对水文现象不确定性的研究方法主要分为随机水文学和模糊水文学两种。对文学现象的不确定性研究主要是为了了解水文现象的变化规律以研制更准确的模型用来研究水文现象的随机性、模糊性以及確定性，进而从根本上解决水文现象确定性、随机性以及模糊性之间的问题。水文现象是一种自然现象，是极为复杂的，要想精确的研究出其规律，对其现象解释是非常难的，因此，随机水文学就是巧妙的将随机数学理论与实际的水文物理现象进行融合，这就是所谓的水文现象的不确定性；目前很多水文水资源系统中的概念还没有确定，对立的概念之间存在一定的过渡阶段，这些问题都体现出了水文现象的模糊性。

3.2 概率水文预报的研究进展

概率水文预报指的是利用一切可以利用的资源对水文预报的不确定性以概率分布的形式定量表达。随着二十一世纪以来计算机技术的迅速发展，水文预报领域也充分对计算机技术和新方法进行应用，使得概率水文预报有很好的发展空间和前景。概率水文预报的形式是水文预报发展的必然结果，该预报形式灵活多样，可以很好的解决水文模型结构及参数优化方面的问题，还可以利用卡尔曼滤波法等对模型输出的结果进行后续处理。

3.3 概率水文预报的潜在优点

随着我国科技水平不断发展，概率水文预报必将成为水文预报的主要形式以及水文决策的重要依据，对我国防洪救灾工作有重要的意义。其潜在优点主要表现在以下几个方面：首先，概率水文预报与确定性的水文预报更加真实、科学、可靠，它将水文现象的不确定性融入其中并且对其进行了描述；其次，概率水文预报可以对洪水观测的调整、洪水预报以及警报的风险标准调整起到一定的作用；再次，概率水文预报可以为有关部门的防洪减灾工作决策提供必要的信息，使决策部门可以将可能存在的风险提前把握；最后就是概率水文决策能够实现水文预报与决策过程的耦合，将最终的决策权交给决策者。

4 结束语

通过上文的论述，我们可以清晰的认识到当前我国的水文预报工作存在的问题以及加快水文预报不确定研究以实现水文预报与决策耦合的重要性。近些年，随着我国经济的不断发展，人们的生活水平也逐渐提高，对防洪决策风险信息的需求也不断增强，这使我国的水文预报工作承受巨大的压力、面临严峻的挑战。针对这一系列的问题，我们广大水文预报研究工作者一定要加强对水文机理的研究，尽可能的减少水文模型及参数的不确定性，此外，还要充分的利用天气预报、雷达等先进技术进行定量降水预报。我们完全有理由相信，天道酬勤，只要我们广大水文预报工作者恪尽职守、无私奉献，对加快水文预报不确定性进行研究，促进水文预报与决策耦合，一定能够在最大程度上促进我国防洪减灾工作的进行。

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