黑龙江省洪水预报的进展

杨广云，廖厚初

(黑龙江省水文局，黑龙江 哈尔滨 150001)

黑龙江省的水文观测可追溯到清朝光绪二十四年(1898年)，当时沙皇俄国在黑龙江省境内修筑“中东铁路”，为在松花江上修建铁路桥的需要，由“中东铁路工程局”选定哈尔滨松花江今滨州铁路桥附近设立水尺，1898年5月25日建立了第一个水位站，进行水文观测。从此掀开了黑龙江省水文测验工作的序幕，至今已有120年的历史[1]。1933年，伪满洲国大规模的设站，1945年内战暴发，站网全面瘫痪，所有测站全部停测。东北解放后，水文观测开始全面恢复，1956年进行第一次水文站网规划，制订了统一的报汛办法，加强了对洪水的监测预报工作，洪水预报业务技术得到迅速发展提高。1957年、1960年、1991年、1998年、2013年松花江大洪水,1958年、1984年、2013年黑龙江大洪水，都由于洪水预报准确及时，为正确作出防汛决策提供了科学依据。

1 洪水预报

新中国成立以来，黑龙江省洪水预报工作从无到有、由点到面迅速发展起来。20世纪50—60 年代，学习、吸收苏联的洪水预报方法，为黑龙江省洪水预报工作奠定了基础。70—80年代，国内开始对降雨径流关系进行研究，特别是河海大学赵人俊教授研究的新安江模型获得成功，随后在全国范围内推广应用。90年代以后，不少研究者对黑龙江的洪水预报进行了研究和分析，如张德伟等[2]建立了黑龙江省主要江河长期洪水预报系统；阎琛荣等[3]对黑龙江洪水预报方法进行了改进；郭姚生等[4]对黑龙江中游的特大洪水预报进行分析研究；刘清仁等[5]对1998年嫩江松花江洪水预报及成因分析研究。特别是2003年以后，随着通信、计算机、网络等技术在水文预报领域中的推广应用，黑龙江省洪水预报在预报模型和方法、洪水预报系统建设等方面有了很大的提高,如李亚龙等[6]应用灰色系统预测预报黑龙江洪水；肖兴涛等[7]应用黑龙江省洪水预报系统对小流域洪水进行预报。多年来水文工作者在洪水预报工作中积累了大量的工作经验，建立了各水文站洪水预报方案，2003年汇编了松花江流域实用洪水预报方案，2009年汇编了黑龙江省实用洪水预报方案，2004年建立了黑龙江省主要江河洪水预报系统，2005年引进中国洪水预报系统，2013年开发了黑龙江省洪水预报系统。目前，黑龙江省洪水预报采取的方法主要包括实用洪水预报方案和洪水预报系统。

1.1 实用洪水预报方案

经过几十年的实践经验和研究，已形成一套比较完整的、适合黑龙江省的实用洪水预报和计算方法，主要有经验相关法、降雨产汇流预报。

1.1.1 相应水位(流量)相关法

相应水位(流量)相关法是大江大河中下游河段普遍采用的一种实用洪水预报方法，它根据天然河道洪水波运动原理，在分析历史大量实测的河段上下游断面水位(流量)过程线上,任一时刻的水位自上站传播到下站的相应水位(流量)之间的定量关系及其传播速度的变化规律的基础上，建立的经验相关关系，之后可根据此相关关系进行单站洪峰水位(流量)预报。在几辈水文人的努力下，建立了一套比较完整的相关图预报方案。但随着河道冲淤的变化、工程建设的影响，下垫面发生了很大的变化，原来建立的相关图预报方案已不适用，因此每隔5 a要重新修订一次预报方案。例如2013年黑龙江中下游发生特大洪水，利用水位相关图预报方案，提前二十余天准确的预报了黑瞎子岛将要淹没。正常情况下相关图预报是只有在上一站出现洪峰水位(流量)了才能预报一下站的洪峰水位(流量)，但是考虑到黑龙江干流河道比较稳定，采用越站预报，跨越了6个站，遇见期提前了十几天，为相关图的预报创造一个新的亮点。

1.1.2 降雨产汇流预报

产汇流预报分为降雨产流预报和汇流预报两部分。降雨产流预报是以降雨径流形成理论和坡地产流基本规律为基础，由降雨量预报流域出口断面的径流量[8]。主要的预报方法采用降雨径流相关图法。

降雨径流相关图是在成因分析的基础上，用每次流域平均雨量和相应产生的径流总量，以及影响它们的主要因素所建立起来的一种定量相关图。黑龙江省属于半湿润地区，一般考虑为蓄满产流，在建立相关图中的影响因素只考虑前期影响雨量Pa，即R=f(P，Pa)相关图。该方法适用于一些中小河流，需要对流域进行分块产流计算，更好地考虑流域内下垫面不同以及局部产流，利于提高产流计算的精度，对于大江大河预报效果不是很好。

黑龙江省属于半湿润地区，地面、壤中和地下径流都有，在计算径流时多采用谢尔曼单位线。在编制预报方案时，可以根据不同的暴雨等级、暴雨中心位置，编制不同的单位线。目前，随着计算机科技的发展，可以采用计算机进行单位线计算和方案编制，方便快捷。全省已有50余处水文站建立了单位线预报方案。

1.2 洪水预报系统

2005年，黑龙江省水文局从水利部水文局引进中国洪水预报系统，经过近些年的不断应用、升级和完善，在防汛水文预报工作中发挥了重要作用。中国洪水预报系统以实时水情数据库为依托，以地理信息系统为平台，能方便地构建五类洪水预报方案，具有通用的预报模型方法库，可以任意选择多模型、多方法制定预报方案；具有人工和自动优选相结合的模型率定功能，具有定时预报和人机交互预报功能；可干预任何信息源和预报过程，具有先进的泰森多边形动态计算方法和雨量缺测计算方法，具有全面完善的系统管理功能等。该系统具有科学先进、功能齐全、通用性强、操作简便等特点[9]。

1.2.1 系统主要功能

(1)构建预报方案。系统可以通过人机界面简单、快速地构建常用的预报方案，能管理所有预报方案[8]，可进行多站、多流域、河系连续预报。预报方案是预报模型和方法同预报断面有关的河段和流域特性以及洪水特性的具体结合。目前，可通过人机界面构建的预报方案有经验相关图、经验模型预报方案、概念模型预报方案等。

(2)模型率定。系统通过人机界面的自动优选和人工试错两种方式结合，完成所编制的预报方案中预报模型参数的率定，并同时可进行多模型参数自动优选。系统也可对标准化预报模型中的单值参数进行自动优选，并可依据对模型、洪水和流域特性的熟悉程度采用内置的人工试错方法进行参数优化调整，完成预报方案的最终建立。

系统有确定性系数和水量平衡两种目标函数可供选择，不仅可设定计算目标函数的阈值，还可以设定任何连续或间断历史水文资料系列用于率定，根据预报方案属性自动从专用数据库中获取并生成用于模型率定的历史数据文件。模型率定完成后，所保存的率定结果即可用于实时作业预报。

(3)实时作业预报。该系统可根据预报方案的属性自动从实时水情数据库和专用数据库中获取预报根据站点实时信息、数据预处理、预报模型参数状态，完成预报方案各输入的模型计算，最后得到预报结果。并可根据预报经验通过人工干预预报进程和修改预报方案属性进行综合分析，提高预报精度[10]。

(4)人工交互作业预报。系统的人工交互预报采用图形和表格方式，为预报员方便判断数据或模拟成果正确性提供所需要的信息，并方便快速地将判断付诸行动，使预报能反映它们对当前和未来水文气象条件的最佳估计。该模块在充分吸收国内外现有系统的基础上，结合我国的具体实际，开发了降雨量输入交互、预见期降雨处理、流量输入交互、模型参数交互、模型状态交互、成果综合优选交互、水位流量关系曲线交互等人机交互界面，在后台技术层上开发了退水图形处理技术和过程线橡皮筋技术[11]。

1.2.2 实用模块、预报方法和模型

系统采用完全模块化结构，系统对那些可独立于预报模型、预报方案和预报系统的数据处理模块，根据其数据处理功能开发成标准的实用模块，系统与实用模块的通信采用参变量和数据文件，各类数据文件格式均有标准化的规定[11]。目前，系统开发完成的标准实用模块有：模型参数文件生产模块、模型状态文件生产模块、雨量站号和流量站号系列获取模块、泰森多边形控制面积计算模块、等时段点雨量系列计算模块、权重法面雨量系列计算模块、网格法面雨量系列计算模块、等雨量线计算模块、假定雨量定量及时间分配模块、等时段水位流量系列计算模块、水位流量相互转换模块、流量合成法模块、预报数据入库模块、误差系列校正模块、预报方案输入和输出模块等。

目前，系统已纳入的标准预报模型有：三水源蓄满产流模型(SMS_3)、三水源滞后演算法(LAG_3)、马斯京根河道连续演算法(MSK)、降雨径流相关图法(P_RZHJR)、流域经验单位线法(UH_B)、神经网络模型(BP)等国内外主要模型[8]。此外，黑龙江省水文局依据特定断面洪水属性和多年经验，开发并集成了适宜黑龙江省地区的经验预报模型。修订150处水文站、水位站已有的经验预报方案，纳入系统当中。

经过近十多年的发展与建设，黑龙江省水文局已形成比较完善的洪水预报系统，可以随时根据已知情况进行洪水作业预报，提高了时效性，预报精度达到85%，满足洪水预报的要求，为防汛抗洪抢险争取了宝贵时间，提供了可靠的技术支撑。

2 典型洪水预报

2.1 2013年黑龙江全流域大洪水

2013年，嫩江、松花江、乌苏里江、黑龙江发生了全流域大洪水，特别是黑龙江干流同江至抚远段发生超百年一遇的特大洪水，第一时间将预警预报信息报送各级领导和相关部门，提示重点区域、重点部位的暴雨洪水防范工作。8月10日晚，在防汛工作紧急会议上，黑龙江省水文局提出了“黑龙江中游将发生接近或超过1984年的大洪水，同江至抚远江段将发生超百年一遇特大洪水，黑瞎子岛将全部淹没”的预测预报，提前23 d为各级领导抗洪抢险指挥决策提供了重要的参考依据，最大限度地争取了主动权。为确保肇源县和松花江干流的防洪安全，按照黑龙江省委省政府“调控尼尔基水库、丰满水库泄流，死守肇源堤防，控制哈尔滨、大庆洪水流量”的总体部署和省水利厅的工作安排，黑龙江省水文局根据尼尔基水库、丰满水库9种不同的泄流条件，利用洪水预报系统制定了联合调度方案，供防汛指挥决策部门参考，有效控制下游洪峰流量，减小了松花江干流沿江城市的防洪压力[12]。在8月14日提前10 d预报肇源站洪峰水位为129.00 m，实际出现洪峰水位128.99 m，仅差1 cm。在8月18日提前9 d预报哈尔滨洪峰水位119.50 m，实际出现洪峰水位119.49 m，仅差1 cm。哈尔滨市防汛抗旱指挥部根据预报洪峰水位，及时启动了防汛Ⅲ级应急响应。正是由于水文部门的精准预报，黑龙江省防汛抗旱指挥中心先后2次对大顶子山航电枢纽下达调度命令，将坝上水位控制到114.50 m，有效减轻了上游哈尔滨等江段防洪压力。各地安全转移妥善安置34万多人。

2.2 2017年暴雨洪水

2017年7月19—21日，拉林河支流牤牛河龙凤山水库以上普降大到暴雨，局部降大暴雨，面对突发生暴雨，黑龙江省防汛抗旱指挥部召集省防汛抗旱保障中心、省水文局等相关部门研究龙凤山水库如何科学调度洪水，保证水库大坝安全。黑龙江省水文局预报人员根据雨情水情仔细分析水库库区以上降雨时空分布及未来降雨情况，并临时构建了洪水预报方案预报了龙凤山水库入库过程，并提出调度方案及预报龙凤山水库出现最高库水位值，防汛指挥部门根据会商结论进行了洪水调度和指挥决策，龙凤山水库实际出现的来水过程及最高水位与预报基本吻合。

同期，牡丹江中上游普降大到暴雨，局部降大暴雨，致使牡丹江莲花电站来水量增加很快，按当时泄流量来看，莲花电站库水位很有可能超过允许最高水位218.00 m。省水文局预报人员根据牡丹江上游及支流的预报来水过程，在保证最高水位不超218.00 m的情况下，制作了4种不同调度方案。省防汛办和莲花电站管理部门根据预报调度意见，并结合实际开展了水库调度，既保证了水库本身安全，又保证了水库下游沿河居民生活和生产安全，实际发生的结果和预报的结果基本吻合。

3 发展方向

随着经济社会的高速发展、水利改革不断深入、各种自然灾害频发，以及科学技术进步，对水文预报的要求也越来越高。今后要以加强能力建设为核心，以服务流域生态文明建设为手段，以加快科技创新为保障，以提升信息化水平为支撑[1]，以提升洪水预报服务能力为目标，推进传统经验洪水预报向人机交互洪水预报转变，加强中小河流和无资料地区洪水预警预报方法研究，着力提高洪水预报的精度，加强水利工程联合调度技术研究，加强水文预报新方法、新技术的应用研究。