黄河水量调度径流预报方法研究

王春青，陈冬伶

（黄河水利委员会水文局，河南郑州450004）

1 引 言

黄河是我国西北和华北地区的重要水源［1］。为加强黄河水资源统一管理,有效缓解水资源供需矛盾,1998年国务院批准了“黄河可供水量年度分配及干流水量调度方案”和“黄河水量调度管理办法”,授权黄河水利委员会（以下简称黄委)负责黄河水量统一调度［2］。1999年3月黄委正式实施黄河水量统一调度,水量统一调度的河段是刘家峡水库以下至河口干流河段,时段为当年11月至翌年6月。2006年8月1日《黄河水量调度条例》颁布实施,黄河水量调度范围从干流延伸到渭河、沁河等重要支流,调度时段由非汛期11月至翌年6月扩展到全年。

径流预报是水量调度的重要依据。黄河水量统一调度以前,黄河流域径流预报主要为防汛服务；水量统一调度以后,原有的面向黄河防汛的径流预报系统已不能满足黄河水资源统一调度的需要［1］。为此,1999—2001年依托治黄专项“黄河上中游径流中长期预报系统（第一期)”,黄委水文局开发了黄河主要来水站（区)非汛期径流预报方案,初步建立了黄河主要来水站（区)非汛期径流预报系统,该系统可为黄河水量统一调度提供较为准确、及时的径流预报,为确保1999年以来黄河下游连续不断流做出了突出贡献。2008—2013年依托“黄河水量调度管理系统（二)期”项目,黄委水文局利用近十几年资料对原有的黄河主要来水站（区)非汛期径流预报模型参数重新进行率定,修订和完善了原有的径流预报方案,开发了黄河主要来水站（区)汛期径流预报方案及重要支流渭河、沁河非汛期径流预报方案,并建立了黄河中长期径流预报系统［3］,为更加科学合理地实施黄河水资源统一调度提供了重要技术支撑。

2 黄河径流预报的主要内容

围绕黄河水量统一调度需求,黄河流域中长期径流预报主要包括汛期径流预报和非汛期径流预报,非汛期径流预报又分为干流径流预报和支流径流预报。

非汛期径流预报的主要内容包括：每年10月中下旬做出黄河上中游主要来水站（区)非汛期径流总量、逐月平均流量预报,黄河重要支流非汛期径流总量、逐月平均流量预报,同时提供花园口、华县和武陟站当年7月—翌年6月天然径流总量预报,作为黄委编制“黄河可供耗水量年度分配及非汛期水量调度计划”的依据；在实时调度期间,及时做出下月和旬径流预报,为编制月和旬水量调度方案提供依据。

汛期径流预报主要是每月25日做出黄河上中游主要来水站（区)下月平均流量预报。

黄河上中游主要来水站（区)预报站点包括：唐乃亥、龙刘区间（红旗+折桥)、刘兰区间（民和+享堂)、河龙区间、华县、河津+头、黑石关、武陟。支流径流预报主要包括渭河和沁河两条支流,预报站点包括渭河的北道、杨家坪、雨落坪和华县站,沁河的润城、五龙口和武陟站。

3 径流预报方法

3.1 径流影响因素

3.1.1 降水

降水是河道径流的直接来源。黄河流域降水量年内分配不均,汛期降水量占年降水量的60%～70%,非汛期降水较少,尤其11月—翌年3月降水量不足全年的10%。从唐乃亥以上区域汛期降水量与唐乃亥站汛期径流量变化（见图1)可以看出,径流量与降水量的变化基本同步,唐乃亥站汛期降雨径流相关系数达0.72。

图1 唐乃亥以上区域汛期降水量与唐乃亥站汛期径流量变化

4—6月,黄河流域降水量逐渐增大,其中兰州以上降水量占年降水量的32%。4—6月降水量为影响径流量的不可忽略的因素之一。

3.1.2 前期径流

11月—翌年3月,黄河流域降水稀少,河川径流主要由流域蓄水补给,前期径流能较好地反映地下蓄水量的多少。11月—翌年3月黄河主要来水站（区)各站平均流量与前月下旬流量相关系数平均为0.68,最高为0.93,而4—6月前后期径流的相关系数明显偏低,为0.34～0.67。说明前期径流是11月—翌年3月径流的主要影响因素,4—6月径流除了受前期径流影响外,还受降水影响。

3.1.3 灌区耗水

随着沿黄农业生产的不断发展,黄河流域灌溉面积和引耗水量呈逐年增大的趋势,农业灌溉耗水量占流域耗水量的90%以上,灌区引水量已成为影响非汛期径流的主要因素之一［2,4］。

3.1.4 水库调度

随着黄河流域的治理与开发,黄河上中游地区修建了不少大中型水利枢纽工程。水库的运用改变了黄河径流的天然属性,对黄河上中游地区非汛期径流影响比较明显,特别是黄河上游龙羊峡、刘家峡水库建成运用对兰州站的径流影响非常显著。此外,大夏河、洮河、湟水等支流各类大中型水库的运用同样对非汛期径流有不同程度的影响［2,4］。

3.1.5 气温

黄河上游唐乃亥以上区域气温对径流的影响比较明显。如2019年4月上旬黄河源区旬平均气温较常年偏高0.9～2.5℃；进入4月中旬,气温回升更加迅速,旬平均气温较常年同期偏高4.0～5.0℃,其中达日气象站4月中旬平均气温为3.4℃,为有资料以来同期最高。受前期降水偏多及气温迅速回升影响,4月中旬以来,黄河源区冰雪消融较快,河道流量迅速增大,唐乃亥水文断面4月中旬平均流量达500 m3/s,较常年同期偏多。

此外,黄河宁蒙河段由于处于黄河流域最北端,因此每年冬季都要结冰封河。封河期冰盖阻水,河道流量减小,河道内形成较大的槽蓄水增量；开河期,随着冰的消融,槽蓄水增量释放,河道流量逐渐增大。因此,冬季气温的变化对宁蒙河段及下游流量影响较大。

3.2 服务于黄河水量调度的径流预报方法

影响水文过程的因素十分复杂,既有气候因素、地形地貌因素,又有人类活动的影响,因此中长期径流预报一直是水文学研究的难点。以经典的统计理论为基础,结合计算机技术,充分考虑径流影响因子的物理意义,多种统计方法相结合是现代中长期水文预报的重要特点。

黄河中长期径流预报模型以提高预报精度为目标,从每个控制站点水文序列的影响因子和自身演变规律出发,根据各站点不同时期、不同影响因素,选择适当的统计方法,包括多元回归分析法、门限回归分析法、时间序列分析法等,分别建立径流预报模型,并对模型的有效性进行合理性检验,以建立最优预报模型。

3.2.1 中长期降水预报方法

降水是汛期径流的主要影响因素,其时空分布直接影响产流量,同时非汛期4—6月黄河流域降水对径流的影响程度加大,并居于主导地位。中长期降水预报是中长期径流预报的重要支撑。

（1)长期降水预报。黄河流域长期降水预报主要采用天气、统计和动力相结合的预报方法。以影响降水的外强迫信号和降水历史演变规律为基础,建立黄河流域长期降水预测回归模型,并将预测结果同数值预报模式的输出产品进行叠加,得到黄河流域长期降水的趋势变化预测。

（2)中期降水预报。黄河流域中期降水预报主要采用相似计算和概率预报相给合的方法。前者基于形势相似和相关预报指标相似,从历史天气系统库中查找与当前天气形势相似的样本,继而做出黄河流域中期降水预报。后者对降雨等级进行分级,统计某一天气系统所造成的某一级降雨出现的概率。

（3)支流非汛期降水预报模型。采用前期降水量和大气环流指数作为初选预报因子,利用多元回归分析方法建立沁河、泾渭河3—6月各月降水预报方程。

3.2.2 非汛期径流预报方法

（1)黄河上中游主要来水站（区)非汛期径流预报模型。在分析降雨径流变化规律及影响因素的基础上,进行预报因子的筛选和参数率定,采用多元回归分析、门限回归分析和时间序列分析等多种方法,建立黄河上中游主要来水站（区)非汛期径流预报方案,包括非汛期径流总量预报模型、非汛期月径流预报模型和非汛期逐旬、月滚动径流预报模型。

预报因子的挑选是统计模型建模的关键。影响径流的主要因子包括前期/上游径流、前期降水、同期降水、气温、人类活动耗水、大气海洋物理量等,通过相关分析、相关系数计算筛选预报因子,预报因子的选取以相关系数高为原则,预报效果相同的情况下以预报因子最少为原则。

黄河流域非汛期径流变化以退水为主,因此河道前期径流量是非汛期中长期径流预报建模首选因子；随着气温的逐渐升高,在有积雪（冰冻)存在的集水区域,2—4月的融雪（冰)过程也是影响径流变化的重要因素；4—6月,黄河流域降水逐渐增多,降水是影响该时段径流变化的又一重要因素。黄河上游唐乃亥站非汛期径流预报模型见表1。

表1 黄河上游唐乃亥站非汛期径流总量及非汛期逐月径流量预报模型

（2)渭河、沁河主要站非汛期月径流预报方法。随着2006年《黄河水量调度条例》的颁布实施,黄河水量调度范围从干流扩展到重要支流,渭河和沁河是较早进行水量统一调度的支流。黄河支流渭河和沁河径流具有流量小、变率大的特点,在分析径流变化特点和主要影响因素的基础上,建立了渭河和沁河主要站非汛期径流总量预报方案、月径流预报方案和逐月滚动径流预报方案等。

3.2.3 汛期径流预报方法

汛期径流变化受降雨影响强烈,受技术条件限制,目前很难提供整个汛期各来水区间降雨的定量预报,仅靠定性或者降雨趋势预报无法估计整个汛期来水状况。流域降水主要受大气环流等因子影响,因此从前期环流因子中挑选预报因子,建立黄河上中游主要来水站（区)汛期径流总量预估方案。根据中国气象局提供的74项环流指数,采用相关普查、物理意义分析等方法,遴选预报意义显著的环流因子作为径流预估的预报因子（见表2),利用多元回归方法建立黄河上中游主要来水站（区)汛期径流总量预报模型：

式中：x′1为上一年 7 月南海副高北界（100E～120E)；x′2为上一年9月北半球极涡强度指数（5区,0～360)；x′3为上一年9月亚洲经向环流指数（IM,60E～150E)；x′4为1月印度副高北界（65E～95E)；x′5为1月大西洋副高北界（55W～25W)；x′6为 3月北半球极涡面积指数（5区,0～360)。

径流总量预报方案的合格率为73%～94%,平均相对误差为26%。

表2 入选环流因子与汛期径流总量相关系数

汛期各站（区)径流总量及逐月径流量预报方案采用多种方案相结合的方式：一是采用经验、统计相关等方法建立以前期径流、区间降水为主要因子的预报方案；二是采用天文气象学方法,建立以气象因子为主要因子的预报方案；三是对于华县、黑石关和武陟站汛期径流总量,建立以上一年度汛期径流总量为因子的自回归模型。

3.2.4 天然径流量预报方法

天然径流量指实测河川径流量的还原水量,一般指实测径流量加上实测断面以上的利用水量（扣除回归部分)。因此,可以根据实测径流量预报和年度用水趋势来预测水文断面年度天然来水情况。此外,天然径流量变化主要受降水、地貌、植被、土壤等自然因素影响,与大气环流的演变和全球气候背景的变化有一定关联,具有周期性和随机性等特点。因此,采用实测径流还原方法、时间序列分析及大气海洋物理因子相关法相结合的方式建立天然径流量预报模型。

3.3 分布式径流预报模型与概率预报模型

3.3.1 黄河源区大尺度分布式径流预报模型

2004—2006年,黄委水文局依托中荷合作项目“建立基于卫星的黄河流域水监测和河流预报系统”［3］,开发了黄河河源区径流预报系统,系统的核心为分布式水文模型。该模型是项目合作方联合国教科文组织国际水利学院（UNESCO-IHE)研制的基于空间分布网格化的大尺度分布式水文模型,采用的网格尺寸为5 km×5 km。模型的输入为能量与水平衡系统（EWBMS)推演的降雨、融雪、蒸散发及水文站网观测的径流量,也可以用站点预报降雨及蒸发处理成网格尺度的“有效降雨”作为模型的输入,模型可用于黄河源区唐乃亥等站日径流过程模拟预报。

3.3.2 中长期径流概率预报模型

2013—2016年,黄委水文局依托“十二五”国家科技支撑计划项目“黄河流域旱情监测与水资源调配技术研究与应用”,建立了唐乃亥站中长期径流概率预报模型,包括非汛期径流总量、非汛期逐月滚动及汛期径流总量预报模型。

随着预见期加长,影响中长期水文预报的因素逐渐增多,其预报难度及不确定性增大,为了定量研究黄河源区中长期径流预报的不确定性,采用贝叶斯预报系统（Bayesian Forecasting System,BFS)中的水文不确定性处理器（Hydrologic Uncertainty Processor,HUP),实现唐乃亥站中长期径流概率预报。

BFS最早由美国学者Krzysztofowicz提出,是一种通用的理论框架,能与任意确定性水文预报模型协同工作［5］。水文不确定性处理器是BFS的主要组成部分［6］,用来分析除降雨之外的所有其他不确定性。其特点是,不需要直接处理预报模型的结构与参数,而是从预报模型预报结果入手,分析其与实测水文过程的误差,再利用贝叶斯公式估计预报变量的后验分布,从而实现预报不确定性分析及概率预报。

中长期径流概率预报以1971年11月—2010年10月共计39 a（其中非汛期为11月—翌年6月,汛期为7—10月)相应时段径流量的确定性预报结果作为BFS-HUP概率预报模型的输入,进行模型参数率定；选用验证期（2010年11月—2013年6月)资料,进行中长期概率预报检验,对置信度90%的区间预报结果进行统计,并给出流量概率分布的期望值预报结果（非汛期以实测流量的20%作为定值预报的许可误差,汛期以实测值序列最大变幅的20%作为定值预报的许可误差)。唐乃亥站率定期非汛期径流总量概率预报置信度为90%的预报区间覆盖率在84%以上（见图2)。

图2 唐乃亥站11月—翌年6月径流总量概率预报过程线

4 黄河流域中长期径流预报系统

黄河流域中长期径流预报系统是黄委水文局目前服务于黄河水量调度的主要业务系统。系统包括干流长期径流预报、干流中期径流预报、重点支流径流预报、桃汛水量预报和资料管理5个核心模块,下设二级子模块,用于实现不同类型的预报功能、数据查询及统计功能。系统的总体结构见图3。为满足径流预报业务需求,系统具有降水径流资料查询处理、径流预报制作、径流预报结果显示和保存打印功能。此外,还有流域站点简介等辅助功能。

5 近几年径流预报在黄河水量调度中的应用

黄河流域中长期径流预报紧密结合全河水量统一调度需求,在1999—2018年20 a的水量调度中,提供了准确的年度水量预报和旬月径流预报,为黄河水量统一管理调度提供了重要依据,对缓解水资源供需矛盾,确保黄河下游连续20 a不断流具有重要意义,为维护黄河健康生命提供了有力的技术支撑,取得了明显的社会和经济效益。

1999—2018年每年10月中下旬发布的花园口站年度天然径流总量预报平均误差为3.7%,最小预报误差为0.6%。1999—2018年历年花园口站年度天然径流量预报与实况对比见图4。

图3 黄河流域中长期径流预报系统总体结构

图4 1999—2018年历年花园口站年度天然径流量预报与实况对比

2002—2003年度黄河遭遇有史以来最严重旱情,花园口年度天然来水量仅282亿m3,为历史最少。黄委水文局在2002年11月准确预报了2003年1—6月黄河流域来水量为1950年以来最少,比多年同期均值偏少51%,水库可调节水量只有35亿m3,黄河水量调度面临着自1999年实施全河水量调度以来最为严峻的考验。根据《中华人民共和国水法》第四十五条规定,黄委在征求沿黄省（区)水利、电力部门意见的基础上,编制完成了《2003年旱情紧急情况下黄河水量调度预案》并上报水利部。水利部在报国务院同意后以水汛［2003］138号文印发实施。该预案为新《水法》施行以来全国第一个由流域机构编制的旱情紧急调度预案。水文预报为该预案的编制和审批提供了技术支撑和决策依据。在黄河水量紧急调度期中,黄委水文局及时提供调度期内中长期径流预报,预报精度较高,为紧急调度预案的成功实施提供了保障。

6 结 语

径流预报是黄河水量调度的重要依据。随着黄河水资源管理、调度工作的不断深入,对径流预报工作的要求将不断提高,预报项目和时段增加,预见期延长,同时要求更高的预报精度。为适应黄河水量调度新形势,径流预报服务的能力与水平应不断提升,应该从以下几个方面进一步努力：

（1)加强部门间的协作,扩大预报和服务领域,构建新的径流预报模式。黄河水文情势受人类活动影响非常强烈,其径流预报在很大程度上不仅依赖技术的发展,而且需要通过对人类活动影响的分析和模拟来解决,这个过程非常复杂和难以把握。因此,需要建立一种新的径流预报模式,即预报与调度部门之间多层次、全方位、交互式的信息交流与反馈。径流预报输入的信息除了常规的水文气象信息,还要有流域引退水、管理部门的水利工程水量调度指令及实际执行情况等各种人类活动影响资料；预报部门除了提供常规的径流预报,还应该对特定条件下可能出现的径流形势进行分析预估,并通过信息交互及时对预报项目进行实时修正,实现滚动预报。这要求各部门之间建立良好的沟通渠道,及时交流、反馈各自的信息,以满足调度与预报的需求。

（2)加强基础研究。20 a来预报部门虽然努力进行了一些基础研究,但是受多方面因素影响,研究尚不够深入,很多问题尚待解决,因此必须加强基础研究,使黄河流域径流预报工作不断改进和完善。

（3)关键技术和薄弱环节的研究。降雨预报是影

响径流预报的关键因子,尤其对于汛期,降雨预报精度与预见期直接影响径流预报的水平。目前中长期降雨预报在预报区域和预报时段上仍不能满足径流预报的需求,必须在原有基础上进一步研究,研制黄河流域各分区汛期、非汛期中长期降水预报方法,使之能够为中长期径流预报提供更好的支撑。