黄河龙门水文站实用水文预报方案改进及应用

史玉品 范国庆 狄艳艳 张防修

摘 要：依据最新河道条件及延长后的洪水资料序列对龙门水文站3个实用水文预报方案进行重新定线，使图表方案动态化，将传统的预报技术转变为可以进行自动作业预报的预报系统。结合吴堡—龙门区间1981—2018年23场典型洪水对比预报方案修订前后的模拟精度，并与黄河洪水预报系统中马斯京根演算法模拟结果进行比较。结果表明：修订后的预报方案对洪峰流量的模拟精度较修订前有明显改善，马斯京根演算法模拟结果精度稍高于实用水文预报方案，但实用水文预报方案对以吴堡来水为主的洪水模拟精度较高，而龙门水文站较大洪水主要来自吴堡以上。建议作业预报时几种预报方案联合运用，进一步提高龙门站洪水预报精度。

关键词：涨峰系数;峰前涨率;实用水文预报方案;龙门水文站;吴堡水文站;黄河

中图分类号：P338;TV882.1文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.008 引用格式：史玉品，范国庆，狄艳艳，等.黄河龙门水文站实用水文预报方案改进及应用[J].人民黄河，2021，43（1）：40-44，60.

Improvement and Application of Practical Hydrologic Forecasting

Schemes at Longmen Station of the Yellow River

SHI Yupin1， FAN Guoqing1， DI Yanyan1， ZHANG Fangxiu2

（1.Hydrological Bureau， YRCC， Zhengzhou 450004， China;

2.Yellow River Institute of Hydraulic Research， YRCC， Zhengzhou 450003， China）

Abstract：According to the latest river channel conditions and the extended flood data， the three practical flood forecasting schemes of Longmen Hydrologic Station were recalibrated. The chart schemes were made dynamic and the traditional forecast technology was transformed into a forecasting system which could make automatic operation forecast. The simulated accuracy of the schemes before and after the improvement was combined with 23 typical measured flood data from 1981 to 2018 in Wubao-Longmen reach. The forecasting results were compared with Muskingum routing method in the flood forecasting system. The results show that the simulation accuracy of revised schemes for flood peak is obviously improved compared with traditional schemes and a little less than the Muskingum routing method， but the highest accuracy of the practical flood forecasting schemes is present for the floods which is mainly from Wubao Station. The larger flood at the Longmen Station mainly comes from the river reach above Wubao Station. It is suggested that several forecasting schemes should be combined to improve the accuracy of flood forecasting in Longmen Station.

Key words： flood peak rising coefficient; pre-peak rising ration; practical hydrologic forecasting schemes; Longmen Station;Wubao Station; Yellow River

1 引 言

水文預报是在充分掌握客观水文规律的基础上预报未来水文现象的一门应用科学，是防洪减灾的非工程措施之一[1]。早期的水文预报主要是以经验性预报方法为基础的实用水文预报，随着计算机、地理信息系统和遥感等现代科学技术的快速发展及人们对水文过程认识的不断深入，国内外学者针对具体流域、不同水文过程和研究目标，构建了丰富多样的水文模型[2-3]。但在实际应用中，受模型适用范围的局限性、各种水文不确定性及工作人员的操作方式等各方面的影响，一些水文模型的实际应用结果并不令人满意[4-5]。实用水文预报方案是水文预报人员根据多年工作经验总结的预报方法，它既有一定的理论依据，又有大量的实测资料为基础，能充分结合河段的特征，具有较高的预报精度。这些方案以图表形式汇编，计算简单，操作方便，并能随时根据实际发生的情况进行修订[6]。

黄河流域实用水文预报方案已经在黄河流域防洪、防凌和有关生产建设中发挥了重要作用。龙门水文站预报方案经过多年作业预报考验和多次完善、修正，在实际洪水预报中仍有很大参考价值。但是图表形式的预报方案一般由人工定线，效率低，在洪水作业预报中的应用逐渐减少。为了让这些成熟的预报方案继续在洪水预报中发挥作用，需要利用最新的河道条件和洪水资料对方案进行修订和完善，并让静态的图表方案动态化，将传统预报技术转变为可以进行自动作业预报的预报系统。

2 研究区域概况及资料来源

2.1 研究区域概况

龙门水文站是黄河中游干流河道控制站，其上游275 km处为吴堡水文站，下游136.5 km处为潼关水文站。吴（吴堡）龙（龙门）区间集水面积64 038 km2，两岸支流众多，水系发达，主要的一级支流及入黄控制站如下：三川河（后大成）、屈产河（裴沟）、无定河（白家川）、清涧河（延川）、昕水河（大宁）、延河（甘谷驿）、汾川河（新市河）、仕望川（大村）、州川河（吉县），见图1。各入黄控制站集水面积之和为52 377 km2;无控制站的集水面积为11 661 km2，为吴龙区间未控区，占总面积的18.2%。

2.2 资料来源

黄河流域实用水文预报方案于1986年开始编制，1989年编制完成。编制方案采用的均为1984年以前的洪水资料。20世纪90年代以后，受流域内气候环境变化及人类活动的影响，年降水量较之前普遍偏小，降雨径流也随着下垫面情况及河道条件的改变而发生变化。为使预报方案中的相关关系更契合当前的河道条件及洪水特征，需用最新的资料对方案进行修订。整理黄河水情数据库中研究区域的洪水资料，对预报方案所需的1985—2018年洪水资料进行补充。

3 预报方案的建立与修订

黄河流域实用水文预报方案中采用不同方法编制了3套龙门站洪水预报方案，预报项目为龙门站的洪峰流量和峰现时间。方案一与方案二是依据上下游站洪峰流量相关法预报龙门站洪峰，方案三是利用洪峰流量与传播时间相关关系计算龙门站峰现时间。

3.1 方案的修订

区间来水量是龙门站实用水文预报方案中的一个重要参数，但原方案中区间来水量的计算只是把与吴堡站洪峰相应的支流流量简单叠加，未考虑区间支流洪水在干流河道演进中的变化。龙门站较大洪水主要来自吴堡以上，吴龙区间支流发生暴雨洪水的频次较少，对龙门站洪峰的影响较小，但也存在区间加水较多甚至以区间来水为主的情况，如果不考虑区间支流洪水演进中的坦化，对龙门站洪峰流量的预报会产生较大影响。为此，根据吴龙区间支流洪水特点，引入支流洪水的演進参数，重新计算区间来水流量。利用延长后的洪水资料序列及重新计算的参数对预报方案进行修订和完善，使其适应当前流域下垫面、河道条件和洪水特征。

3.2 方案一

该方案采用上下游洪峰流量相关法建立。根据上游吴堡站和下游龙门站洪峰流量，以吴堡站的涨峰系数η和区间来水流量（区间来水流量是指与吴堡站洪峰相应的支流合成流量）为参数绘出相关关系线，制作相关关系图（见图2），预报龙门站洪峰流量：

Q龙=f（Q吴，∑ni=1Qi，η）（1）

式中：Q龙为龙门站洪峰流量;Q吴为吴堡站洪峰流量;∑ni=1Qi为区间支流站后大成、白家川、延川、大宁、甘谷驿等的合成流量。

吴堡站的涨峰系数η的计算公式为

η=Q吴/Q3（2）

式中：Q3为吴堡站峰前3 h流量，m3/s。

3.3 方案二

方案二也是采用上下游洪峰流量相关法建立的。根据上游吴堡站与下游龙门站洪峰流量，以吴堡站的峰前涨率ΔQΔt和区间来水流量为参数，建立吴堡—龙门站洪峰流量相关关系线（见图3），预报龙门站洪峰流量：

Q龙=f（Q吴，∑ni=1Qi，ΔQΔt）（3）

吴堡站的峰前涨率ΔQ/Δt为

ΔQΔt=（Q吴-Q0）/Δt（4）

式中：Q0为吴堡站的起涨流量，m3/s;Δt为起涨时刻与峰顶时刻之间的时差，h。

3.4 方案三

方案三根据吴堡及各支流河口与龙门站之间的距离和洪水传播时间，以吴堡站洪峰流量与区间来水的合成流量为参数绘制相关线（见图4），预报龙门站峰现时间：

T=f（Q吴+∑ni=1qi，L）（5）

式中：Τ为吴堡至龙门的传播时间;L为吴堡及各支流入黄口距龙门的距离;qi为区间支流流量。

该方案的基本原理是在洪峰从吴堡向龙门演进过程中依次加上区间各支流的入黄流量，随着洪峰流量的增大，流速也逐渐变大，传播时间相应缩短。计算过程是先计算洪峰演进到每个支流入黄口的时间及合成流量，最后计算龙门站洪峰流量和峰现时间，见图5。由于方案三没有考虑吴堡以上洪水演进过程中的坦化及削减，模拟的洪峰流量一般偏大，精度较低，达不到洪水预报的要求。与前两个方案不同的是该方案对洪水来源的要求不高，无论是上游来水为主还是区间来水为主，对模拟精度的影响没有明显差别。

3.5 结果对比与分析

3.5.1 洪水预报精度评定

预报方案精度评定依据《水文情报预报规范》（GB/T 22482—2008）[7]进行，该规范对洪水预报的许可误差和预报精度评定作如下规定。

（1）许可误差。①洪峰流量许可误差：降雨径流预报以实测洪峰流量的20%为许可误差，河道流量预报以实测洪峰流量的10%为许可误差。②峰现时间预报许可误差：以预报时间至实测洪峰出现时间之间时距的30%为许可误差，当许可误差小于3 h或一个计算时段长时，则以3 h或一个计算时段长为许可误差。

（2）预报项目精度评定。一次预报的误差小于许可误差时，为合格预报。合格预报次数占预报总次数的百分数为合格率，表示多次预报总体的精度水平。合格率按下式计算：

QR=nm×100%（6）

式中：QR为合格率（取1位小数）;n为合格预报次数;m为预报总次数。

预报项目的精度按合格率或确定性系统的大小分为3个等级，甲等为QR≥85%，乙等为85%>QR≥70%，丙等为70%>QR≥60%。

经精度评定后，洪水预报方案精度达到甲、乙两个等级者，可用于正式发布预报;方案精度达到丙级的，可用于参考性预报;丙级以下者，只能用于参考性预估。

3.5.2 预报方案修订前后精度对比

采用动态链接库（DLL）形式将龙门站实用水文预报方案编成经验模型，植入黄河洪水预报系统，直接链接实时水情数据库，运用黄河洪水预报系统进行作业预报。分别应用修订前后的预报方案对龙门站1981—2018年的洪峰流量进行模拟计算，对比分析方案修订前后的模拟精度。由于区间支流无加水或加水较少时修订前后模拟结果没有明显差别，区间支流加水较多或以支流来水为主时对模拟结果的影响较大，因此表1只列出了区间加水大于1 000 m3/s场次洪水的模拟精度。表1中相对误差均值为所有场次洪水相对误差绝对值的平均值，峰现时差均值为峰现时差绝对值的平均值。

由表1可以看出，修订后预报方案的模拟精度相比修订前有明显改善，方案一修订前、后洪峰流量相对误差的均值分别为12.9%和9.3%，而且修订后洪峰相对误差均在20%以内;方案二修订前、后洪峰流量相对误差的均值分别为13.4%和9.7%;方案三计算的峰现时差修订后无太大变化。洪峰流量模拟精度提高的主要原因是修订后的预报方案考虑了区间支流洪水在干流河道中的演进坦化，修订后的方案更适用于吴龙区间的洪水模拟。

3.5.3 与马斯京根演算结果对比

马斯京根演算是一种基于槽蓄方程和水量平衡方程的河道流量演算法，因其使用方便，精度也较高，在生产实践中得到广泛应用。黄河洪水预报系统中编制了以马斯京根演算为基础的吴龙区间洪水预报方案，该方案利用马斯京根演算法分别计算吴堡和区间支流流量演进至龙门后再进行线性叠加。为了检验实用水文预报方案对龙门站洪峰流量的模拟效果，选取1981—2018年共23场洪水进行实用水文预报方案与马斯京根演算法的模拟结果比较。

采用河道洪峰流量和峰现时间许可误差进行评定。各场次洪水洪峰流量计算结果的误差见表2。方案一洪峰流量合格率为69.5%，方案二洪峰流量合格率为73.9%;马斯京根演算洪峰流量合格率为78.3%。其中方案二和马斯京根演算法的模拟精度达到乙级水平，可以用于洪水预报，方案一模拟精度为丙级，只能用于参考性预报。峰现时间方案三和马斯京根演算法均有3场洪水不合格，其他场次洪水的峰现时差在3 h之内，方案三与马斯京根演算法对峰现时间的模拟都满足预报精度的要求。

由于龙门站较大洪水主要来自吴堡以上，由表1、表2的计算结果可知，实用洪水预报方案对吴龙区间无加水或加水较少的洪水模拟结果精度较高，因此建议龙门站洪水作业预报时马斯京根演算法和实用水文预报方案同时运用，有效提高龙门站的预报精度。

3.6 预报方案动态化

实用水文预报方案是大量监测数据的统计分析和科学归纳，以及大量预报经验的积累和应用，是行之有效的作业预报方法[6]。但随着计算机技术的飞速发展，水文情报预报工作已经全面实现信息化，费时费力、手工查图计算的预报方式制约了实用水文预报方案的推广使用。只有改变传统的预报方式，才能与信息化技术衔接，继续在水文预报工作中发挥作用。笔者以Oracle数据库和Excel为基础，以VB为开发工具，将龙门站的实用水文预报方案转换为可以自动作业预报的预报系统。系统主要由预报方案图、计算模块及数据库接口模块组成。 VB、Oracle和 Excel的结合使用，不仅可以实现数据、图形和界面的有机结合，而且可以对数据进行有效管理。

4 结 语

以吴堡—龙门区间为研究区域，将传统的、经验性的龙门水文站实用水文预报方案转换为可以进行自动作业预报的预报系统，实现了相关关系图模型建模标准化、预报动态化的目标，可以有效提高实用水文预报方案建模的效率和质量。预报系统的建立能够再现手工作业预报的思维方式，操作过程更加规范，可取得与手工作业预报相当的预报精度[8]。该方法对同类预报方案的研究具有一定的参考价值。

实用水文预报方案的编制是以吴堡以上的洪峰流量演进为主，对于支流加水采用直接叠加的方法，没有考虑支流洪水在干流河道演进中的坦化问题，如果区间加水较大甚至占主导地位，对预报结果会产生较大影响。例如“20170727”洪水，吴堡站洪峰流量3 560 m3/s，区间支流加水4 400 m3/s，方案一对该次洪水的计算结果偏大32.1%，方案二计算结果偏大24.9%。为了提高实用水文预报方案在该区域的适用性，应根据区间支流水文资料，引入支流洪水的演进参数，并对方案中区间来水量的参数曲线进行修正。

吴堡—龙门区间尚有20%的未控区，许多直接入黄的小支流没有控制站，马斯京根演算法与龙门站实用水文预报方案都是单纯的河道演进，没有考虑未控区的降雨产流，一旦这些地区发生暴雨洪水，就会导致龙门站洪水预报精度降低，因此需要加强未控区暴雨产流模型研究，尽快研制洪水预报方案，进一步提高洪水预报的精度。

参考文献：

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[8] 程海云，葛守西，邹冰玉，等.相关图实时预报技术研究[J].水利水电快报，2008，29（3）：16-18.

【责任编辑 许立新】