水文預(yù)報（hydrologic forecasting）是指根據(jù)前期或現(xiàn)時的水文氣象資料，對某一水體、某一地區(qū)或某一水文站在未來一定時間內(nèi)的水文情況作出定性或定量的預(yù)測。對防洪、抗旱、水資源合理利用和國防事業(yè)中有重要意義。
正文
對未來水文情況作出科學(xué)預(yù)測并發(fā)布預(yù)報的技術(shù)與作業(yè)。水文預(yù)報是水文學(xué)為經(jīng)濟和社會服務(wù)的重要方面，特別是對災(zāi)害性水文現(xiàn)象做出預(yù)報，對綜合利用大型水利樞紐做出短期、中期和長期的預(yù)報，作用很大。中國已開展預(yù)報服務(wù)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(zhì)等。
預(yù)見期? 預(yù)報必須在現(xiàn)象發(fā)生以前做出，以便采取措施。這種提前量稱為預(yù)見期。水文預(yù)報的預(yù)見期決定于水文現(xiàn)象的性質(zhì)，有一定限制。利用河道上游的實測洪水來預(yù)報下游的洪水，預(yù)見期不超過河道的匯流時間。利用降雨來預(yù)報流域出流量，預(yù)見期不可能超過流域的匯流時間。實際上預(yù)見期還更短，因為實測值經(jīng)過觀測、傳送、處理、分析，需要一定時間。因此，水文預(yù)報的預(yù)見期往往不長，例如為幾小時至一二天，只能作為短期預(yù)報，供用戶應(yīng)急之用。如要加長預(yù)見期，就要對降雨量等氣象因素作出預(yù)報。水文與氣象預(yù)報相結(jié)合，可以構(gòu)成中期的預(yù)報，預(yù)見期可以達到幾天以上。如要求更長的預(yù)見期，如幾個月以上，則應(yīng)用物理規(guī)律作預(yù)報是不夠的，還要用統(tǒng)計的方法。統(tǒng)計方法的可靠性一般不如物理方法。預(yù)報的精度與預(yù)見期之間存在著矛盾。對于特別緊急的水情，如山洪、泥石流、漫決等現(xiàn)象，已無法作出通常的預(yù)報，只能采用水文警報，以報警信號通知用戶采取緊急措施。
預(yù)報方法??、俸恿黝A(yù)報：根據(jù)河道上游實測的洪水過程預(yù)報下游的洪水過程。常用的方法是洪水演算，有時也可采用更為簡易的相應(yīng)水位法。
②流域預(yù)報：根據(jù)流域上實測的降雨或降雪資料預(yù)報流域出口的流量過程。預(yù)報的方法，在產(chǎn)流方面常用降雨徑流相關(guān)圖（見圖）。在匯流方面常用單位線。現(xiàn)在的發(fā)展方向是應(yīng)用流域水文模型。
③水質(zhì)預(yù)報：最重要的評價水質(zhì)的指標是生化需氧量與溶解氧。水流內(nèi)部的擴散作用使得污染物質(zhì)不斷得到稀釋，水面從空氣取氧而使水質(zhì)不斷得到凈化。這些過程可以根據(jù)擴散理論作出預(yù)報。
④統(tǒng)計預(yù)報：根據(jù)水文現(xiàn)象的統(tǒng)計規(guī)律可作出較長期的預(yù)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(yù)報，預(yù)見期很長，但精度很差?，F(xiàn)在新發(fā)展的方法，是時間序列分析法。一個水文現(xiàn)象的時序變化過程，服從一定的統(tǒng)計規(guī)律，可以根據(jù)隨機過程理論作出預(yù)報，預(yù)見期比較長，但精度也不夠高。
⑤實時預(yù)報：當預(yù)報值的實測值已經(jīng)測得，該預(yù)報值的誤差為已知。利用這個新的信息作反饋計算，調(diào)整預(yù)報方案，可以提高以后預(yù)報的精度。這種利用過去預(yù)報的誤差修正今后預(yù)報的方法，也稱現(xiàn)時校正，效果顯著。校正的方法有兩大類：一是預(yù)報誤差的時間序列分析，二是濾波技術(shù)。
水文情報? 把水文現(xiàn)象的實況觀測及時傳送到預(yù)報中心，是水文預(yù)報的前提。要提高水文預(yù)報的精度，必須提高水文情報的數(shù)量與質(zhì)量。要加長預(yù)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(fā)布辦法等，已嫌太慢。現(xiàn)代的自動化遙測設(shè)備、通訊手段，特別是衛(wèi)星通信以及聯(lián)機作業(yè)程序，可大大提高水文情報與預(yù)報的效率。
HBV水文預(yù)報模型及與之集成的水文模型系統(tǒng)介紹
1 模型概述
1. 1 背景
70 年 代，為了水電廠的洪水預(yù)報，瑞典國家水文氣象局(SMHI)開發(fā)了HBV水文預(yù)報模型。當時
開發(fā)該模型的目的是通過輸人合理的預(yù)報參數(shù)來進行洪水預(yù)報，并對預(yù)報結(jié)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(yù)報工具，在近40個流域中，大多數(shù)無控制站的小河
流都使用該模型進行洪水預(yù)報；另外，大約在60個流域范圍內(nèi)，該模型被用于水電廠的洪水預(yù)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(fā)展成為一個集成的水文預(yù)
報模型系統(tǒng)，它是一個現(xiàn)代化的，經(jīng)過良好測試的易操作的預(yù)報工具。它可以與實時氣象信息及預(yù)報
系統(tǒng)相集成，可運行在獨立的計算機上，也可運行在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下。
1.2 結(jié)構(gòu)
HB V模 型 可以被貼切地描述成一個半分布式的概念模型。多年來，模型的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)很少改變，要
求輸人的參數(shù)也被盡可能地簡化(通常只需要輸人日平均氣溫值和降雨量值)。盡管如此，它的模擬性
能還是很好，而且，原來該模型只用于水文預(yù)報，現(xiàn)在它的應(yīng)用范圍已擴展到其它領(lǐng)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(shè)計洪水計算以及水質(zhì)研究。1993年，對SMHI模型的結(jié)
構(gòu)作了很大的改動，實現(xiàn)了以下目標:
(1) 進 一 步發(fā)展了分布式的徑流模型，使其能夠增加新的輸人參數(shù)(如氣象雷達和衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù))，
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(jié)構(gòu)更加準確和先進。
(3) 除 了 評估降雨和溫度兩個參數(shù)以外，使用其它的輸人參數(shù)進行校準，以保證模擬和預(yù)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(jīng)過 三 年 的開發(fā)研究，SMHI于19%年開始推廣使用經(jīng)過改進的HBV模型(簡稱HBV一％模
型)。集成 的 水 文模型系統(tǒng)(IHMS系統(tǒng))是以HBV模型為基礎(chǔ)開發(fā)出的一套應(yīng)用系統(tǒng)軟件。在該系統(tǒng)中，
只需要輸人少量的參數(shù)即可進行預(yù)報。HBV/IHMS系統(tǒng)在作預(yù)報時，可以按照不同氣候、土質(zhì)條件以及
水文氣象網(wǎng)絡(luò)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(yù)報，然后
綜合各子流域的預(yù)報結(jié)果，形成整個大流域的洪水預(yù)報。目前，該系統(tǒng)已被應(yīng)用在瑞典的200多個子流
域的有控制站的洪水預(yù)報中，而且，它可與水電站的溢洪道設(shè)計研究相結(jié)合。
HB V/ IH MS模型結(jié)構(gòu)示意圖(降雨/雪在上層、土壤含水量在中層、響應(yīng)在底層)見圖to
2 模型功能
2.1 數(shù)據(jù)存貯
為了 縮 短 計算時間，HBV模型所需的輸人參數(shù)(如降雨、溫度、流量等)被存放在基于二進制文件的
內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中，這樣很容易實現(xiàn)把數(shù)據(jù)從確定的文件格式轉(zhuǎn)人已存在的數(shù)據(jù)庫中。
2.2 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)(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 算模塊用于計算降雪量。降雪量與溫度的修正因子密切相關(guān)。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(qū)的降雪量。新版 的 H BV模型(HBV一％版)可以很好的預(yù)
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，修正后的HBV
模型可以處理發(fā)生在特殊條件下的溫度倒置的情況。
2.4 徑流預(yù)報
土壤 含 水 量計算模塊用于計算不同的降雨、融雪和蒸發(fā)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。然后，徑流生成模塊把土壤中的水(以土壤含水量表示)轉(zhuǎn)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(chǎn)流五部分組成。算出的徑流成果是繪制水文曲線圖的原
始數(shù)據(jù)。
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(jié)合生成徑流預(yù)報，同時，徑流
預(yù)報過程也可得到校驗(在非常復(fù)雜的水庫運行調(diào)度情況下，徑流預(yù)報過程必須校驗)。
第2期掀;HBV水文預(yù)報模型及與之集成的水文模型系統(tǒng)介紹當一 個 河 流的集水區(qū)被劃分成幾個子流域時，
HBV模型可以先預(yù)報每個子流域的徑流，然后，再把各個子流域產(chǎn)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(yù)報模型(由波蘭水文氣象局研制開發(fā))與IHMS系統(tǒng)相結(jié)合，可以進行河流動力
學(xué)的研究(雖然這不屬于標準的模塊)。目前，該成果已有幾個應(yīng)用實例，例如：該成果已用于波蘭境內(nèi)的
Vistula河的河流動力學(xué)研究。
2.5 入流、出流計算
在應(yīng) 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(yīng)位于子流域的出口處。HBV模
型先計算水庫的人流(包括降落在庫區(qū)的雨量以及水庫水面自身的蒸發(fā)量)，然后，根據(jù)調(diào)度規(guī)則或頻
率曲線得到水庫的出流。調(diào)度規(guī)則與水庫出流、水庫水位以及時間序列有關(guān)，同時，它也與水庫的用水量
有關(guān)。
3 模型的應(yīng)用領(lǐng)域
3.1 校驗
模型 所 用 到的各參數(shù)必須先經(jīng)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(shù)選擇合理。一般來說，校驗需要10年以上的水文數(shù)據(jù)，率
定需要5年以上的水文數(shù)據(jù)，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(yīng)能做預(yù)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(yīng)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(shù)據(jù)、河流區(qū)間的降雨數(shù)據(jù)，從水電廠、大壩以及觀測站得來的流量數(shù)
據(jù)、水位數(shù)據(jù)，必須存人模型數(shù)據(jù)庫中。預(yù)報 精 度 可以通過以下兩種方式來判定:
(1) 統(tǒng) 計 法：通常使用由Nash和Sutcliffe于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：這種方法通常用于檢驗的初始階段，如對降雪參數(shù)的
評估。
HB V 模 型預(yù)報的預(yù)見期可以是1 -24h 。通常，合理的預(yù)見期為3, 6和12 h(不能為7h或13
h)。大多數(shù)應(yīng)用程序使用的預(yù)見期為1h或24h。使用經(jīng)驗表明，可以使用24h前的歷史日平均數(shù)據(jù)作
為輸人參數(shù)，然后稍作修整即可用于時段預(yù)報和模型的校驗。
3.2 模擬
模型 經(jīng) 過 校驗后，可以用于基于水文時間序列的各種模擬應(yīng)用程序。如果歷史水文資料時間序列
太短，則應(yīng)對歷史水文資料進行插補及延伸。對數(shù) 據(jù) 質(zhì) 量的評估也是模型應(yīng)用的另一個方
面。模型的輸出結(jié)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(yù)報的融雪量的正確
性，同時，模型也適于判定徑流記錄的多相性。
3.3 洪水和入流預(yù)報
3.3.1 短期洪水預(yù)報
對于 小 流 域和本地人流，根據(jù)氣象預(yù)報的結(jié)果和要求，預(yù)報的預(yù)見期一般設(shè)為1h。通常情況下，這
種預(yù)見期應(yīng)用于由梯級水庫組成的水電廠的實時洪水預(yù)報及優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)中。
3.3.2 人流預(yù)報(洪水的中長期預(yù)報)
HB V模 型 使用歷史統(tǒng)計值來進行季節(jié)性水庫的多年調(diào)度或洪水風險評估(即洪水的中長期預(yù)
報)。這種服務(wù)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(yù)報
使用 概 念 水文模型的傳統(tǒng)方法是：首先對模型進行校準，確定經(jīng)驗系數(shù)的優(yōu)化值，然后再進行洪水
預(yù)報。實踐證明，經(jīng)過優(yōu)化的經(jīng)驗系數(shù)的變化范圍很小。對于缺少歷史徑流資料，從而無法對模型進行校
驗的流域，通常應(yīng)用具有較長歷史資料的水化學(xué)資料來推斷水文資料，找到優(yōu)化的經(jīng)驗系數(shù)，從而進行
洪水預(yù)報。如今，這種方法已廣泛應(yīng)用于瑞典的400個無控制站流域的洪水預(yù)報。
3.5 設(shè)計洪水計算
HB V/ IH MS系統(tǒng)軟件中的“洪水設(shè)計”模塊應(yīng)用于具有多個水庫的河流系統(tǒng)。它的基礎(chǔ)是通過迭
代的方法，對最重要的洪水過程的臨界值進行反復(fù)迭代，從而優(yōu)化出所需要的結(jié)果。該模塊是以1990
年瑞典頒布實施的《大壩溢洪道設(shè)計開發(fā)規(guī)則》為基礎(chǔ)開發(fā)的。因此，如果其它國家想使用這一功能，則
溢洪道的水文設(shè)計規(guī)則必須與瑞典相似。當然，也可以通過修改模塊本身來適應(yīng)不同的溢洪道設(shè)計規(guī)
則，但必須對方方面面進行仔細研究。
3.6 水質(zhì)監(jiān)測
HB V模 型 如要用于水質(zhì)監(jiān)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(chǔ)上，產(chǎn)
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生了一個新的模型一PULSE模型。PULSE模型的大部分結(jié)構(gòu)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(xué)狀況的模擬。這一模型主要研究水質(zhì)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(shù)條件下的無觀測站流域的徑流預(yù)報。
3.7 氣候變化研究
氣候 變 化 與人類活動密切相關(guān)已是當今最流行的科學(xué)論點。雖然，地域性氣候變化存在不確定
性，但早在90年代，水文模型就被用于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(fā)電存在影響，這一研究就是以HBV模型及地域性氣候變化規(guī)律為基礎(chǔ)的。
4 軟件系統(tǒng)
SM HI 于 1990年開始開發(fā)集成的水文模型系統(tǒng)(簡稱IHMS)的用戶界面部分，當時的系統(tǒng)運行
環(huán)境為Windows3 .x 。目前，它運行在WindowsN T環(huán)境下，程序稍作配置即可運行在Windows的其它
環(huán)境下(如:Windows 98, Windows 2000等操作系統(tǒng))。模擬HBV模型的核心代碼用Fortran
編寫，其它用戶界面部分用C++編寫。到目前為止，IHMS系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于瑞典的水庫人流預(yù)
報和洪水預(yù)報，以及大壩的設(shè)計洪水計算(最高級別的風險計算)。
HB V/ IH MS系統(tǒng)軟件可以運行在與Windows/英特爾兼容的PC處理器或工作站上。根據(jù)不同的需
要，系統(tǒng)可以運行在單獨的計算機上，也可以運行在基于客戶/服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下。系統(tǒng)的最低配
置要求為:CPU-}: ,Pe ntium3;內(nèi)存)32M;安裝IHMS需要硬盤有)20M的空間，程序可以通過光驅(qū)(CD)
參考資料 >