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关于洪水预报模型研究综述

发表时间：2021/6/4 来源：《基层建设》2021年第2期作者：刘献

[导读] 摘要：通过分析认识洪水预报模型的研究背景，可以更进一步了解模型的适用流域，体现出洪水预报的科学性、合理性，为水资源管理和决策提供了重要的科学依据。

        商丘工学院 476000
        摘要：通过分析认识洪水预报模型的研究背景，可以更进一步了解模型的适用流域，体现出洪水预报的科学性、合理性，为水资源管理和决策提供了重要的科学依据。文章探讨了当前水文模型在洪水预报中存在的不足及今后研究的方向。
        关键词：洪水预报模型；新安江模型；分布式水文模型；水箱模型；TOPMODEL模型
        1 洪水预报模型研究背景
        洪水预报是基于洪水形成和运动规律，采用过去和实时水文气象资料对未来一定时间内的洪水情况进行预测。主要预报最高洪峰水位（或流量）、出现时间、涨落过程、洪水总量等。直接为防汛抢险、水资源合理利用与保护、水利工程建设和调度运用管理，及工农业的安全生产服务。水文模型就是对复杂水循环过程的抽象或概化，能够模拟水循环过程的主要或大部分特征，即是对自然界中复杂水循环过程的近似描述（徐宗学，2009）。
        2 洪水预报模型技术
        水文模型从系统角度模拟降雨径流关系，大致可分为传统和现代两类。传统的水文模型有一定的物理意义，简化了产、汇流过程，经较长时间实践，不断改进积累了丰富的经验，应用广泛，目前我国最有代表性的是湿润和半湿润地区普遍采用的新安江模型、陕北模型、水箱模型，现代水文模型是随3S 技术的出现而发展起来的，分布式水文模型、TOPMODEL模型。
        2.1 新安江模型
        新安江模型是河海大学赵人俊教授等在1973年对新安江水库流量预报时提出来的，是一个分块式的概念性流域降雨径流模型。最初设计为二水源模型（地表径流和地下径流）；到了20世纪80年代，引入萨克拉门托模型与水箱模型中的用线性水库函数划分水源的概念，提出了三水源模型（地面径流、壤中流和地下径流）；80年代中期，又提出了四水源模型（地面径流、壤中流、快速地下径流和慢速地下径流）。新安江模型主要用于湿润半湿润地区，这与它的产流方式为蓄满产流有关。模型的核心在于两条曲线：一条是蓄水容量曲线，表示降雨分布均匀时的产流面积的变化情况；另一条是自由水容量曲线，控制径流的组成和分布，进行水源划分。为了处理降雨分布的不均匀性，新安江模型将大的流域分为许多快单元流域，对每个单元流域做产汇流计算，得到单元流域的出口流量过程，再计算得到整个流域的流量过程。汇流计算采用瞬时单位线和线性水库相结合的方法。模型参数共15个，分为四个层次。分别为蒸散发、产流量、分水源和汇流过程，每个层次之间参数比较独立，不独立性主要存在于层次之内。张波等采用新安江三水源模型建立了富水水库流域洪水预报模型和方案，论证了产流方式，分析了水库流域洪水预报特殊性，并率定了模型参数，实例结果表明，该模型预报效果较好、精度高、合理可行，可供借鉴。
        2.2 分布式水文模型
        分布式水文模型是全面考虑降雨和下垫面空间不均匀性的模型，能够充分反映流域内降雨和下垫面要素空间变化对洪水形成的影响。模型能全面地利用降雨的空间分布信息；模型参数的空间分布能够反映下垫面自然条件的空间变化；模型的输出具有空间不均匀性，如蒸散发、土壤水分、径流深等。
        分布式流域水文模型的主要思路是：将流域划分成若干网格，对每个网格分别输入不同的降雨，根据各网格内植被、土壤和高程等情势，对每个网格采用不同的产流计算参数分别计算产流量；通过比较相邻网格的高程确定各网格的流向，根据各网格的坡度、糙率和土壤等情况确定参数，将其径流演算到流域出口断面得到流域出口断面的径流过程。模型的参数由地形、地貌数据结合实测历史洪水资料率定得到。

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        分布式流域水文模型的研究和应用，需要雷达测雨、遥感、地理信息系统、数值计算和计算机等技术的支撑：雷达测雨技术能观测到流域内各网格的降雨量；遥感技术是获得地形、地貌等数据的有效途径之一；有效地使用和管理地形、地貌数据，并根据空间与数据属性生成更多的有用信息离不开地理信息系统；对流域产汇流计算的偏微分方程求解需要数值计算法，同时实现这些计算离不开高性能的计算机。依据三峡地区的地形地貌特征，采用基于GIS 的分布式水文模型来模拟区间洪水过程，以尽量减小洪水预报中的不确定性。研究表明，降雨信息缺失是洪水预报不确定性的主要来源，尤其是在雨量站稀疏的山区，雨量站观测的降雨信息难以充分表征降雨空间变化。
        2.3水箱模型
        水箱模型又称坦克（T a n k）模型，也称黑箱模型，属于概念性水文模型，是日本水文学者菅原正已于20世纪50年代创建、60年代初正式提出的著名流域水文模型。该模型具有概念简单、计算方便、结构组合灵活等特点。通过水箱的串、并联可以构成多层并列水箱模型，可以模拟多种水源，对于水源组成较复杂的流域可能获得较好的模拟预报精度。它是通过模拟降雨的径流过程来计算径流；在我国南方，该模型的使用有显著的程序，但在北方仅作为预报洪水模拟使用。目前有关水箱模型的应用研究多是基于中小流域。
        2.4 TOPMODEL模型
        TOPMODEL（topgraphy based hydrological model）是一个基于地形的半分布式流域水文模型，在1979 年首先由英国学者 Beven 和 Kirkby 提出。该模型结构简单，参数较少，而且参数具有明确的物理意义，应用时仅需 DEM 和基本的水文资料，在国内中小流域洪水预报方面得到了广泛的应用。该模型以地形指数来反映水文现象，假设流域内若地形指数相同则具有相同的水文过程。通过其空间变化来模拟地表或地下饱和水源变动产流面积，TOPMODEL模型汇流计算采用类似等流时线法的汇流方式，可适用于缺资料或无资料流域水文预报。
        3 存在的不足与今后研究的方向
        纵观我国洪水预报模型技术的研究史，可以看出我国洪水预报模型技术研究起步较晚。结合我国流域划分的不平衡、南北差异性大等特点，在水文模型洪水预报精度上仍存在一些不足和需要努力的方向。
        洪水预报的方法有很多，较简单的方法如降雨-径流相关、推理公式，而水文模型是其中复杂的一种，水文模型只是对自然界原型的近似，因此本身的结构、参数都存在不确定性。水文模型需要的输入数据，比如降水、气温、蒸发等要素的测量也存在不确定性，因此，模型的精度并非完美。随着水文信息化、自动化的程度越来越高，基于分布式水文模型的中小河流洪水预报技术也将不断发展完善，中小河流的洪水预报工作将会变的更容易、快捷、实用。实时洪水预报不同于历史水文模拟，因为它存在一项关键技术：误差修正，此外，实时洪水预报依赖于功能比较完善的平台支撑，并非一个简单的模型程序就能满足要求。
        国内比较常用的模型譬如新安江模型、陕北模型，经过许多实践检验，是可以应用于我国大部分地区洪水预报。以新安江模型为例，它能用于不同的流域，是因为它的参数可变，可以适应不同的流域，适合于大多数湿润地区，对于干旱地区就不行了。人类对下垫面的改造直接或间接影响水循环过程，都深刻影响着水文模型的适用性，比如土地利用的变化、水库的蓄丰补枯、水土保持、农业灌溉等，这些过程还很难用严格的数学物理表达式反映到模型中。因此，当在受环境变化影响比较显著的地区适用模型时，可能就会面临一些问题。
        新技术的出现给水文模型的发展带来了新的活力，尤其是以计算机和信息技术为主导的新技术，使传统的水文模型正向着自动化、网络化、无线化、精准化的方向发展，提高了人类对水文系统的观测能力。随着计算机技术的不断发展，很多水文模型和GIS、RS技术的结合在水文科学中的广泛使用，将为洪水预报可靠性、精准性，提供了保障。
        参考文献：
        [1] 徐宗学，等.水文模型[M].北京：科学出版社，2009.
        [2] 张波，马得莲，包为民，陈翔，等.新安江模型在富水水库流域洪水预报中的应用[J].水电能源科学，2010，28（4）：49-51.