水文预报不确定性研究

水文预报不确定性研究

【摘要】水文预报是一种对未来水文情况做出的科学预测并发布预报的技术和作业，服务于国民经济、防洪调度等领域。目前，我国已经开展的预报服务项目有洪水水位与流量、枯水水位与流量、含沙量、各种冰情、水质等。尤其是对灾害性水文现象做出的预测，对降低洪涝灾害的危害性、保护人们生命的安全性、降低国民经济损失有着重要的作用。但是水文预报始终存在着不确定性，无疑影响着水文预报工作的质量和准确性。本文对水文预报不确定性进行了分析。

【关键词】水文预报；防洪调度；不确定性决策

0.概述

从20世纪60年代起，我国水文预报领域就应用了水情自动测报系统、现代控制理论等理论和技术。直至今日，随着计算机技术及相关专业技术快速发展，我国水文预报工作的精度和预见性得到了显著提高。但是对于一些突发性事件（暴雨等）往往却不能保证预报工作的精度和预见性，无法满足防洪减灾对预报信息的需求。对于一些突发性事件，水文预报之所以存在一定的不稳定性，预报精度不足，除了与理论基础不足、水文模型缺陷和计算偏差等有关外，最主要的原因在于预测员对水文预报固有的不确定性分析不足，有时甚至忽略不计。从自然角度考虑，洪水的发生过程是一个复杂的动态过程，既与气象因素有关又与地理因素有关；还与防洪工程体系密切相关。技术角度分析，水文预报运用了许多的水文模型和参数，通过对输入、输出的水文、气象、地理等信息数据的分析和解释，给予专家的预报工作提供科学的依据。无论是洪水发生的过程还是水文预报的过程，都有着一定的复杂性，且易受一些客观因素影响，造成了水文预报的不确定性。倘若不能客观考虑水文预报的不确定性，就进行水文预报工作并不合理，也不科学。从我国开展水文预报工作以来，我国先后应用了3种确定性洪水预报系统，但是确定的形式制约了对不确定信息数据的分析与利用，以致水文预报的结果缺乏足够的精度。一旦预测结果不可靠、不精确，可能造成严重的损失和巨大的后果。对此，有必要研究一个精度高、预见性好的水文预报系统，以准确分析水文预报中的不确定性因素及其对预报工作的影响。

1.水文预报不确定性研究进展

1.1水文现象不确定性研究及其进展

从当前来看，水文现象不确定性的研究方法主要有随机法和模糊法。我们之所以要进行水文预报不确定性研究，主要目的在于揭示水文现象的变化规律，研制合理的水文模型，探讨水文现象不确定性与随机性、模糊性之间的关系，以便从根本上消除水文现象不确定性与随机性、模糊性之间的鸿沟。下面对随机不确定性和模糊不确定分别进行了简要分析。

随机不确定性。水文是一种自然现象，想要精确地描述其运动规律，将其解

释清楚，是比较困难的。但是为了最大程度的准确掌握水文现象的规律和变化特点，并将其精准表述出来，最为恰当的方法就是把随机数学的理论与实际问题的物理过程紧密联系起来，提出了相空间预测法，对水文现象的确定性和随机性进行辩证统一的分析。例如，龙羊峡水库、葛洲坝等地都使用了相空间预测法，预测结果令人相当满意。

模糊不确定性。一些专业人士认为水文水资源系统中许多概念的外延存在着不确定性，并把它们规划为是一种典型而客观的模糊现象。为此，基于模糊数学提出了“模糊水文学”概念，同时创造了一种模糊分析法以研究水文现象的不确定性。这一种方法既具备传统方法的功能，也客服了预测因子的随机性所带来的困扰。

1.2概率水文预报研究进展

美国国家气象局基于贝叶斯理论研发了一个综合概率水文气象预报系统，该系统最大的优势就在于综合考虑了各方面的不确定性，并用函数的形式将水文预报的不确定性客观描述出来，并发布水位预报，以便满足防洪减灾、水库调度、船舶运行等对水文信息的精确性要求。近些年，随着新理论、新技术在水文预报领域中的应用越来越多，概率水文气象预报系统得到了长足发展。目前，我国概率水文预报方法主要有卡尔曼滤波法、随机模拟、贝叶斯方法等，方法多种多样，形式灵活多变。鉴于贝叶斯概率水文预报方法的实用性和先进性，我国用贝叶斯方法吸收径流本身和预测模型等多种信息，并将二者有机结合在一起，以综合分析其中存在的多种不确定性因素。结果证明，这样的方式既可以进行有效预测，也可以对模型进行客观而全面的评价，进而获得有用信息。

1.3水文模型

水文模型是是自然系统的抽象，真实世界的概化，是符号的综合体，是自然系统或部分自然系统的符号化，是数学模型用数学语言将自然现象符号化的的水文学应用，是为了模拟水文现象而建立的实体结构和数学结构与逻辑结构。我们通过分析它、研究它来获得某地区水文的具体信息。对用户而言，水文模型主要包括两大块，即水文学核心知识和技术外壳。所谓的水文学核心知识就是关于水文学的各种定义，以及水情的各种描述。发展至今，水文模型类型已是多种多样。按照建模角度分为集总式水文模型和分布式水文模型；按照建模手段分为物理模型（实体模型）、电子模型、数学模型。在信息技术快速发展的情况下，水文数学模型成为了水文预报领域中应用的最为广泛和深入的一种水文模型。进一步细分的话，水文数学模型可分为概率模型、随机模型、线性模型和非线性模型等。其中基于概率模型建立起来的概率水文预报方法的应用最为广泛。由于每一种水文模型都有着一定的局限性，一些学者尝试通过两种或多种模型去研究水情，以期更为准确地获得所需信息。

2.水文预报发展展望

从水文预报发展情况来看，概率水文预报方法是水文预报发展的主要方向之

一。其预报方法具备以下优势：（1）与传统的确定性水文预报方法相比，概率水文预报方法更加科学、合理，因为其容纳了不确定性现象的存在。（2）利于调整水文情况观测，使警报和预报的风险标准更加科学。（3）为预报员提供科学、可靠的决策依据，将最终的决策权交给预报员，使预报和决策之间实现了有机耦合。由于洪水灾害是人类面临的危害性最大的自然灾害之一，人们对水文预报信息的精确性和可靠性有着最为迫切的需求。这为水文预报不确定性研究工作既带来了挑战也带来了发展机遇。因此，可做出以下5项分析：（1）加强水文预报机理研究，例如，研发分布式流于水文模型，对不同时间和空间的水文循环做一个更为深刻的研讨。（2）通过天气预报、气象卫星等技术对降水进行定量预报，以解决不同时间、空间尺度的相容性问题，并设法提高天气预报的精确性并延长预见性。（3）进一步健全水情自动测报系统，提高水情预报工作效率和质量，降低模型输入的观测与估计误差，为提高水文预报工作的精度奠定坚实基础。（4）试图将概率水文预报引入作业预报系统中，并及时发布水文风险信息，让用户自己做出判断。

3.结论

据调查，洪水灾害在所有自然灾害中居首位，世界各地每年都会遭受不同程度的洪水灾害侵害。为了降低洪水灾害的危害性、降低损失，应进一步提高水文预报的精确性和可靠性，以提高水文预报工作质量，加强水文预报工作研究，进一步提高水情预报精度、延长预报预见性，只有这样才能为防洪减灾方案的制定提供可靠的依据，以便有效应对各种突发的洪水灾害。

【参考文献】

[1]张洪刚，郭生练，何新林，李超群.水文预报不确定性的研究进展与展望[J].石河子大学学报：自然科学版，2006，24（01）：15-21.

[2]王文，马骏.若干水文预报方法综述[J].水利水电科技进展，2005，25（01）：56-60.