中小河流洪水預(yù)報預(yù)警問題與對策及關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

劉志雨，劉玉環(huán)，孔祥意

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.水利部信息中心(水利部水文水資源監(jiān)測預(yù)報中心)，北京 100053)

受季風(fēng)氣候和地理因素的影響，我國洪水災(zāi)害頻發(fā)。由于致災(zāi)因素多、涉及面廣、損失大，洪水災(zāi)害一直以來是我國各類自然災(zāi)害防御中的重中之重，這也促進(jìn)我國洪澇災(zāi)害防御治理水平不斷提高。自1949年中華人民共和國成立以來，我國先后開展了淮河、黃河、長江等大江大河的治理與防洪減災(zāi)工作，取得了巨大成就，顯著提高了防御洪水災(zāi)害的能力[1]。

近年來，中小河流洪災(zāi)頻繁發(fā)生，已經(jīng)成為我國洪澇災(zāi)害損失的主體與防災(zāi)減災(zāi)體系中的薄弱環(huán)節(jié)[2-4]。中小河流洪水防控與應(yīng)急管理要求實現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)報、及時預(yù)警、科學(xué)調(diào)度和有效處置。目前，我國中小河流局地突發(fā)性強降雨的預(yù)測預(yù)報能力不強，短歷時洪水預(yù)報預(yù)警整體水平不高，防洪工程調(diào)度困難，應(yīng)急處置技術(shù)體系薄弱，難以滿足洪水防控和應(yīng)急管理的需求。不同水文氣象分區(qū)產(chǎn)匯流條件差異大、人類活動導(dǎo)致下墊面變化劇烈、實時監(jiān)測信息不足，是中小河流預(yù)報精度低、調(diào)度處置難的主要原因[5-7]。

目前，國內(nèi)外常用的中小河流預(yù)報預(yù)警方法有兩種，一為基于分布式水文模型的山洪預(yù)報預(yù)警，如意大利的TOPKAPI模型[8-9]、美國的分布式水文模型山洪預(yù)報系統(tǒng)(HEC-HMS)[10]；二為基于動態(tài)臨界雨量的山洪指導(dǎo)，如劉志雨等[11]基于前期影響雨量指數(shù)(API)提出的動態(tài)臨界雨量法以及美國水文研究中心研制的FFG系統(tǒng)[12]。此外，對具有一定水文系列資料的小流域常采用經(jīng)驗方法，如，根據(jù)歷史上本地區(qū)區(qū)內(nèi)中、小流域特大暴雨條件下的流域面積-量-峰關(guān)系的整理與應(yīng)用，或依據(jù)本流域觀測資料建立降雨總量與洪峰相關(guān)的預(yù)報預(yù)警方案[13]。隨著精細(xì)化模擬、信息技術(shù)、人工智能等技術(shù)快速發(fā)展，開展中小河流高時空分辨率降雨估算與預(yù)報、洪水精細(xì)與智能實用預(yù)報、風(fēng)險分析與應(yīng)急處置等研究和應(yīng)用為洪水防控與應(yīng)急管理提供了新途徑。

本文介紹我國中小河流洪澇災(zāi)害基本情況，分析中小河流洪水防御中的重點難點及亟須解決的科學(xué)技術(shù)問題，針對防汛薄弱環(huán)節(jié)和短板，提出了中小河流洪水預(yù)報預(yù)警的對策與措施，總結(jié)了國家重點研發(fā)計劃項目“中小河流洪水防控與應(yīng)急管理關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”成果在2020年我國洪水防御中的示范應(yīng)用，展望了今后洪水影響預(yù)報、風(fēng)險預(yù)警、網(wǎng)格精細(xì)化風(fēng)險管理等理念創(chuàng)新實踐，以期為全國中小河流洪水預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)的開展提供參考。

1 我國中小河流洪水災(zāi)害基本情況

我國中小河流眾多，根據(jù)第一次全國水利普查成果，全國流域面積在50 km2以上的河流共45 203條，覆蓋了85%的城鎮(zhèn)及廣大農(nóng)村地區(qū)，其中流域面積3 000 km2以上的主要河流有719條，200～3 000 km2的中小河流9 956條。中小河流流域面積小，流域內(nèi)一般建有水庫、塘壩等水利工程，洪水主要由局地短時強降雨引發(fā)，暴雨洪水突發(fā)性強，洪水陡漲陡落，屬于突發(fā)性洪水。近年來，我國中小河流洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，已成為洪澇災(zāi)害損失的主體[5]。據(jù)統(tǒng)計，一般年份中小河流洪澇災(zāi)害損失約占全國洪澇災(zāi)害的70%，導(dǎo)致的傷亡人數(shù)約占80%(圖1)，集中反映出中小河流是我國防災(zāi)減災(zāi)體系的薄弱環(huán)節(jié)。近年來極端天氣事件增加，人類活動影響加劇，局地強降水造成中小流域突發(fā)性洪水頻發(fā)重發(fā)。2020年，太湖、長江、淮河、松花江先后發(fā)生流域性洪水，多地多條中小河流發(fā)生超歷史洪水。

圖1 2000年以來我國中小河流歷年洪澇災(zāi)害損失Fig.1 Loss map of small and medium-sized river flood disasters over the years since 2000 in China

保障中小河流防洪安全，是我國防洪體系建設(shè)中突出重要且又艱巨的任務(wù)。黨中央、國務(wù)院高度重視中小河流治理，2010年起，國家先后啟動了全國山洪災(zāi)害防治縣級非工程措施、全國中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)項目，旨在提高我國山洪災(zāi)害和中小河流洪水災(zāi)害防御能力。但是，由于中小河流分布較廣、治理覆蓋面較小、防洪基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、中小型水庫泄洪能力有限等，中小河流防洪治理瓶頸難以在短期內(nèi)突破，亟須加強水文監(jiān)測預(yù)報預(yù)警等非工程措施建設(shè)[14]。

2 中小河流洪水預(yù)報預(yù)警的難點與對策

2.1 中小河流洪水預(yù)報預(yù)警的業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

經(jīng)過多年建設(shè)，我國中小河流水文監(jiān)測體系已初步建立，中小河流洪水預(yù)報預(yù)警也進(jìn)入起步階段，但與新時代防災(zāi)減災(zāi)需求仍有較大差距。

a.小河流水文監(jiān)測體系初步建立。2011年，啟動實施中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)項目，5 186條流域面積200～3 000 km2有防洪任務(wù)的重點中小河流水文監(jiān)測覆蓋率由28%提高到100%。雨量站、水位站基本實現(xiàn)自動在線監(jiān)測、實時傳輸和自動測報，但水文站流量測驗大部分仍采用傳統(tǒng)方式。依托水文信息中心站，實現(xiàn)中小河流雨水情信息30 min內(nèi)到達(dá)各級水文信息中心，各地信息暢通率超過95%。

b.中小河流洪水預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)初步開展。受中小河流流域特性和水文測報手段所限，目前中小河流洪水預(yù)報預(yù)見期和精度很難滿足防汛要求，以洪水預(yù)警為主。在中小河流洪水預(yù)報方面，通過中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)項目建設(shè)，5 800多條中小河流建設(shè)了洪水預(yù)報預(yù)警軟件，提高了水文斷面洪水作業(yè)預(yù)報計算機(jī)化水平，初步建立了省、市、縣三級中小河流洪水預(yù)報體系，開展了200 km2以上有重點防洪任務(wù)的中小河流洪水預(yù)報業(yè)務(wù)工作。在中小河流洪水預(yù)警方面，組織各級水文部門開展中小河流洪水預(yù)警指標(biāo)研究，廣東、廣西、湖南等省(區(qū))開展了中小河流的洪水預(yù)警社會化發(fā)布工作。

c.中小河流降雨預(yù)報精度不高，難以滿足洪水預(yù)報需求。中小河流洪水預(yù)報需要分水系、分時段、高時空分辨率、定量化面雨量預(yù)報產(chǎn)品，目前氣象部門共享的降水預(yù)報產(chǎn)品主要針對公共服務(wù)，對洪水預(yù)報的流域水系特性考慮不足、耦合性不強。目前，強降雨預(yù)報主要依據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報，降雨過程、影響的范圍和時間的把握相對較好，但暴雨中心的落區(qū)、量級以及影響的準(zhǔn)確時段的預(yù)報難度還較大；氣象部門共享的數(shù)值降水預(yù)報存在時空分辨率不高(逐6 h、5 km×5 km)、準(zhǔn)確率低(24 h暴雨預(yù)報準(zhǔn)確率為20%左右)、氣象水文等多源信息融合不夠等問題[15]。

d.中小河流洪水預(yù)報預(yù)警方案不成熟，工作難度大。多數(shù)中小河流測站設(shè)立時間較短，缺乏足夠長的暴雨洪水資料進(jìn)行參數(shù)率定，基于有限雨水情資料構(gòu)建的預(yù)報方案難以全面反映洪水運動規(guī)律，方案精度不高。中小河流點多面廣，集水面積小，產(chǎn)匯流時間短，洪水陡漲陡落，洪水防御對預(yù)報精度及時效性要求較高。目前，缺乏面向洪水防御的水利降雨數(shù)值預(yù)報模式，現(xiàn)有的降雨預(yù)報時空分辨率和精度難以滿足中小河流洪水預(yù)報需求，傳統(tǒng)的洪水預(yù)報方法不能適應(yīng)資料短缺地區(qū)的洪水預(yù)報需要，預(yù)報難度大。中小河流洪水預(yù)警指標(biāo)體系不健全，工作責(zé)任體系不完善。目前，多數(shù)中小河流缺乏警戒水位、保證水位等防洪特征值，預(yù)警對象及范圍不明確，責(zé)任體系尚未建立。

2.2 中小河流洪水預(yù)報預(yù)警的技術(shù)難點

中小河流洪水防御包括監(jiān)測預(yù)報、風(fēng)險預(yù)警、防洪調(diào)度、應(yīng)急處置等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。監(jiān)測預(yù)報的重點在北方地區(qū)、水文資料短缺地區(qū)，難點在提高預(yù)報精度、延長預(yù)見期。風(fēng)險預(yù)警要點在預(yù)警時效性，難點在快速有效預(yù)警。防洪調(diào)度的重點在智能高效調(diào)度，難點在聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。應(yīng)急處置的重點是精準(zhǔn)有效處置，難點在網(wǎng)格精細(xì)化風(fēng)險管理。我國中小河流洪水預(yù)報主要有以下幾方面的技術(shù)難點[16]：

a.洪水預(yù)報制作時間難以把握。中小河流洪水常常發(fā)生在夜間，傳統(tǒng)洪水預(yù)報以人工制作為主，難以適應(yīng)工作要求，宜采用基于水文模型的自動預(yù)報預(yù)警為主。

b.洪水預(yù)報方案精度不高。由于中小河流大多位于水文監(jiān)測資料短缺的山丘區(qū)，傳統(tǒng)基于歷時場次洪水的經(jīng)驗預(yù)報方法，或基于連續(xù)水文資料的流域水文預(yù)報模型難以有效應(yīng)用，亟待研究應(yīng)用分布式水文物理模型。干旱半干旱區(qū)超滲產(chǎn)流理論和預(yù)報模型存在不足，中小河流洪水預(yù)報精度不高，需要加強下墊面變化下產(chǎn)匯流響應(yīng)機(jī)理、產(chǎn)匯流過程空間相似規(guī)律與參數(shù)推衍方法的研究[6，17]。

c.洪水預(yù)報預(yù)見期短。中小河流洪水歷時通常在2～12 h，傳統(tǒng)基于2～6 h報汛時段的預(yù)報方法很難對其進(jìn)行有效的預(yù)報，需要縮短報汛時段(10 min、30 min、1 h)。通過應(yīng)用氣象水文預(yù)報耦合技術(shù)，可以延長洪水預(yù)報預(yù)見期，需要提升臨近(0～2 h)、短時(2～12 h)定量降水預(yù)報精度。

d.洪水預(yù)報精度評定無規(guī)范可依。中小河流洪水因其突發(fā)性強、匯流時間短，常屬突發(fā)性洪水。現(xiàn)有GB/T 22482—2008《水文情報預(yù)報規(guī)范》規(guī)定，對突發(fā)性洪水預(yù)報可不作精度評定，但這難以適應(yīng)當(dāng)前防汛工作的實際需要。

2.3 中小河流洪水預(yù)報預(yù)警的對策與措施

在梳理了中小河流水文監(jiān)測預(yù)報預(yù)警有關(guān)情況現(xiàn)狀、存在問題的基礎(chǔ)上，下一步要大力加強水文監(jiān)測現(xiàn)代化建設(shè)，補齊水文站網(wǎng)，增強監(jiān)測能力，提升預(yù)報預(yù)警技術(shù)水平，整體推進(jìn)水文監(jiān)測預(yù)報預(yù)警體系全面現(xiàn)代化。近年來，隨著精細(xì)化水文氣象預(yù)報、信息融合、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)快速發(fā)展，開展中小河流多尺度監(jiān)測、高時空分辨率降水量估算與預(yù)報、精細(xì)化分布式水文預(yù)報模型構(gòu)建、降水智能預(yù)報與風(fēng)險預(yù)警評估等成為可能，這將逐步提高中小河流洪水預(yù)報精準(zhǔn)度和洪水防御能力，進(jìn)一步減少災(zāi)害損失。

a.充實完善水文站網(wǎng)。在重點防護(hù)區(qū)和重要防護(hù)目標(biāo)上游布設(shè)水文(位)站；按照滿足降水量與徑流轉(zhuǎn)化規(guī)律分析需要和洪水預(yù)報需求，加密布設(shè)雨量站，填補中小河流水文監(jiān)測站網(wǎng)空白。

b.推進(jìn)信息監(jiān)測立體化。基于衛(wèi)星、雷達(dá)、地面雨量站等多源監(jiān)測資料，利用大數(shù)據(jù)識別與融合同化技術(shù)，開展中小河流洪水災(zāi)害實時監(jiān)測，構(gòu)建流域致洪全過程監(jiān)測體系。采用地面自動測報、空天遙感、智能感知、物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星傳輸、無線寬帶網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)天、空、地一體化測報，形成了全面感知“一張網(wǎng)”。

c.發(fā)展氣象水文耦合預(yù)報模型。構(gòu)建高精準(zhǔn)、高時空分辨率實況與預(yù)報雨量場，建立面向中小河流域的無縫隙精細(xì)化智能網(wǎng)格降水預(yù)報，提高強降水預(yù)報精度?；跉v史降雨和洪水實測資料，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)、遙感分析、原型試驗和機(jī)理剖析，構(gòu)建不同水文氣象分區(qū)和下墊面條件下中小河流洪水分布式水文預(yù)報模型[18]。

d.建設(shè)中小河流洪水早期預(yù)警系統(tǒng)。采用數(shù)字流域、高性能計算、大數(shù)據(jù)分析、分布式水文模型等技術(shù)，建設(shè)集短臨強降雨預(yù)報、中小河流洪水早期識別、洪水影響預(yù)報和風(fēng)險預(yù)警[19]、高性能計算存儲設(shè)備于一體的全國中小河流洪水早期預(yù)警系統(tǒng)[20]。

e.開展中小河流預(yù)警指標(biāo)確定工作。開展流域下墊面情況調(diào)查，摸清防洪對象的基本情況，確定有防洪任務(wù)的中小河流河道警戒水位、保證水位等防洪特征值，設(shè)定中小水庫納雨能力等預(yù)警指標(biāo)，為開展中小河流洪水預(yù)警工作提供基礎(chǔ)支撐。

3 中小河流洪水預(yù)報預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

2020年汛期，我國發(fā)生了1998年以來最嚴(yán)重的汛情，長江、淮河、太湖、松花江等多個流域發(fā)生流域性洪水，全國共有26個省份836條河流發(fā)生超警以上洪水，超警河流較常年多8成，為1998年以來最多，其中269條超保證水位、78條超歷史水位，大多為中小河流洪水。面對嚴(yán)峻形勢，全國水文部門精準(zhǔn)測報，密切監(jiān)視，堅持完善“專班預(yù)報、聯(lián)合會商、滾動訂正”預(yù)報預(yù)警工作機(jī)制，累計發(fā)布1 184條河流1 933個斷面作業(yè)預(yù)報35萬站次，發(fā)布水情預(yù)警1 904次。

在2020年洪水防御過程中，國家重點專項“中小河流洪水防控與應(yīng)急管理關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項目組成員主動作為，推進(jìn)技術(shù)研發(fā)，強化科技支撐，服務(wù)防汛工作。項目研發(fā)的短時臨近精細(xì)化雨量預(yù)報場技術(shù)、精細(xì)化網(wǎng)格預(yù)報與智能化預(yù)報系統(tǒng)、網(wǎng)格化精細(xì)預(yù)報降雨徑流水文模型等關(guān)鍵技術(shù)[21]在我國南北方4個中小河流流域中得到示范應(yīng)用，并在國家級、省級、地市級氣象水文部門得到推廣應(yīng)用，取得滿意效果，為防汛救災(zāi)提供了有力的技術(shù)支撐。

3.1 短時臨近精細(xì)化雨量預(yù)報場技術(shù)

該技術(shù)基于多源信息融合的雨量實況場、雷達(dá)智能外推和GRAPES-3 km模式，通過最優(yōu)融合技術(shù)構(gòu)建逐分鐘級精細(xì)化網(wǎng)格降水實況，并利用多尺度光流法技術(shù)進(jìn)行分鐘級臨近降水預(yù)報，提供未來2 h逐10 min全國精細(xì)化降水預(yù)報。利用氣象水文耦合技術(shù)，將降雨數(shù)值預(yù)報結(jié)果和洪水預(yù)報結(jié)果進(jìn)行耦合，降雨預(yù)報精度提高了3%～5%，洪水預(yù)報的預(yù)見期從過去的1 d延長到3 d。該技術(shù)已經(jīng)于2020年4月正式成為中國氣象局精細(xì)化降水預(yù)報業(yè)務(wù)體系組成部分，并在汛期前正式落地國家級智能網(wǎng)格降水系統(tǒng)平臺并投入業(yè)務(wù)應(yīng)用，為突發(fā)性精細(xì)化降水的臨近預(yù)報提供技術(shù)支撐。

3.2 網(wǎng)格化精細(xì)預(yù)報降雨徑流水文模型技術(shù)

該技術(shù)針對我國不同水文氣象分區(qū)和下墊面中小河流產(chǎn)匯流過程的精細(xì)模擬需求，提出匯流過程中沿程水流再分配方法，基于“地表帶門檻水庫”和“地下帶門檻水庫”，建立了地表水工程與地下水超采雙重影響下定量化模擬方法。綜合考慮華北地區(qū)下墊面變化影響以及西北地區(qū)超滲產(chǎn)流的水文模型，研發(fā)的柵格新安江-海河模型、柵格蓄超動態(tài)組合模型和柵格蓄超動態(tài)組合-攔蓄模型，實現(xiàn)了對流域超滲產(chǎn)流和蓄滿產(chǎn)流的時空過程甄別和對地表水利工程攔蓄與地下水超采影響的精細(xì)刻畫，有效提高了半干旱半濕潤和人類活動影響較強地區(qū)的洪水模擬預(yù)報精度。采用考慮地表水工程與地下水超采雙重影響的模擬方法，實現(xiàn)應(yīng)用區(qū)域任意網(wǎng)格單元的精細(xì)預(yù)報，在河北清水河流域(位于河北保定，流域面積1 650 km2)洪量和洪峰模擬合格率均提高25%以上。

3.3 精細(xì)化網(wǎng)格預(yù)報與智能化預(yù)報技術(shù)

該技術(shù)通過精細(xì)化網(wǎng)格預(yù)報模型與智能化預(yù)報模型的形式集成到中小河流預(yù)報預(yù)警與智能調(diào)度平臺中，通過網(wǎng)格化流域預(yù)報，能夠預(yù)報流域內(nèi)任何一個地點的流量及水位。該平臺基于微服務(wù)的架構(gòu)支持眾多水文預(yù)報模型、降雨預(yù)報模型、調(diào)度模型以及風(fēng)險評估模型的集成，基于分布式計算提供精細(xì)化網(wǎng)格模型的快速高效計算，以支持實時的水文預(yù)報。集成了短臨降雨預(yù)報、土壤含水量模型、流域初始狀態(tài)計算模型、快速預(yù)警模型、集合預(yù)報、智能調(diào)度、風(fēng)險評估、應(yīng)急處置等功能，支持洪水預(yù)警、預(yù)報和風(fēng)險防控，應(yīng)用于中小流域洪水防控的完整業(yè)務(wù)流程。

2020年汛期，中小河流預(yù)警與智能調(diào)度平臺在安徽橫江、福建九龍江西溪、浙江富春江支流分水江、江蘇南京秦淮河、陜西渭河支流陳河等中小河流流域?qū)崟r預(yù)報中得到應(yīng)用，取得滿意效果。特別是在示范區(qū)橫江流域應(yīng)用，提前8 h準(zhǔn)確預(yù)報2020年“7·7” 特大洪水，洪峰預(yù)報誤差小于5%，實現(xiàn)了網(wǎng)格風(fēng)險的實時評估，保證了當(dāng)?shù)厝藛T安全轉(zhuǎn)移與應(yīng)急處置。

4 結(jié) 語

受氣候變化和人類活動的影響，我國中小河流洪水災(zāi)害頻發(fā)且嚴(yán)重，已引起各級政府和防汛部門的高度重視和社會的廣泛關(guān)注。中小河流洪水預(yù)報預(yù)警是防洪減災(zāi)的重要非工程措施之一，已成為跨氣象、水利與應(yīng)急處置領(lǐng)域的主要災(zāi)害風(fēng)險防控科學(xué)問題。深入踐行防災(zāi)減災(zāi)新理念，要求中小河流洪水防控與應(yīng)急管理實現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)報、及時預(yù)警、科學(xué)調(diào)度和有效處置。目前，我國中小河流洪水預(yù)報預(yù)警的時效性、預(yù)見期和精度尚不能完全滿足新時期洪水防御減災(zāi)工作的要求。立足我國現(xiàn)有技術(shù)條件，以水文監(jiān)測現(xiàn)代化建設(shè)為契機(jī)，補齊水文站網(wǎng)，增強監(jiān)測能力，提高洪水預(yù)報預(yù)警技術(shù)水平，確保中小河流發(fā)生洪水時能自動預(yù)報、實時預(yù)警，為保證人民生命財產(chǎn)安全提供技術(shù)保障，十分必要且非常迫切。

展望未來，通過研發(fā)中小河流洪水精細(xì)化與智能實用預(yù)報預(yù)警方法，創(chuàng)新風(fēng)險網(wǎng)格化管理技術(shù)，提升洪水防控的實時性、精準(zhǔn)度和智能化水平，我國中小河流洪水預(yù)報預(yù)警工作將堅持“大水文”發(fā)展理念，順應(yīng)大服務(wù)發(fā)展，實現(xiàn)由水文要素預(yù)報向洪水影響預(yù)報轉(zhuǎn)變，由基于防洪閾值的預(yù)警向洪水風(fēng)險預(yù)警拓展，由“預(yù)測-應(yīng)對”應(yīng)急處置向網(wǎng)格精細(xì)化風(fēng)險管理轉(zhuǎn)變，由監(jiān)測數(shù)據(jù)提供向信息產(chǎn)品服務(wù)延伸，由防汛抗洪向抗旱服務(wù)、城市防洪、水資源調(diào)度等方面拓展，由水利向農(nóng)業(yè)、交通、旅游等行業(yè)延伸，不斷推進(jìn)信息化，提高水文現(xiàn)代化發(fā)展水平。