于利超，王傳平

（1.長(zhǎng)春市新立城水庫(kù)管理中心，吉林 長(zhǎng)春 130119；2.松遼委水文局嫩江水文水資源中心，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

洪水是自然災(zāi)害中最為常見(jiàn)和具有危害性的一種。有效的洪水預(yù)警與管理可以減少洪災(zāi)帶來(lái)的損失，保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。水文模型是洪水預(yù)警與管理中不可或缺的工具之一，它能夠模擬水文過(guò)程、預(yù)測(cè)洪水發(fā)生和演變的趨勢(shì)。然而，目前模型的精度和可靠性有待改進(jìn)，模型數(shù)據(jù)的獲取和處理面臨著一定的挑戰(zhàn)。本文旨在研究水文模型的應(yīng)用與改進(jìn)，以提高洪水預(yù)警與管理的效果。

1 水文模型在洪水預(yù)警與管理中的重要性

水文模型是用于研究和預(yù)測(cè)水文過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，它通過(guò)對(duì)水文過(guò)程進(jìn)行分析和建模，利用氣象、水文觀測(cè)數(shù)據(jù)等信息，預(yù)測(cè)河流在不同時(shí)段內(nèi)的水位、流量和水質(zhì)等參數(shù)的變化。因此，水文模型在洪水預(yù)警與管理中具有非常重要的作用和價(jià)值。

1）水文模型能夠通過(guò)模擬水文過(guò)程，預(yù)測(cè)洪水的發(fā)生、發(fā)展趨勢(shì)和可能的影響范圍，幫助決策者制定出及時(shí)有效的應(yīng)對(duì)措施，如疏散人員、調(diào)動(dòng)救援力量、加強(qiáng)防洪工程建設(shè)等，能夠最大程度地減少洪水對(duì)人類生命和財(cái)產(chǎn)的損失。

2）水文模型可以為洪水預(yù)警與管理系統(tǒng)提供決策支持。通過(guò)模擬不同的洪水情景和預(yù)測(cè)結(jié)果，決策者可以更好地了解洪水的潛在風(fēng)險(xiǎn)和可能的影響，從而制定出合理的應(yīng)對(duì)策略和緊急預(yù)案。

3）水文模型可以優(yōu)化洪水管理策略和措施，評(píng)估不同洪水管理方案的效果，包括洪水防御工程、搶險(xiǎn)救援措施和城市規(guī)劃等，以提高洪水管理的效率和效果。例如，在城市規(guī)劃中，水文模型可以評(píng)估不同的排水設(shè)計(jì)方案，以確保城市能夠在洪水來(lái)襲時(shí)保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 存在的問(wèn)題

2.1 模型精度不足

1）降雨數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)空分辨率是模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。降雨觀測(cè)站點(diǎn)有限且分布不均勻，可能導(dǎo)致模型無(wú)法準(zhǔn)確捕捉到局部降雨變化，進(jìn)而影響洪水預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。降雨數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔較長(zhǎng)或空間分布不均勻，模型可能無(wú)法準(zhǔn)確地捕捉到降雨的時(shí)空變化，從而影響洪水預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

2）土壤和地形數(shù)據(jù)的獲取和更新對(duì)模型的精度產(chǎn)生重要影響，因此，在建立水文模型時(shí)需要準(zhǔn)確的土壤和地形數(shù)據(jù)。由于土壤類型和地形特征的復(fù)雜性，模型在參數(shù)估計(jì)和校正時(shí)可能存在困難，從而影響預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。土壤和地形數(shù)據(jù)長(zhǎng)期未更新或不準(zhǔn)確，模型將無(wú)法準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，也會(huì)影響洪水預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

3）模型結(jié)構(gòu)的選擇和假設(shè)會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)精度產(chǎn)生影響。不同的水文模型結(jié)構(gòu)可能對(duì)不同的地區(qū)和降雨事件適用性不同。選擇合適的模型結(jié)構(gòu)需要考慮多個(gè)因素，如流域特征、觀測(cè)數(shù)據(jù)可用性和模型復(fù)雜性等。

2.2 數(shù)據(jù)不完備

洪水預(yù)警與管理需要大量的氣象和水文數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)的獲取面臨著觀測(cè)站點(diǎn)不足、觀測(cè)設(shè)備老舊等問(wèn)題，導(dǎo)致氣象數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率和準(zhǔn)確性不夠；水文數(shù)據(jù)的獲取也受到地形和人類活動(dòng)等因素的影響，如水位觀測(cè)站點(diǎn)的不足和分布不均勻，導(dǎo)致水文數(shù)據(jù)的精度和覆蓋范圍有限。

2.3 模型不確定性

水文過(guò)程涉及到多個(gè)因素的相互作用，如降雨量、土壤類型、地形特征等，這些因素之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系，難以準(zhǔn)確描述和模擬；其次，水文模型的參數(shù)估計(jì)和結(jié)構(gòu)選擇也存在一定的主觀性，這可能導(dǎo)致不同人或團(tuán)隊(duì)對(duì)同一問(wèn)題得出不同的結(jié)論。

3 改進(jìn)措施

3.1 數(shù)據(jù)同化技術(shù)

觀測(cè)數(shù)據(jù)可以直接反映水文過(guò)程的狀態(tài)和變化，但觀測(cè)數(shù)據(jù)通常有限，空間分布不均勻，且可能受到誤差和不確定性的影響[1]；數(shù)值模型可以基于物理方程和參數(shù)估計(jì)來(lái)模擬水文過(guò)程，具有高時(shí)空分辨率和可控性，但其預(yù)測(cè)結(jié)果可能存在偏差和誤差，數(shù)據(jù)同化技術(shù)的核心是融合觀測(cè)數(shù)據(jù)和模型模擬結(jié)果，充分利用兩者的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)彼此的不足。數(shù)據(jù)同化技術(shù)的實(shí)施步驟：建立數(shù)值模型并進(jìn)行模擬，得到初始的模擬結(jié)果；獲取實(shí)測(cè)觀測(cè)數(shù)據(jù)，并將其與模擬結(jié)果進(jìn)行比較；通過(guò)統(tǒng)計(jì)或優(yōu)化方法，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，包括參數(shù)的估計(jì)、模型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等；重新運(yùn)行模型，并將調(diào)整后的模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以評(píng)估模型的改進(jìn)效果。

數(shù)據(jù)同化技術(shù)的應(yīng)用可以有效提高水文模型的預(yù)測(cè)精度，彌補(bǔ)模型在描述復(fù)雜水文過(guò)程上的不足，提高模型的可靠性和適用性。此外，數(shù)據(jù)同化技術(shù)還可以提供與觀測(cè)數(shù)據(jù)一致的模擬結(jié)果，為決策者和應(yīng)急機(jī)構(gòu)提供更準(zhǔn)確、可靠的洪水預(yù)警和管理信息，有助于減少洪水對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)的危害。

3.2 模型參數(shù)優(yōu)化

模型參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)是使模型的模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)情況盡可能接近，提高模型的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，可以調(diào)整模型的描述能力，使其更好地反映水文過(guò)程中的復(fù)雜性和不確定性，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)洪水、水文變量等關(guān)鍵水文指標(biāo)，為決策者提供可靠的信息支持。模型參數(shù)優(yōu)化的過(guò)程：1）確定待優(yōu)化的參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)。參數(shù)是模型中影響水文過(guò)程的可調(diào)整量，目標(biāo)函數(shù)用于衡量模型的擬合程度，通常采用誤差函數(shù)來(lái)表示模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)的差異。2）選擇合適的優(yōu)化算法。常用的優(yōu)化算法包括梯度下降法、遺傳算法、粒子群算法等。3）運(yùn)行優(yōu)化算法。根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，不斷調(diào)整參數(shù)值，直至達(dá)到最優(yōu)解或收斂條件。4）根據(jù)優(yōu)化得到的參數(shù)組合重新運(yùn)行模型，并將模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和評(píng)估。

模型參數(shù)優(yōu)化在水文學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。如通過(guò)優(yōu)化降雨-徑流模型參數(shù)，可以提高模型的適應(yīng)性和預(yù)測(cè)精度，從而更準(zhǔn)確地模擬流域的徑流過(guò)程。在水資源管理中，通過(guò)優(yōu)化水文模型的參數(shù)，可以更準(zhǔn)確地評(píng)估水資源的可利用性和水量分配策略[2]。在洪水預(yù)警系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以提高洪水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，幫助應(yīng)急機(jī)構(gòu)做出科學(xué)有效的決策和應(yīng)對(duì)措施。

3.3 模型集成

模型集成的目標(biāo)是通過(guò)組合不同模型的優(yōu)勢(shì)，提高洪水預(yù)報(bào)的可靠性和準(zhǔn)確性。通過(guò)綜合多個(gè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，可以彌補(bǔ)單個(gè)模型在描述復(fù)雜水文過(guò)程上的不足，提高模型的適用性和預(yù)測(cè)精度。此外，模型集成還可以提供更加全面和可靠的洪水預(yù)報(bào)信息，為決策者和應(yīng)急機(jī)構(gòu)提供更好的決策依據(jù)。模型集成步驟：選擇適當(dāng)?shù)乃哪Ｐ?，不同的模型可能具有不同的描述能力和適用性，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的模型進(jìn)行組合；對(duì)每個(gè)模型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和評(píng)估，保證各個(gè)模型的預(yù)測(cè)能力和準(zhǔn)確性；選擇合適的集成方法，常用的集成方法包括加權(quán)平均法、模型堆疊法、貝葉斯模型平均法等；將各個(gè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行匯總，得到最終的洪水預(yù)報(bào)結(jié)果[3]；根據(jù)集成結(jié)果進(jìn)行誤差評(píng)估和調(diào)整，不斷優(yōu)化模型集成效果。

4 結(jié)語(yǔ)

上文研究了水文模型在洪水預(yù)警與管理中的應(yīng)用與改進(jìn)，通過(guò)改進(jìn)模型精度、數(shù)據(jù)同化技術(shù)和模型集成等方法，可以提高洪水預(yù)警與管理的效果。然而，模型數(shù)據(jù)的獲取和處理仍存在一定困難，水文過(guò)程的復(fù)雜性和不確定性導(dǎo)致水文模型參數(shù)的不確定性，未來(lái)的研究可以進(jìn)一步探索這些問(wèn)題，并尋求更加有效的解決辦法。