專業(yè)委員會
【作者： 劉豐陽 余青容 宋成果 鄭 力 | 來源： 長江航運研究 | 發(fā)布日期： 2013年06月20 | 閱讀次數(shù)： 152 】 【選擇字號： 小 大 】
● 1 引 言
長江橫貫東西，通江達海，是連通我國東、中、西部地區(qū)的水運主動脈，對促進流域經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展發(fā)揮了重要作用，素有“黃金水道”之稱。為促進長江現(xiàn)代化水運體系的建設、全面提升服務長江航運的能力，長江航道局在“十二五”發(fā)展規(guī)劃中，明確提出“以多功能電子航道圖為基礎，全面建成長江干線數(shù)字航道，初步建成智能航道，基本實現(xiàn)長江航道現(xiàn)代化。”為了科學指導船舶合理配載，長江電子航道圖新增了一項重要服務內(nèi)容——長江干線7天水位滾動預測預報信息服務。為提升水位預測預報的精度，保障長江電子航道圖（2.0版）正常運行，長江航道規(guī)劃設計研究院組織開展了長江干線航道水位預測預報技術研究工作。
2 研究現(xiàn)狀
2.1 水文預報方法
水文預報是根據(jù)已知的信息(測驗或分析的信息)對未來一定時期內(nèi)水文要素的狀態(tài)做出定量或定性的預測。自上世紀50年代以來，中國的水文預報工作從無到有、由點到面迅速發(fā)展，在學習、吸收原蘇聯(lián)和美國的洪水預報方法的基礎上，逐步對不同區(qū)域的降雨徑流關系進行研究。隨著計算機技術在水文預報領域中的應用推廣和水文模擬技術水平的提高，中國在水文預報方法、預報系統(tǒng)建設和新技術應用等方面都有了很大的提高，目前，常用的預報方法可以劃分為物理成因分析方法、水文統(tǒng)計方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法和流域水文模型四大類。具體如下：
1.物理成因分析方法。河川徑流主要來源于大氣降水，與大氣環(huán)流有密切關系。一個流域或地區(qū)發(fā)生旱澇是與環(huán)流聯(lián)系在一起的。分析研究大氣環(huán)流與水文要素之間的關系一直是水文氣象工作者深入探討的課題。該方法主要是利用大氣等宏觀因子進行中長期水文預報，雖然方法可信度較高，但實施難度較大。
2.水文統(tǒng)計方法。通過水文資料的統(tǒng)計分析進行概率預測，從水文要素與預報因子之間尋找其統(tǒng)計規(guī)律進行預報。根據(jù)預報因子類別的不同，可分為兩類：第一類是單要素預報，即分析水文要素本身時序變化規(guī)律進行預報，如歷史演變法、周期疊加、平穩(wěn)時間系列、趨勢分析及隨機函數(shù)的分解等；第二類是多因子綜合預報，即分析要素與前期因子之間的統(tǒng)計相關關系，然后用數(shù)理統(tǒng)計法加以綜合，進行預報，如多元回歸分析、逐步回歸分析及多維序列等，這種方法的主要問題有如何合理選擇因子個數(shù)，解決擬合效果與預報效果不一致的矛盾；由于預報值是取各個因子數(shù)據(jù)的均值，難以預報出極大或極小值的水文現(xiàn)象。
①相應水位法。該方法是建立下游(本站)下一時段水位與上游前一時段水位的相關關系。為了提高預報精度，在有些河段，還需要其它要素的影響，如本站前一時段水位、上游總合成流量、區(qū)間平均降水量的影響。
②合成流量法。建立上游合成流量與下游流量或洪峰水位的相關關系。并通過預報下游流量再根據(jù)水位流量關系曲線推求水位。
③多要素合軸相關法。利用流域降雨總量、降雨歷時、降雨強度和起漲水位等因素作為參數(shù)建立降雨、上游水位和下游水位的相關關系，根據(jù)相關關系推求水位。
④水位(流量)漲差法。利用河道上下游水位或流量的漲落差建立相關關系推求水位。
⑤降雨徑流法。利用前期土壤含水量、漲洪段流量漲勢等因素作為參數(shù)直接建立降雨與洪峰流量的相關關系。
3.人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡是基于連接學說構造的智能仿生模型，是由大量神經(jīng)元組成的非線性動力學系統(tǒng)，具有并行分布處理、自組織、自適應、自學習和容錯性等特點。人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有很強的處理大規(guī)模復雜非線性動力學系統(tǒng)的能力，該方法的研究起源于20世紀40年代，90年代以來，許多學者將人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術應用到水文預報中。國外學者作了大量的研究和應用，美國土木工程師協(xié)會工程委員會和許多學者對此進行了總結和評論；近年來國內(nèi)已經(jīng)成功地將該方法應用于河道水流預報及流域產(chǎn)流產(chǎn)沙等方面。確定性水文預測的神經(jīng)網(wǎng)絡方法雖然白化能力具有最小熵優(yōu)勢，但存在一定的學習和泛化誤差，即無法覆蓋水文預測中的不確定性信息。此外，影響人工神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲結構的因素眾多，且參數(shù)優(yōu)選理論發(fā)展不甚完善也制約了人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型優(yōu)勢的發(fā)揮，使之在應用推廣方面遇到了一定的困難。
4.流域水文模型。中國地域廣闊，氣候多樣，包括濕潤、干旱、半濕潤和半干旱各種氣候條件。幾十年來，中國在引進、消化、吸收外國水文模型的基礎上，研制了一系列適合中國實際情況的流域水文模型。河海大學趙人俊教授團隊1973年研究提出的新安江模型是中國水文模型研究的代表成果。該模型在中國得到廣泛應用和不斷完善，并于1980年開始向國外介紹。當前，在水文作業(yè)預報中我國所采用的水文預報模型主要有中國自行研制的新安江模型、雙超產(chǎn)流模型、河北雨洪模型、姜灣徑流模型、雙衰減曲線模型等；從國外引進的模型主要有水箱、Sacramento、NAM模型和SMAR等模型，以及改進的國外模型M1，如連續(xù)API模型、SCLS模型等。今后水文模擬技術的進一步發(fā)展，應將重點放在干旱、半干旱地區(qū)和資料缺乏地區(qū)，加強研究這些地區(qū)的雨洪特性與徑流形成規(guī)律。
2.2 水位預報方法
目前水位預報中最常見的是汛期洪水預報。在實際防洪減災工作中，洪水預報是調(diào)度決策的重要依據(jù)，關系人民生命財產(chǎn)的安全和經(jīng)濟社會的穩(wěn)定發(fā)展，而發(fā)布的洪水預報將在很短的時間內(nèi)得到驗證，因此，洪水期水位預報是一項理論性強、應用要求高的工作。目前，河道中常用的水位預報方法主要有經(jīng)驗方法、水動力模型法、數(shù)理統(tǒng)計法等。經(jīng)驗方法主要是根據(jù)站點水位歷史實測數(shù)據(jù)以及當?shù)貧庀髼l件因素進行預測，此方法在氣象及上游水位不發(fā)生重大變化的條件下可信度較高；水動力模型法是利用河道地形、邊界水位和徑流條件、初始水位和徑流條件建立該河段數(shù)學模型，該方法模型建立時間較長，收集資料（降雨、大氣、流域情況等）較多，難以短時間實施；數(shù)理統(tǒng)計方法是通過水位資料的統(tǒng)計分析進行概率預測，從水位要素與預報因子之間尋找其統(tǒng)計規(guī)律進行預報。與河道中水位預報不同的是，感潮河段洪水過程受上游徑流和下游潮汐雙重作用，使感潮河段的水文情勢較為復雜，當上游發(fā)生大洪水，下游遭遇大潮頂托時易導致感潮河段水位劇升，防洪形勢嚴峻。感潮河段水位系列在時序上具有相依性、突變性和隨機性等復雜非線性特征，預報水位非常困難，感潮河段水位預報除上述介紹方法外，還要借助潮位站多年實測潮位資料及潮汐表進行預報。
3 長江干線航道水位預報方法
長江是我國第一大河，其水文預報的研究和應用較多，目前長江的水位預報主要是系統(tǒng)采取氣象模型（提供定量降雨預報）與水文、水力模型相結合的方法，同時結合經(jīng)驗分析，為長江主要站點提供實時洪水預報。航道部門水位預報與水利部門不同，為保障船舶安全通航，航道部門對枯水期要求精度較高，中洪水期要求精度相對較低。針對航道部門氣象資料、流域內(nèi)的的水量站、支流水文站資料缺乏的特點，長江干線航道水位預測主要依據(jù)測站的實測水位流量資料、氣象資料等先進行流量過程的預測，然后通過相關關系進行水位的預測。根據(jù)長江干線沿程河道特性、水文特點以及航道特點，本文對長江上游、中游、下游的水位預報方法分別展開研究。
3.1 長江上游
由于受三峽水庫壩前調(diào)度的影響，長江上游三峽大壩至宜賓段水位變化影響因素也不盡相同，要準確預測宜賓至三峽大壩的水位，必須先預測壩前水位及流量。主要方法為：首先對年徑流量進行預報，了解是豐水年還是枯水年，一般情況下，豐水年洪水會比較大，在預報年徑流量的基礎上，根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律對月徑流量進行分配；其次，利用移動平均法對各支流控制站進行預測，并采用合流法，考慮流量傳播特性，對主要站進行流量預測；第三，通過概化模型對三峽壩前水位進行預測；最后，按水位流量關系對主要站進行水位預測，利用水位相關關系對長江上游沿程主要水位進行預測。
3.2 長江中游
長江中游洪水預報系統(tǒng)如圖1所示。主要步驟包括：
1.氣象預報：使用氣象模型提供定量降雨預報(QPF)。目前，使用兩種預報方法來進行短期降雨準定量預報。一是通過分析各種氣象信息，包括常規(guī)的地面天氣信息、衛(wèi)星信息、衛(wèi)星圖像、雷達遙感信息等，估算降雨范圍與趨勢；二是使用MM5模型來預報流域范圍降雨，該模型是一個中期預報氣象模型，由美國國家天氣局和加州大學聯(lián)合開發(fā)。
2．水文模擬：使用實時雨量與定量降雨預報值預測徑流量。使用的模型主要有API模型，單位線演算和新安江模型(XAJ)。
3.洪水演算：使用模型預測徑流和實測徑流作為邊界條件，應用多個水力學模型和統(tǒng)計模型洪水演算程序計算不同站點的水位和流量。使用的模型有馬斯京根法、MIKE11、相關關系法以及由長江委水文局為復雜的洞庭湖區(qū)開發(fā)的“大湖演算法”。在長江上游地區(qū)，河道較窄，馬斯京根方法較為合適；在下游以及洞庭湖區(qū)，統(tǒng)計方法如相關關系法和大湖演算法表現(xiàn)相對好些（如表1）。
4.后驗分析：人工對模型結果進行分析的過程。結合不同模型給出的預報結果，考慮到人類活動或天氣動力帶來的不確定性，給出最終預報成果，予以發(fā)布。
3.3 長江下游
長江下游大通以下河段為感潮河段，其水位預報具有特殊性，其中江陰以下潮流河段主要是基于潮汐表進行，大通至江陰段則是根據(jù)經(jīng)驗法、水動力模型法、水文統(tǒng)計法相結合。
4 長江干線航道水位預報實例
完整的水位預報，一般從氣象預報、產(chǎn)匯流預報開始，再進行河道流量和水位的預報，但這要求具有較多的氣象資料以及流域內(nèi)大量的水位站、支流水文站資料，目前這對航道部門水位預測而言尚不現(xiàn)實。因此，針對航道部門對枯水期要求精度高、中洪水期要求精度可以相對較低的需求，長江干線航道水位預測主要依據(jù)測站的實測水位流量資料，以統(tǒng)計分析方法為主。本文選取長江中游城陵磯站為實例，城陵磯站位于洞庭湖出口與長江匯合口上游3.5km，是洞庭湖出口河段水文控制站，城陵磯出口河段是洞庭湖水流入長江的唯一出口，洞庭湖的入湖水沙經(jīng)湖泊調(diào)蓄、沉積之后，經(jīng)城陵磯站出湖匯入長江。根據(jù)長江電子航道圖（2.0版）自2012年7月份試運行以來的水情信息，利用多元線性回歸分析方法，對影響城陵磯流量和水位的主要因子進行了相關分析，開展了城陵磯流量和水位的預報工作，因枯水期城陵磯流量變化不大，故本文只給出豐水期城陵磯站的流量、水位預測方法。
4.1 流量預測
考慮到汛期流量過程受漲落率的影響較大，在此主要以前2天流量、前2天流量漲落率（用流量差值代替）作為主要因子建立多元回歸模型。公式如下：
Q(t)=179.75+0.1DQ(t-1)+1.75DQ(t-2)+1.483Q(t-2)-0.5Q(t-1)
其中：Q(t)為當天預測流量，Q(t-2)、Q(t-1)為前2天、前1天流量，DQ(t-1)、DQ(t-2)分別為前3天與前2天、前2天與前1天的流量差值，代表漲落情況。
選取2012年8-9月份實測資料對上述公式進行驗證，結果如圖2所示可知城陵磯站汛期流量計算與實測值吻合較好，一般誤差在8%以內(nèi)，最大誤差在20%以內(nèi)。
4.2 水位預測
由于城陵磯站水位變化受江湖相互頂托影響，水位流量關系較為散亂。采用2012年汛期資料，并以宜昌流量Q為參數(shù)界限建立城陵磯站水位流量關系，如圖3所示。
4.3 預測誤差分析
表2給出了自2012年7月份長江電子航道圖（2.0版）試運行以來城陵磯站7-9月份分時段的誤差平均值統(tǒng)計。由表可知：
預測第一天的誤差一般控制在0.3m以內(nèi)，隨預測時段增加，預測精度變低，3天誤差在0.7m以內(nèi)，未來4-7天的預測誤差較大，在0.5-1.5m左右。分析原因，主要與當?shù)貧庀髼l件及三峽大壩泄洪等條件有關。由于本文主要依據(jù)長江航道特點和實際資料情況，側(cè)重于經(jīng)驗統(tǒng)計方法，并未涉及氣象和水文模型的產(chǎn)匯流預報，與已有長江洪水水位預測方法相比，預測成果能夠滿足電子航道圖系統(tǒng)的需要。
5 結 論
本文根據(jù)長江電子航道圖（2.0版）的要求，以及現(xiàn)有長江航道局水文預測基礎設施現(xiàn)狀，結合長江干線上、中、下游各自水位特點，基于統(tǒng)計分析方法，開展了長江干線航道水位預測預報技術研究。長江電子航道圖（2.0版）試運行以來的實測資料檢驗效果表明，該預測技術合理可行，沿程水位的預測精度可滿足電子航道圖系統(tǒng)建設要求，保證了航行船舶、港航企業(yè)關于長江干線水位預測信息的實際需求。
（作者單位：長江航道規(guī)劃設計研究院）
● 1 引 言
長江橫貫東西，通江達海，是連通我國東、中、西部地區(qū)的水運主動脈，對促進流域經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展發(fā)揮了重要作用，素有“黃金水道”之稱。為促進長江現(xiàn)代化水運體系的建設、全面提升服務長江航運的能力，長江航道局在“十二五”發(fā)展規(guī)劃中，明確提出“以多功能電子航道圖為基礎，全面建成長江干線數(shù)字航道，初步建成智能航道，基本實現(xiàn)長江航道現(xiàn)代化。”為了科學指導船舶合理配載，長江電子航道圖新增了一項重要服務內(nèi)容——長江干線7天水位滾動預測預報信息服務。為提升水位預測預報的精度，保障長江電子航道圖（2.0版）正常運行，長江航道規(guī)劃設計研究院組織開展了長江干線航道水位預測預報技術研究工作。
2 研究現(xiàn)狀
2.1 水文預報方法
水文預報是根據(jù)已知的信息(測驗或分析的信息)對未來一定時期內(nèi)水文要素的狀態(tài)做出定量或定性的預測。自上世紀50年代以來，中國的水文預報工作從無到有、由點到面迅速發(fā)展，在學習、吸收原蘇聯(lián)和美國的洪水預報方法的基礎上，逐步對不同區(qū)域的降雨徑流關系進行研究。隨著計算機技術在水文預報領域中的應用推廣和水文模擬技術水平的提高，中國在水文預報方法、預報系統(tǒng)建設和新技術應用等方面都有了很大的提高，目前，常用的預報方法可以劃分為物理成因分析方法、水文統(tǒng)計方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法和流域水文模型四大類。具體如下：
1.物理成因分析方法。河川徑流主要來源于大氣降水，與大氣環(huán)流有密切關系。一個流域或地區(qū)發(fā)生旱澇是與環(huán)流聯(lián)系在一起的。分析研究大氣環(huán)流與水文要素之間的關系一直是水文氣象工作者深入探討的課題。該方法主要是利用大氣等宏觀因子進行中長期水文預報，雖然方法可信度較高，但實施難度較大。
2.水文統(tǒng)計方法。通過水文資料的統(tǒng)計分析進行概率預測，從水文要素與預報因子之間尋找其統(tǒng)計規(guī)律進行預報。根據(jù)預報因子類別的不同，可分為兩類：第一類是單要素預報，即分析水文要素本身時序變化規(guī)律進行預報，如歷史演變法、周期疊加、平穩(wěn)時間系列、趨勢分析及隨機函數(shù)的分解等；第二類是多因子綜合預報，即分析要素與前期因子之間的統(tǒng)計相關關系，然后用數(shù)理統(tǒng)計法加以綜合，進行預報，如多元回歸分析、逐步回歸分析及多維序列等，這種方法的主要問題有如何合理選擇因子個數(shù)，解決擬合效果與預報效果不一致的矛盾；由于預報值是取各個因子數(shù)據(jù)的均值，難以預報出極大或極小值的水文現(xiàn)象。
①相應水位法。該方法是建立下游(本站)下一時段水位與上游前一時段水位的相關關系。為了提高預報精度，在有些河段，還需要其它要素的影響，如本站前一時段水位、上游總合成流量、區(qū)間平均降水量的影響。
②合成流量法。建立上游合成流量與下游流量或洪峰水位的相關關系。并通過預報下游流量再根據(jù)水位流量關系曲線推求水位。
③多要素合軸相關法。利用流域降雨總量、降雨歷時、降雨強度和起漲水位等因素作為參數(shù)建立降雨、上游水位和下游水位的相關關系，根據(jù)相關關系推求水位。
④水位(流量)漲差法。利用河道上下游水位或流量的漲落差建立相關關系推求水位。
⑤降雨徑流法。利用前期土壤含水量、漲洪段流量漲勢等因素作為參數(shù)直接建立降雨與洪峰流量的相關關系。
3.人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡是基于連接學說構造的智能仿生模型，是由大量神經(jīng)元組成的非線性動力學系統(tǒng)，具有并行分布處理、自組織、自適應、自學習和容錯性等特點。人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有很強的處理大規(guī)模復雜非線性動力學系統(tǒng)的能力，該方法的研究起源于20世紀40年代，90年代以來，許多學者將人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術應用到水文預報中。國外學者作了大量的研究和應用，美國土木工程師協(xié)會工程委員會和許多學者對此進行了總結和評論；近年來國內(nèi)已經(jīng)成功地將該方法應用于河道水流預報及流域產(chǎn)流產(chǎn)沙等方面。確定性水文預測的神經(jīng)網(wǎng)絡方法雖然白化能力具有最小熵優(yōu)勢，但存在一定的學習和泛化誤差，即無法覆蓋水文預測中的不確定性信息。此外，影響人工神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲結構的因素眾多，且參數(shù)優(yōu)選理論發(fā)展不甚完善也制約了人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型優(yōu)勢的發(fā)揮，使之在應用推廣方面遇到了一定的困難。
4.流域水文模型。中國地域廣闊，氣候多樣，包括濕潤、干旱、半濕潤和半干旱各種氣候條件。幾十年來，中國在引進、消化、吸收外國水文模型的基礎上，研制了一系列適合中國實際情況的流域水文模型。河海大學趙人俊教授團隊1973年研究提出的新安江模型是中國水文模型研究的代表成果。該模型在中國得到廣泛應用和不斷完善，并于1980年開始向國外介紹。當前，在水文作業(yè)預報中我國所采用的水文預報模型主要有中國自行研制的新安江模型、雙超產(chǎn)流模型、河北雨洪模型、姜灣徑流模型、雙衰減曲線模型等；從國外引進的模型主要有水箱、Sacramento、NAM模型和SMAR等模型，以及改進的國外模型M1，如連續(xù)API模型、SCLS模型等。今后水文模擬技術的進一步發(fā)展，應將重點放在干旱、半干旱地區(qū)和資料缺乏地區(qū)，加強研究這些地區(qū)的雨洪特性與徑流形成規(guī)律。
2.2 水位預報方法
目前水位預報中最常見的是汛期洪水預報。在實際防洪減災工作中，洪水預報是調(diào)度決策的重要依據(jù)，關系人民生命財產(chǎn)的安全和經(jīng)濟社會的穩(wěn)定發(fā)展，而發(fā)布的洪水預報將在很短的時間內(nèi)得到驗證，因此，洪水期水位預報是一項理論性強、應用要求高的工作。目前，河道中常用的水位預報方法主要有經(jīng)驗方法、水動力模型法、數(shù)理統(tǒng)計法等。經(jīng)驗方法主要是根據(jù)站點水位歷史實測數(shù)據(jù)以及當?shù)貧庀髼l件因素進行預測，此方法在氣象及上游水位不發(fā)生重大變化的條件下可信度較高；水動力模型法是利用河道地形、邊界水位和徑流條件、初始水位和徑流條件建立該河段數(shù)學模型，該方法模型建立時間較長，收集資料（降雨、大氣、流域情況等）較多，難以短時間實施；數(shù)理統(tǒng)計方法是通過水位資料的統(tǒng)計分析進行概率預測，從水位要素與預報因子之間尋找其統(tǒng)計規(guī)律進行預報。與河道中水位預報不同的是，感潮河段洪水過程受上游徑流和下游潮汐雙重作用，使感潮河段的水文情勢較為復雜，當上游發(fā)生大洪水，下游遭遇大潮頂托時易導致感潮河段水位劇升，防洪形勢嚴峻。感潮河段水位系列在時序上具有相依性、突變性和隨機性等復雜非線性特征，預報水位非常困難，感潮河段水位預報除上述介紹方法外，還要借助潮位站多年實測潮位資料及潮汐表進行預報。
3 長江干線航道水位預報方法
長江是我國第一大河，其水文預報的研究和應用較多，目前長江的水位預報主要是系統(tǒng)采取氣象模型（提供定量降雨預報）與水文、水力模型相結合的方法，同時結合經(jīng)驗分析，為長江主要站點提供實時洪水預報。航道部門水位預報與水利部門不同，為保障船舶安全通航，航道部門對枯水期要求精度較高，中洪水期要求精度相對較低。針對航道部門氣象資料、流域內(nèi)的的水量站、支流水文站資料缺乏的特點，長江干線航道水位預測主要依據(jù)測站的實測水位流量資料、氣象資料等先進行流量過程的預測，然后通過相關關系進行水位的預測。根據(jù)長江干線沿程河道特性、水文特點以及航道特點，本文對長江上游、中游、下游的水位預報方法分別展開研究。
3.1 長江上游
由于受三峽水庫壩前調(diào)度的影響，長江上游三峽大壩至宜賓段水位變化影響因素也不盡相同，要準確預測宜賓至三峽大壩的水位，必須先預測壩前水位及流量。主要方法為：首先對年徑流量進行預報，了解是豐水年還是枯水年，一般情況下，豐水年洪水會比較大，在預報年徑流量的基礎上，根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律對月徑流量進行分配；其次，利用移動平均法對各支流控制站進行預測，并采用合流法，考慮流量傳播特性，對主要站進行流量預測；第三，通過概化模型對三峽壩前水位進行預測；最后，按水位流量關系對主要站進行水位預測，利用水位相關關系對長江上游沿程主要水位進行預測。
3.2 長江中游
長江中游洪水預報系統(tǒng)如圖1所示。主要步驟包括：
1.氣象預報：使用氣象模型提供定量降雨預報(QPF)。目前，使用兩種預報方法來進行短期降雨準定量預報。一是通過分析各種氣象信息，包括常規(guī)的地面天氣信息、衛(wèi)星信息、衛(wèi)星圖像、雷達遙感信息等，估算降雨范圍與趨勢；二是使用MM5模型來預報流域范圍降雨，該模型是一個中期預報氣象模型，由美國國家天氣局和加州大學聯(lián)合開發(fā)。
2．水文模擬：使用實時雨量與定量降雨預報值預測徑流量。使用的模型主要有API模型，單位線演算和新安江模型(XAJ)。
3.洪水演算：使用模型預測徑流和實測徑流作為邊界條件，應用多個水力學模型和統(tǒng)計模型洪水演算程序計算不同站點的水位和流量。使用的模型有馬斯京根法、MIKE11、相關關系法以及由長江委水文局為復雜的洞庭湖區(qū)開發(fā)的“大湖演算法”。在長江上游地區(qū)，河道較窄，馬斯京根方法較為合適；在下游以及洞庭湖區(qū)，統(tǒng)計方法如相關關系法和大湖演算法表現(xiàn)相對好些（如表1）。
4.后驗分析：人工對模型結果進行分析的過程。結合不同模型給出的預報結果，考慮到人類活動或天氣動力帶來的不確定性，給出最終預報成果，予以發(fā)布。
3.3 長江下游
長江下游大通以下河段為感潮河段，其水位預報具有特殊性，其中江陰以下潮流河段主要是基于潮汐表進行，大通至江陰段則是根據(jù)經(jīng)驗法、水動力模型法、水文統(tǒng)計法相結合。
4 長江干線航道水位預報實例
完整的水位預報，一般從氣象預報、產(chǎn)匯流預報開始，再進行河道流量和水位的預報，但這要求具有較多的氣象資料以及流域內(nèi)大量的水位站、支流水文站資料，目前這對航道部門水位預測而言尚不現(xiàn)實。因此，針對航道部門對枯水期要求精度高、中洪水期要求精度可以相對較低的需求，長江干線航道水位預測主要依據(jù)測站的實測水位流量資料，以統(tǒng)計分析方法為主。本文選取長江中游城陵磯站為實例，城陵磯站位于洞庭湖出口與長江匯合口上游3.5km，是洞庭湖出口河段水文控制站，城陵磯出口河段是洞庭湖水流入長江的唯一出口，洞庭湖的入湖水沙經(jīng)湖泊調(diào)蓄、沉積之后，經(jīng)城陵磯站出湖匯入長江。根據(jù)長江電子航道圖（2.0版）自2012年7月份試運行以來的水情信息，利用多元線性回歸分析方法，對影響城陵磯流量和水位的主要因子進行了相關分析，開展了城陵磯流量和水位的預報工作，因枯水期城陵磯流量變化不大，故本文只給出豐水期城陵磯站的流量、水位預測方法。
4.1 流量預測
考慮到汛期流量過程受漲落率的影響較大，在此主要以前2天流量、前2天流量漲落率（用流量差值代替）作為主要因子建立多元回歸模型。公式如下：
Q(t)=179.75+0.1DQ(t-1)+1.75DQ(t-2)+1.483Q(t-2)-0.5Q(t-1)
其中：Q(t)為當天預測流量，Q(t-2)、Q(t-1)為前2天、前1天流量，DQ(t-1)、DQ(t-2)分別為前3天與前2天、前2天與前1天的流量差值，代表漲落情況。
選取2012年8-9月份實測資料對上述公式進行驗證，結果如圖2所示可知城陵磯站汛期流量計算與實測值吻合較好，一般誤差在8%以內(nèi)，最大誤差在20%以內(nèi)。
4.2 水位預測
由于城陵磯站水位變化受江湖相互頂托影響，水位流量關系較為散亂。采用2012年汛期資料，并以宜昌流量Q為參數(shù)界限建立城陵磯站水位流量關系，如圖3所示。
4.3 預測誤差分析
表2給出了自2012年7月份長江電子航道圖（2.0版）試運行以來城陵磯站7-9月份分時段的誤差平均值統(tǒng)計。由表可知：
預測第一天的誤差一般控制在0.3m以內(nèi)，隨預測時段增加，預測精度變低，3天誤差在0.7m以內(nèi)，未來4-7天的預測誤差較大，在0.5-1.5m左右。分析原因，主要與當?shù)貧庀髼l件及三峽大壩泄洪等條件有關。由于本文主要依據(jù)長江航道特點和實際資料情況，側(cè)重于經(jīng)驗統(tǒng)計方法，并未涉及氣象和水文模型的產(chǎn)匯流預報，與已有長江洪水水位預測方法相比，預測成果能夠滿足電子航道圖系統(tǒng)的需要。
5 結 論
本文根據(jù)長江電子航道圖（2.0版）的要求，以及現(xiàn)有長江航道局水文預測基礎設施現(xiàn)狀，結合長江干線上、中、下游各自水位特點，基于統(tǒng)計分析方法，開展了長江干線航道水位預測預報技術研究。長江電子航道圖（2.0版）試運行以來的實測資料檢驗效果表明，該預測技術合理可行，沿程水位的預測精度可滿足電子航道圖系統(tǒng)建設要求，保證了航行船舶、港航企業(yè)關于長江干線水位預測信息的實際需求。
（作者單位：長江航道規(guī)劃設計研究院）
