洪水预报中不确定性来源分析

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目前,国内外对洪水预报的理论与方法研究较多,但对其不确定性来源分析甚少。各种洪水预报中的不确定性是放在一起处理的,但这些不确定性非常值得研究,不能因为采用实时预报方法后精度提高就忽略了这些不确定性。实践证明,洪水预报中的不确定性主要来源于自然现象本身的随机性、资料的不确定性、模型参数与模型结构。

1 自然现象本身的随机性

水文现象是各种因素综合在一起、非常复杂的自然现象,而导致水文现象复杂化的是自然现象的随机性。自然过程的随机波动给物理过程带来不确定性,因此即使模型非常完美,预报误差也是不可避免的。

2 资料的不确定性

洪水预报中,雨量资料、流量资料、蒸散发和土壤湿度资料的收集和传输过程中环节很多,也很复杂,都是产生误差的主要来源。另外,水文站网布设是否科学、合理,也是导致误差产生的重要因素。

2.1 雨量资料的不确定性

导致雨量资料产生误差的因素较多,比如,由于制造精度方面的原因,雨量计本身存在测量方面的误差,测得值与实际值不完全一致;雨量计测得的雨量对测点地面降雨量很难具有完全的代表性;测站周边地理环境对雨量计工作的影响;站网测得的面平均雨量与实际的面平均雨量存在数值上的差异;降雨时空变化的影响;各雨量计的时钟不同步,以及与水文站时钟不同步等因素。其中最主要的是风的影响,以及站网布设方面的原因。这些可能的误差来源都会影响已率定模型预报的过程线和可靠性。

2.2 流量资料的不确定性

流量资料的不确定性对水文模型可靠性的影响,一般要小于雨量资料对水文模型可靠性的影响。因为流量资料是流域复杂的降雨径流过程的综合,而雨量方面所能提供的仅仅是流域面上复杂的降雨过程中的点雨量。流量资料的不确定性主要来自于水位测量、流速测量、断面测量以及水位流量关系线的率定。

2.3 蒸散发和土壤湿度的不确定性

蒸散发和土壤湿度资料的精度直接影响着洪水预报以及水文模型的可靠性,流域产汇流的下垫面因素主要由土壤的湿度以及蒸散发能力决定。蒸散发及土壤湿度的误差主要来源于主要站网布设以及仪器设备的性能。

3 模型参数的不确定性

对已率定模型来说,参数的不确定性不仅反映在对某一次洪水确定其真正参数的不确定性,同时也包含了通过率定过程引进资料的不确定性。在一定目标函数下分别率定多次洪水参数,从而得到各参数的均值与标准差。另外,也可以率定出对所有洪水总体最优的一组参数。对非线性降雨径流模型来说,对各次洪水分别率定所得到的参数均值不等于总体最优的参数值,但如果资料系列合适,二者应该相当接近。

4 模型结构的不确定性

模型结构的不确定性源于模型不能真正地反映流域降雨径流的物理过程,比如概念性模型,它是对产汇流自然过程的简化,由产流、流域汇流、河道汇流等多个环节组成,每个环节还都包含一些子环节。这些环节相对于自然过程来说,都做了不同程度的简化与近似,所以都会影响洪量、洪峰的大小、出现时间和洪水过程线的形状。洪水预报中的不确定性分析,对预报理论与预报方法本身有着重要的理论指导意义,可用于预报模型或方法的比较、评估与审定,对防洪系统的调度决策及风险分析都有着直接的意义。



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