水文预报的主要案例

HBV水文预报模型及与之集成系统介绍

1. 1 背景

70 年 代 ，为了水电厂的洪水预报，瑞典国家水文气象局（SMHI)开发了HBV水文预报模型。当时

开发该模型的目的是通过输人合理的预报参数来进行洪水预报，并对预报结果进行校验。事实证明，

HBV模型在解决水资源问题上具有易用性和灵活性的特点，所以该模型被瑞典及北欧国家广泛使

用。目前，该模型在瑞典已成为一个标准的洪水预报工具，在近40个流域中，大多数无控制站的小河

流都使用该模型进行洪水预报；另外，大约在60个流域范围内，该模型被用于水电厂的洪水预报。世

界上大约有40个国家使用或了解HBV模型。如今 ， H BV模型已发展成为一个集成的水文预

报模型系统，它是一个现代化的，经过良好测试的易 *** 作的预报工具。它可以与实时气象信息及预报

系统相集成，可运行在独立的计算机上，也可运行在网络环境下。

1.2 结构

HB V模 型 可以被贴切地描述成一个半分布式的概念模型。多年来，模型的基础结构很少改变，要

求输人的参数也被尽可能地简化（通常只需要输人日平均气温值和降雨量值)。尽管如此，它的模拟性

能还是很好，而且，原来该模型只用于水文预报，现在它的应用范围已扩展到其它领域，如:被测量的

时间序列的插补、无控制站河流的流量模拟、设计洪水计算以及水质研究。1993年，对SMHI模型的结

构作了很大的改动，实现了以下目标:

（1） 进 一 步发展了分布式的径流模型，使其能够增加新的输人参数（如气象雷达和卫星图像数据)，

以满足空间解决方案的需要。

（2） 利 用 当前最新的水文和气象知识，使模型的物理结构更加准确和先进。

（3） 除 了 评估降雨和温度两个参数以外，使用其它的输人参数进行校准，以保证模拟和预报的可行

性和准确性。

（4） 在 保 持原有HBV模型灵活、易用的前提下，确保新老版本的相互兼容性。

经过 三 年 的开发研究，SMHI于19%年开始推广使用经过改进的HBV模型（简称HBV一%模

型)。集成 的 水 文模型系统（IHMS系统)是以HBV模型为基础开发出的一套应用系统软件。在该系统中，

只需要输人少量的参数即可进行预报。HBV/IHMS系统在作预报时，可以按照不同气候、土质条件以及

水文气象网络的分布密度等因素，把一个大流域划分成若干个子流域，先对各个子流域进行预报，然后

综合各子流域的预报结果，形成整个大流域的洪水预报。目前，该系统已被应用在瑞典的200多个子流

域的有控制站的洪水预报中，而且，它可与水电站的溢洪道设计研究相结合。

HB V/ IH MS模型结构示意图（降雨/雪在上层、土壤含水量在中层、响应在底层)见图to 2.1 数据存贮

为了 缩 短 计算时间，HBV模型所需的输人参数（如降雨、温度、流量等)被存放在基于二进制文件的

内部数据库中，这样很容易实现把数据从确定的文件格式转人已存在的数据库中。

2.2 数据校验

在校 验 模 型之前，可以先用公式（如二次样条公式)把不正确和不同类型的数据（降雨、径流、温度)

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2.3 降雪量计算

降雪 量 计 算模块用于计算降雪量。降雪量与温度的修正因子密切相关。计算降雨量和降雪量可使

用不同的修正因子。该模型可以计算冰河和田间积雪区的降雪量。新版 的 H BV模型（HBV一%版)可以很好的预

报世界各地的积雪量和融雪量。目前，瑞典国家气象局又在对HBV一%模型进行修正，修正后的HBV

模型可以处理发生在特殊条件下的温度倒置的情况。

2.4 径流预报

土壤 含 水 量计算模块用于计算不同的降雨、融雪和蒸发等条件下的田间土壤含水量，以及模拟土

壤含水量的变化过程。然后，径流生成模块把土壤中的水（以土壤含水量表示)转化为径流。径流生成模

块由一个上层、非线性、一个下层、线性以及产流五部分组成。算出的径流成果是绘制水文曲线图的原

始数据。

标准 的 H BV模型通过马斯京根法（Muskingum)与其它的汇流公式相结合生成径流预报，同时，径流

预报过程也可得到校验（在非常复杂的水库运行调度情况下，径流预报过程必须校验)。

第2期掀；HBV水文预报模型及与之集成的水文模型系统介绍当一 个 河 流的集水区被划分成几个子流域时，

HBV模型可以先预报每个子流域的径流，然后，再把各个子流域产生的从上游到下游的出流累加起

来，形成全流域的出流。

通过 把 H D水文预报模型（由波兰水文气象局研制开发)与IHMS系统相结合，可以进行河流动力

学的研究（虽然这不属于标准的模块)。目前，该成果已有几个应用实例，例如:该成果已用于波兰境内的

Vistula河的河流动力学研究。

2.5 入流、出流计算

在应 用 H BV模型时，如将大流域划分为若干个子流域，大型水库应位于子流域的出口处。HBV模

型先计算水库的人流（包括降落在库区的雨量以及水库水面自身的蒸发量)，然后，根据调度规则或频

率曲线得到水库的出流。调度规则与水库出流、水库水位以及时间序列有关，同时，它也与水库的用水量

有关。 3.1 校验

模型 所 用 到的各参数必须先经过率定，率定一般由校准过程来完成。当模拟出的径流曲线和人工

观测出的径流曲线的一致性较好时，说明参数选择合理。一般来说，校验需要10年以上的水文数据，率

定需要5年以上的水文数据，但实际上通常没有这么长的径流记录，所以在径流记录较短的条件下，

模型也应能做预报。校验时，所选用的径流记录必须包含一个完整的水文事件的变化过程（即应包括峰

谷、洪峰)，这一点非常重要。

校验 时 ， 从气象站测得的温度数据、河流区间的降雨数据，从水电厂、大坝以及观测站得来的流量数

据、水位数据，必须存人模型数据库中。预报 精 度 可以通过以下两种方式来判定:

（1） 统 计 法:通常使用由Nash和Sutcliffe于1970年提出的R2值法（代表模型的可用性)

（2） 模 拟 流量和实测流量的累计误差曲线图:这种方法通常用于检验的初始阶段，如对降雪参数的

评估。

HB V 模 型预报的预见期可以是1 -24h。通常，合理的预见期为3,6和12 h（不能为7h或13

h)。大多数应用程序使用的预见期为1h或24h。使用经验表明，可以使用24h前的历史日平均数据作

为输人参数，然后稍作修整即可用于时段预报和模型的校验。

3.2 模拟

模型 经 过 校验后，可以用于基于水文时间序列的各种模拟应用程序。如果历史水文资料时间序列

太短，则应对历史水文资料进行插补及延伸。对数 据 质 量的评估也是模型应用的另一个方

面。模型的输出结果可用来判断融雪和降雨的合理性、所观测的水位值的正确性、预报的融雪量的正确

性，同时，模型也适于判定径流记录的多相性。

3.3 洪水和入流预报

3.3.1 短期洪水预报

对于 小 流 域和本地人流，根据气象预报的结果和要求，预报的预见期一般设为1h。通常情况下，这

种预见期应用于由梯级水库组成的水电厂的实时洪水预报及优化调度系统中。

3.3.2 人流预报（洪水的中长期预报)

HB V模 型 使用历史统计值来进行季节性水库的多年调度或洪水风险评估（即洪水的中长期预

报)。这种服务不但提高了社会效益，而且可以向社会提供有用的信息，减少洪水造成的危害。

3.4 无控制站流域的洪水预报

使用 概 念 水文模型的传统方法是:首先对模型进行校准，确定经验系数的优化值，然后再进行洪水

预报。实践证明，经过优化的经验系数的变化范围很小。对于缺少历史径流资料，从而无法对模型进行校

验的流域，通常应用具有较长历史资料的水化学资料来推断水文资料，找到优化的经验系数，从而进行

洪水预报。如今，这种方法已广泛应用于瑞典的400个无控制站流域的洪水预报。

3.5 设计洪水计算

HB V/ IH MS系统软件中的“洪水设计”模块应用于具有多个水库的河流系统。它的基础是通过迭

代的方法，对最重要的洪水过程的临界值进行反复迭代，从而优化出所需要的结果。该模块是以1990

年瑞典颁布实施的《大坝溢洪道设计开发规则》为基础开发的。因此，如果其它国家想使用这一功能，则

溢洪道的水文设计规则必须与瑞典相似。当然，也可以通过修改模块本身来适应不同的溢洪道设计规

则，但必须对方方面面进行仔细研究。

3.6 水质监测

HB V模 型 如要用于水质监测（即模拟浅表地下水过程)，首先必须对模型进行改动，在这基础上，产

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生了一个新的模型一PULSE模型。PULSE模型的大部分结构与HBV模型非常相似，只是它可以更好

地模拟浅表地下水的过程，从而进行水化学状况的模拟。这一模型主要研究水质酸度的短期变化，模

拟无点源污染的传输，同时，它也被广泛地用来模拟已知模型参数条件下的无观测站流域的径流预报。

3.7 气候变化研究

气候 变 化 与人类活动密切相关已是当今最流行的科学论点。虽然，地域性气候变化存在不确定

性，但早在90年代，水文模型就被用于气候变化对水资源影响的研究中。1998年，北欧的一份研究表

明了气候变化对发电存在影响，这一研究就是以HBV模型及地域性气候变化规律为基础的。 SM HI 于 1990年开始开发集成的水文模型系统（简称IHMS)的用户界面部分，当时的系统运行

环境为Windows3 .x。目前，它运行在WindowsN T环境下，程序稍作配置即可运行在Windows的其它

环境下（如:Windows 98,Windows 2000等 *** 作系统)。模拟HBV模型的核心代码用FORTRAN语言

编写，其它用户界面部分用C++语言编写。到目前为止，IHMS系统已广泛应用于瑞典的水库人流预

报和洪水预报，以及大坝的设计洪水计算（最高级别的风险计算)。

HB V/ IH MS系统软件可以运行在与Windows/Intel兼容的PC处理器或工作站上。根据不同的需

要，系统可以运行在单独的计算机上，也可以运行在基于客户/服务器的网络环境下。系统的最低配

置要求为:CPU-}:,Pe ntium3；内存)32M；安装IHMS需要硬盘有)20M的空间，程序可以通过光驱(CD)

或软盘安装；系统加密使用软件狗加密方法。

洪水预报系统在国外研究开发已有30多年的历史，国内也有20多年的历史。最早将水情信息处理与洪水预报计算机制作直接联为一体的系统是从研制水文自动遥测洪水警报、预报系统开始的，称为“水文自动测报系统”。这类系统的共同特点是使用遥测水文信息（雨量、水位），直接实现联机洪水预报作业，属于第一代洪水预报系统，如1958年日本富士通株式会社研制的水文自动化遥测系统，1988年中国水利水电科学研究院在微机DOS系统上开发的一套适用于中小流域的洪水预报调度自动化系统等。上世纪80年代以后，由于控制理论的实时预报技术大量引入到洪水预报中来，实现自动的实时校正。这种系统称为“联机实时预报系统”，从预报技术的角度看，比较第一代系统有了实质性的进步，故可以划分为属于第二代的洪水预报系统，这类系统比较著名的有1983年中国水利部水文水利调度中心与意大利诺蒂公司合作开发的适用于大江大河和大河系的“VAX机联机实时洪水预报系统”， 1985年美国天气局开发的全美通用的河流预报系统(NWSRFS)第五版，1988年英国水文所研制的通用性的河流径流预报系统（RFFS）, 1992年意大利ET&P公司研制的欧洲洪水预报系统（EFFORTS），1997年中国水利部水利信息中心研制的“水情信息及洪水预测预报业务系统”。1989年，美国天气局在河流预报系统第五版上安装了交互式预报程序（IFP），揭开了第三代洪水预报系统研制的序幕。IFP在图形工作站实现，用图形交互处理技术对洪水预报数学模型的计算结果进行人工干预，从而得到可以发布和实行河系连续预报的成果，保证了河系预报作业的连续性。这一成果问世后得到洪水预报界，特别是担负大江大河预报任务的水情部门的广泛赞同，从而确立了第三代洪水预报系统向交互式系统发展的方向。1995年长江委开发的“长江专家交互式洪水预报系统”，以及水利部水利信息中心组织研发的《中国洪水预报系统》就属于这一类系统。

目前，全国流域机构和省(区、市)的水文部门已有26个单位建立了洪水预报系统，能在两小时内，完成数据采集、传输和处理工作，并在天气形势分析和实时雨水情信息的基础上，完成对七大江河干支流主要控制站、防洪重点地区、重点水库和蓄滞洪区具有不同预见期和精度的洪水预报，为防洪决策提供依据。为了加强全国洪水预报系统标准化建设工作，水利部水文局正组织全国力量，联合攻关，集中开发基于宽带网和地理信息系统的分布式的、通用性的洪水预报系统，该系统的建立将使我国的洪水预报技术和水平再上一个新台阶。