第1章　緒論

1.1　研究意義

全世界范圍內(nèi)，洪水災(zāi)害正逐步加劇，就傷亡人數(shù)和經(jīng)濟(jì)損失而言，洪水災(zāi)害已位于自然災(zāi)害的前列[1]。同樣，洪水災(zāi)害也是威脅我國(guó)人民生命財(cái)產(chǎn)的最大自然災(zāi)害之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)由洪水造成的年平均損失居于自然災(zāi)害的首位。1998年長(zhǎng)江與東北大洪水給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了巨大的損失[2]。近些年來(lái)，隨著生態(tài)問(wèn)題的不斷加劇，極端天氣的頻次也與日俱增，洪水問(wèn)題已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一[3]。為了減少洪旱災(zāi)害和提高水資源的利用率，一方面進(jìn)行了大規(guī)模的水利基本建設(shè)；另一方面從非工程措施角度防治和減輕災(zāi)害損失，提高水資源利用率。非工程措施中流域?qū)崟r(shí)洪水預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)減少人員傷亡、保護(hù)財(cái)產(chǎn)安全、降低國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失功不可沒(méi)[4]。因此為解決人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致的水資源和水災(zāi)害問(wèn)題，需要我們對(duì)流域水文機(jī)理有深入的研究和了解，才能對(duì)水資源短缺、水災(zāi)害和水環(huán)境惡化問(wèn)題采取相應(yīng)的措施，以科學(xué)發(fā)展的方式解決水資源和水災(zāi)害問(wèn)題[5]。因此，流域水文機(jī)理研究是解決水資源和水環(huán)境問(wèn)題的理論基礎(chǔ)。

洪水預(yù)報(bào)作為解決防洪減災(zāi)問(wèn)題的重要非工程措施日益受到人們的重視[6]。洪水預(yù)報(bào)技術(shù)是一項(xiàng)預(yù)防洪水災(zāi)害、提高洪水資源利用率、降低洪水風(fēng)險(xiǎn)[7，8]、將洪水資源化的非常有效的非工程措施[9]。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)的精度對(duì)于防洪安全和興利都會(huì)有非常大的影響[10-12]。實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)是指對(duì)將發(fā)生的未來(lái)洪水在實(shí)際時(shí)間通過(guò)水文模型進(jìn)行預(yù)報(bào)，就目前預(yù)報(bào)方法而言，實(shí)際時(shí)間是指觀測(cè)降雨即時(shí)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)間[13]。現(xiàn)今，洪水預(yù)報(bào)大都采用水文模型[14]，應(yīng)用范圍最廣泛、應(yīng)用效果最好的是概念性水文模型[15，16]，如新安江模型[17-19]、坦克模型[20]、陜北模型[21，22]。流域水文模型主要研究的是時(shí)不變的離線系統(tǒng)，習(xí)慣上基本都是采用觀測(cè)到的歷史水文資料，先確定好模型參數(shù)，然后用于未來(lái)的洪水預(yù)報(bào)中[23]。由于水文模型是對(duì)流域產(chǎn)匯流特征的符號(hào)化表達(dá)，在流域使用水文模型進(jìn)行模擬的過(guò)程中存在諸多的簡(jiǎn)化和假設(shè)，因此應(yīng)用水文模型進(jìn)行流域洪水預(yù)報(bào)往往存在誤差，而且誤差來(lái)源于各個(gè)環(huán)節(jié)，比如由于對(duì)水文規(guī)律概化簡(jiǎn)化引起的模型結(jié)構(gòu)誤差、由于設(shè)備故障引起的數(shù)據(jù)輸入誤差等[6，24]。流域水文系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，這在模型外延中會(huì)帶來(lái)較大的誤差。在模型參數(shù)確定中，由于歷史水文資料的代表性不夠，也會(huì)帶來(lái)誤差。實(shí)時(shí)洪水的預(yù)測(cè)與估計(jì)系統(tǒng)中誤差更多，這樣的預(yù)報(bào)方案在實(shí)時(shí)在線洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)中，常得不到滿意的結(jié)果[25，26]。這就需要實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)誤差修正技術(shù)來(lái)提高水文模型在實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)中的精度。

近年來(lái)，實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)誤差修正技術(shù)得到了很大的發(fā)展，在實(shí)際流域洪水預(yù)報(bào)中也得到了廣泛應(yīng)用，并取得了一定的效果[27-32]。但由于傳統(tǒng)水文技術(shù)和實(shí)驗(yàn)手段獲取的流域水文信息量不足，使得有效信息獲取困難，利用的實(shí)時(shí)信息量有限，誤差修正效果往往不太理想，這在很大程度上影響了洪水預(yù)報(bào)精度，使預(yù)報(bào)誤差往往超出限制范圍，難以達(dá)到防洪要求[33，34]。

因此，為進(jìn)一步提高洪水預(yù)報(bào)精度，更好地為社會(huì)生產(chǎn)和人民生活服務(wù)，一種有效的實(shí)時(shí)修正方法是非常重要的。本書(shū)通過(guò)把水文模型進(jìn)行系統(tǒng)概化，提出水文模型的系統(tǒng)微分響應(yīng)理論，通過(guò)利用模型計(jì)算系列與實(shí)測(cè)系列之間的差值這一重要信息，對(duì)模型需要修正的變量進(jìn)行逆向反饋修正，建立了一種基于系統(tǒng)微分響應(yīng)理論的實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)誤差修正方法，并將此方法應(yīng)用到實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)中，為流域水資源和水環(huán)境管理提供技術(shù)支撐。