徑流預報主要方法的探究

胡永洪

【摘要】徑流預報在水電站、水庫的優化調度中有重要作用。本文介紹了現階段徑流預報的主要方法，并分析了各方法的優缺點，為徑流預報的分析和研究提供了理論依據。

【關鍵詞】徑流預報；方法；依據

引言

水庫的優化調度問題已經被人們研究了半個世紀以上，涌現出的優化調度理論越來越多，不過人們發現很難將這些理論應用到實際應用上來。徑流預報的準確度過低是造成這種情況的主要原因之一。徑流預報可以分成短期的預報和中長期的預報兩種方式，本文主要闡述中長期預報的方法。中長期預報通常指的是3天以上、1年之內的預報，主要的預報方法有成因分析法、水文統計法等。

1、成因分析法

降水是山川大河徑流的主要來源，大氣環流是造成某一個地區發生干旱或者水澇的因素之一。成因分析法研究了大氣環流和水溫因素存在的聯系，根據大氣環流的演變規律來對水文因素進行中長期預報。大氣環流和水文因素之間存在何種關系一直是學者們開展研究的重要課題。有的學者通過對海洋與高原的熱變化對下游流域的旱澇以及汛期產生的影響，解釋了大氣環流和水文因素之間的某些關聯。還有的學者利用水文氣象學有關方法，闡述了最近以來我國對雨水的中長期報告發展進展，并探索了如何提高中期預報的準確度問題。成因分析法的分析基礎是物理學，這也是水文中長期預報的發展方向所在。

2、水文統計法

2.1 模糊分析

模糊分析預報產生于上世紀80年代。水文氣象等因素因為受到復雜的形成機制的影響，傳統的準確性描述不能很好的對徑流進行預報，在水文領域中應使用不同的模糊概念來代替準確性描述，比如“旱澇”、“豐枯”等，這就是模糊理論的精髓。

根據模糊控制的有關理論，模糊分析法使用模糊的語言來描述預報的結果，把徑流自身的演變規律作為已知條件，通過已經知道的甚至是未知的模糊關系對未來可能出現的情況進行預報。使用該方法對徑流進行預報時不需要任何的成因資料，這是值得注意的一個地方。模糊分析法在上世紀末得到更新和發展，研究者通過與水文成因、統計分析的有機結合，提出了更加嚴謹和準確的模糊分析法，在一定程度上提高了中長期預報的精度。

模糊分析法使得中長期預報理論更為豐富和多樣化，不過也正因為該方法的模糊性和主觀性，使得該法沒有得到廣泛的推廣和使用。

2.2 灰色系統理論

該理論產生于上世紀80年代，到現在為止一直保持著較快的發展。該理論認為，雖然客觀事物之間有復雜的現象和混亂的數據，但是它們總是有一定的順序，它們之間也必然存在著某種內在的關聯，問題的關鍵就是如何認識并挖掘這些關聯，并最終利用起來。灰色系統理論將所有的隨機數據都當成變化著的灰色量，經過一定的數據處理之后，這些隨即數據之間的內在關聯或者因果關系就會顯現出來。到現在為止，該理論已經形成了灰色關聯空間為主的數據分析體系，進而發展出預測、建模、決策、評估、控制等系統分析技術，其也在徑流預報中得到了一定的應用。

不過由于該理論本身的模型特色，它更適合分析具有增長趨勢的問題，而對于徑流預報等變化趨勢不穩定的問題來說，擬合出的灰度太大，準確度得不到保證，因此在中長期預報中還在探索階段。

2.3 類比合成方法

類比合成法由勞倫斯（Lorence）于1969年提出，該方法屬于多維搜索法的范疇之內。該方法的基本原理通過對時間序列中的隱含信息進行挖掘并進而預測，目前在氣象學預報中已經成功得到應用。

使用該方法進行預測時，首先要進行如下的假設，那就是：在時間序列當中會有一個某種特定的模式重復出現，也就是在多維的時間進程里只要能呈現出連續的狀態模式，其在歷史進程中也會存在。如果研究者在過去的時間序列里找到了和參考模式非常類似的類比模式，那么用類比模式就可以對未來的趨勢進行預測。

類比合成法的優勢在于適用范圍廣泛、允許因人為因素產生的誤差存在、對歷史觀測資料要求較低等，不過另一方面，該方法運用到徑流預報中時還要考慮到其他的一些問題，比如如何進行合成預報、模式長度的意義等，這些還有待于進一步分析。

2.4 人工神經網絡法

該方法是一種新興的方法，目前已經在多個領域得到了廣泛的應用，除了可以進行自動控制、語言識別等，還可以進行預測、評價等，并且預測的準確性高于回歸模型。

人工神經網絡中能夠應用到徑流預報的算法為BP（Back-Propagation）神經網絡，該網絡的組成結構一般有輸入層、隱含層以及輸出層，每一層都包含了若干個結點，每一個結點均代表了一個神經元，處于同一層的不同結點之間不存在聯系，而在兩層結點之間其連接作用的叫做權。圖1為BP神經網絡算法模型。

BP神經網絡的優點是結構簡單、操作簡便、模擬性強，缺點是學習時的收斂速度偏慢，容易陷入微觀計算而忽略宏觀計算，并且其預測的能力也偏弱。

結語

目前來看，徑流預報的主要問題為預報期太短、預報準確度低，這對矛盾的說法對徑流預報提出了很難均能滿足的情況。通過對上述方法的闡述，讀者可以根據不同方法的優缺點進行針對性的學習和參考。

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