中長期洪水預(yù)報分析

祁芯

【摘要】長期水文預(yù)報是介于水文學(xué)、氣象學(xué)、氣候?qū)W等多學(xué)科之間的一門邊緣學(xué)科，由于影響因素的復(fù)雜性與目前科學(xué)水平的限制，長期水文預(yù)報精度還不高。如何提高預(yù)報精度是水文學(xué)家關(guān)注的問題本文著重從物理成因和預(yù)報的數(shù)學(xué)方法兩方面對長期水文預(yù)報現(xiàn)狀進行了研究，指出了現(xiàn)狀條件下水文預(yù)報的不足并對其進行展望。

【關(guān)鍵詞】中長期水文預(yù)報；分析；展望

一、當前水文預(yù)報研究現(xiàn)狀

應(yīng)用計算機技術(shù)，使得洪水預(yù)報在水情信息收集、水情情況處理的環(huán)節(jié)更加的方便和迅速，60年代末，計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展使運用遙測水文信息直接預(yù)報洪水水情成為了可能；80年代，預(yù)報系統(tǒng)中應(yīng)用了自動控制理論來對洪水預(yù)報進行實時校正；而美國在90年代初期運用交互式預(yù)報程序，揭開了洪水預(yù)報系統(tǒng)最新一代的篇章。這些研究統(tǒng)稱為確定性洪水預(yù)報，應(yīng)用也最為廣泛，但是不足之處就是對不確定性信息不能充分利用，因此不能得出最令人滿意的最優(yōu)決策，有時運用不當，更可能造成更嚴重的財產(chǎn)損失和人員傷亡。各國又在此研究的基礎(chǔ)上探究新的方法，90年代末，美國率先研制成功一套用分析量化來預(yù)報水文預(yù)報中不確定性的概率水文預(yù)報系統(tǒng)，這使得水文預(yù)報研究又上了一個新的臺階。

二、中長期水文預(yù)報的作用

中長期水文預(yù)報最大的作用是可以對水災(zāi)進行防治隨著社會的不斷發(fā)展科技信息技術(shù)的應(yīng)用范圍也越來越廣水文預(yù)報的技術(shù)在不斷改進的同時池加入了計算機技術(shù)這既簡化了水文預(yù)報的工作流程池使預(yù)報的結(jié)果更加精確與權(quán)威。通過中長期水文預(yù)報河以使各部門水資源的分配更加科學(xué)與合理從而創(chuàng)造更大的社會效益。水文預(yù)報的結(jié)果越來越準確這也為緩解洪水災(zāi)情起到了幫助作用根據(jù)預(yù)報結(jié)果可以及時調(diào)整防洪設(shè)施、安排抗洪工作，爭取更多的防洪救災(zāi)時間從而降低人力、物力、財力的損失。

三、關(guān)于中長期水文預(yù)報方法的分析

1、傳統(tǒng)的預(yù)報方法分析原因法

（1）主要的方法是根據(jù)前期大氣環(huán)流的狀態(tài)對后期的水文進行預(yù)測。大氣環(huán)流有一個顯著的特點，全球性。同時，在地氣系統(tǒng)開展能量、熱量的轉(zhuǎn)換和水量轉(zhuǎn)換的過程都需要借助大氣環(huán)流。大氣環(huán)流對一個區(qū)域內(nèi)的氣候變化、天氣特點成因、水文情況等方面都具有決定性的作用。人們也是借助這些變量之間的聯(lián)系，在掌握了大氣環(huán)流的有關(guān)數(shù)據(jù)后，對后期的水文進行預(yù)測。

（2）根據(jù)前期海洋溫度的特點來開展預(yù)報工作。地球表面大概有 71%的面積都是海洋，海洋是大氣運動中水汽與能量的重要源頭。海洋作為地球氣候體系中最關(guān)鍵的一部分，其對于氣候變化所帶來的影響是不容忽視的，海洋溫度是影響氣候變化的重要因素。很多相關(guān)的資料表明，全球的海洋溫度與大氣環(huán)流都具有年代際改變的特點。大氣環(huán)流發(fā)生變化的前兆是海洋溫度的變化。

（3）根據(jù)太陽活動中的相關(guān)信息開展預(yù)報工作。太陽活動的變化是存在周期性的。其周期性的變化會導(dǎo)致溫度、氣候或者水文等方面出現(xiàn)不正常的現(xiàn)象。當前，我國的很多研究資料顯示，太陽果凍與溫度、氣候和水文之間存在著異常的關(guān)系。根據(jù)對每年平均降水量，以及平均相對黑子數(shù)量的分析，可知氣象和水文因素有大概 11 年的變化周期規(guī)律。

2、水文統(tǒng)計法

（1）回歸分析模型

常見的回歸分析是做一元線性回歸。假設(shè)自變量與因變量之間存在線性關(guān)系，即存在 Y=a+b X 函數(shù)關(guān)系，然后通過最小一乘估計分別計算a與b的取值。求出a和b之后帶入線性關(guān)系，便可得到自變量與因變量之間的函數(shù)關(guān)系。然后已知任何一個自變量的取值，便可測算出應(yīng)變量的值。

（2）時間序列模型。主要有移動平均法、指數(shù)平滑法等。移動平均法是在算術(shù)平均法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。該方法需要大量的歷史數(shù)據(jù)，而且未考慮到觀測期最新因素的影響。為了克服這些缺陷，可以采用指數(shù)平滑法，但是指數(shù)平滑法中平滑因子是測算人員主觀估計的量，其科學(xué)性和合理性很難保證。

3、新方法

（1）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）是基于連接學(xué)說構(gòu)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(xué)系統(tǒng)。先求得輸入向量與權(quán)向量的內(nèi)積，之后通過神經(jīng)元便可經(jīng)過一個非線性傳遞函數(shù)得到一個標量結(jié)果。其中每個神經(jīng)元都發(fā)揮這樣的作用，即把一個維向量空間用一個超平而分割成兩部分，給定一個輸入向量，神經(jīng)元便可判斷出這個向量在超平而所處位置。

（2）灰色系統(tǒng)理論

灰色系統(tǒng)理論是關(guān)于如何控制信息不完全或不確定系統(tǒng)的理論，具體操作的時候，是將原始數(shù)據(jù)累加生成可獲得灰指數(shù)（區(qū)間性的）函數(shù)，在這類函數(shù)的基礎(chǔ)上便可定義微分方程的背景值和平射性，有限與無限的相對性，并可定義指標拓撲空間的導(dǎo)數(shù)（即灰導(dǎo)數(shù)），從而可建立功能較強的微分方程模型。

四、長期水文預(yù)報研究的不足和展望

《水文情報預(yù)報規(guī)范》指出：“中長期預(yù)報方法目前尚不夠成熟，應(yīng)積極開展研究，為了適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展需要，有條件的水情單位，可以發(fā)布中長期水情展望，只提供領(lǐng)導(dǎo)掌握參考，不作為采取具體措施的依據(jù)，并注意結(jié)合實際變化，隨時對展望進行補充修正”。造成這種狀況的根本原因有主客觀方面。主要是對于長期水文預(yù)報認識不足，視程度也不夠。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，對自然資源開發(fā)與環(huán)境保護意識的增強，流域內(nèi)各部門對防洪和供水預(yù)見期的要求越來越高。生產(chǎn)的需求必然會推動科技的發(fā)展，所以，長期水文預(yù)報的研究將會愈來愈引起科研人員的重視。

結(jié)束語

水文系統(tǒng)是一個龐大的非線性體系，它涵蓋著系統(tǒng)運行時間與空間的變換關(guān)系。就系統(tǒng)的水文現(xiàn)象而言，運用物理探測模式是相對困難的，因此數(shù)理統(tǒng)計是一種較為普遍的方式。近年來，由于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的出現(xiàn)，促進了我國水文預(yù)報工作的深入發(fā)展。對此，本文有針對性地對 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在水文預(yù)報工作中的應(yīng)用進行了深入研究，對暴雨天氣、河流水文、河道徑流以及水資源配置進行了系統(tǒng)分析，以期在未來的日子里促進我國水文預(yù)報工作更加有序的開展。在中長期水文預(yù)報方法這個問題上，我們?nèi)匀恍枰龀龈钊氲难芯颗c探索，以期為新時期的水文預(yù)報工作做出貢獻。

參考文獻：

[1]湯成友，官學(xué)文，張世明現(xiàn)代中長期水文預(yù)報方法及應(yīng)用北京：中國水利水電出版社，2008

[2]丁晶，黃偉軍，鄧育仁.水文水資源人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的研究水資源研究，1996