海南島2020 年汛期來水量預測

張 鷺，莫書平

（海南省水文水資源勘測局，海南 海口 570100）

洪水災害一直是威脅人類生命和財產的主要自然災害之一，提高預測精度，減少暴雨洪水災害帶來的損失，對于維護社會安定、優化水資源調度和開發利用、工農業的生產建設具有重要的指導意義。降雨徑流預測的方法主要有數理統計預測方法、數學物理模型預報方法等。隨著數值計算技術的發展，水文預測同其它學科也有了交叉并產生了一些新的方法，如：人工神經網絡方法、灰色系統預測方法、投影尋蹤方法及均生函數預測方法等[1]。

1 海南水情概況

海南島位于我國的最南端，四面環海，屬熱帶季風海洋性氣候，總面積3.54 萬km2，降雨豐沛，年降雨量1750 mm，河網密集，其中三大江河南渡江、萬泉河、昌化江總流域面積為1.574 萬km2，占海南島全島面積的44.5%。海南汛期頻繁遭受臺風暴雨影響，且降雨集中在汛期，以2019 年為例，汛期（5 月～11 月）降雨量約占全年降雨的90%，汛期防洪壓力較大。2019 年至今，海南降雨量持續偏少，降雨總體較常年略偏少1 成以上，江河來水量偏少2 成左右。由于水文站網在中小河流覆蓋不全面，全島來水量通常使用三大江河控制水文站徑流量反推計算得出。

2 來水量預測方法及原理

2.1 相似年法

相似年法是在水文氣象領域中長期預測的常用方法之一，基本原理是如果當前一段時間的某氣象要素與歷史上某一時段的要素較為相似，可以假定引起此氣象要素變化的物理因素是相似的，并且有可能在今后的一段時間保持相似性[2]。根據前期降雨資料，以一定標準查找歷史上降雨較為接近的年份，并且依據降雨和徑流量的相關性，參考降雨相似年來水量推算預測年度來水量。本文利用海南現有前期降雨資料（2019 年10 月～2020 年2 月），同1970 年～2019 年50 年同時間段的歷史資料進行比對，以逐月降雨量差異進行比較，選取1978 年、1981年、1988 年、1992 年、2001 年、2005 年為降雨相似年。

2.2 均生函數模型

均生函數模型是基于系統狀態前后記憶的基本思想，構造1 組周期函數，通過分析原序列與這組周期函數間的統計關系，建立相應的統計預測模型，來進行歷史資料的擬合和未來趨勢的預測。均生函數目前多用在降雨、氣象、洪水等預測當中[3～5]。

2.3 灰色系統預報方法

灰色系統理論方法是將水文研究對象視為一個受到不確定性干擾并且水文氣象信息不完全的系統，運用灰色系統分析觀點與理論來研究水文系統的輸入、輸出關系的方法。灰色系統適用于數據量少、信息不確定性強的系統，目前已被廣泛的應用于水利、水環境、氣候等行業的預測[6～9]。

根據輸入數據的不同，本文使用灰色單因子和灰色多因子兩種方式對來水量進行模擬，灰色單因子使用歷年來水量作為模擬對象進行預測，灰色多因子除歷年來水量外，增加同期降雨量或控制站水位作為模擬因子。

2.4 投影尋蹤

投影尋蹤技術采用“審視數據- 模擬- 預測”的數據分析新方法。它可以較好地解決一定程度的非線性、非正態分布數據的問題。其基本思想是：利用計算機技術，把高維數據通過某種組合投影到低維子空間上，并通過極小化某個投影指標，尋找出能反映原數據結構或特征的投影，以達到研究和分析高維數據的目的。投影尋蹤在處理超高維、小樣本數據方面具有較強的適應應，且操作便捷，目前普遍應用于水土保持、水利等領域[10～13]。

3 預測結果分析

3.1 近期降雨來水及趨勢分析

2020 年第一季度（1 月1 日～4 月1 日），全省平均面雨量為75.1 mm，較多年同期偏少15.4%，根據三大江河實測資料推算全島來水量26.062 億m3。與多年同期來水量（33.334 億m3）相比，全省偏少21.8%。

結合1970 年～2019 年汛期（5 月～11 月）累計降雨分析，海南降雨存在一定周期性，周期長約10 年～15 年，歷年汛期降雨見圖1。

圖1 歷年海南省汛期累計降雨及趨勢分析

根據圖1 可知，2020 年汛期降雨在多年平均值以上徘徊，5 年滑動平均及年代紀統計均顯示略高于多年平均值。

3.2 相似年法預測結果

根據降雨資料確定的相似年(1978 年、1981 年、1988 年、1992 年、2001 年、2005 年)，分別計算南渡江、萬泉河、昌化江及海南島汛期（5 月～11 月）預測來水，并且和多年平均值進行比較，見表1。

根據表1，南渡江預測汛期來水49.647 億m3，比多年平均值偏多2.3%，萬泉河預測汛期來水48.086 億m3，比常年同期偏多12.0%，昌化江預測汛期來水47.124 億m3，比常年同期偏多30.0%，海南全島預測汛期來水311.356 億m3，比多年平均值偏多13.4%。

表1 相似年法預測海南汛期全島來水 單位：億m3

3.3 數理統計法計算結果

使用1970 年～2019 年共50 年的海南島三大江河南渡江、萬泉河、昌化江的逐月來水量資料，用均生函數、灰色系統、投影尋蹤三種方法分別對三大江河2020 年汛期來水進行逐月模擬計算。

模擬過程中發現，均生函數模擬效果較好，投影尋蹤次之，灰色系統的模擬效果較差，灰色單因子僅能反映大致變化趨勢，不能反映變化特征。南渡江8 月份來水情況模擬結果見圖2。

圖2 歷年海南省汛期累計降雨及趨勢分析

同樣以南渡江歷年8 月份來水量為例，使用均生函數、投影尋蹤、灰色多因子三種方法近10 年的模擬成果進行相對擬合誤差計算，結果證明均生函數模擬效果最好，平均相對擬合誤差最小，為11.4%，投影尋蹤模擬效果次之，平均相對擬合誤差為12.3%，灰色多因子模擬效果不理想，平均相對擬合誤差為27.5%。

綜合以上多種預測方法，三大江河汛期來水量預測結果見表2。

表2 汛前（5 月～11 月）數理統計法預測結果

續表2

由表2 可知，除南渡江略低于多年同期值以外，萬泉河及昌化江的汛期來水均略高于多年平均值，推測海南全島來水281.207 億m3，略高于多年平均值274.501 億m3。

4 結論

綜合考慮降雨豐枯變化趨勢，相似年及數理統計方法預測結果，預測三大江河汛期來水，見表3。

表3 汛期（5 月～11 月）三大江河來水預測結論

進入四月以來，降雨明顯增多，海南今年4 月平均面雨量103.1 mm，較多年同期偏多13.0%，綜合預測本年度海南全島汛期來水基本接近常年同期水平至偏多1 成左右，屬平水年份，但由于中長期預報不確定因數較多，且近年來極端天氣頻發，發生超警洪水及各類水生災害的概率也會相應的有所提高，且受厄爾尼諾事件影響，前期海溫中性偏暖，副高面積偏大強度偏強，氣候形勢復雜，相關部門還應密切關注氣候變化，加強水雨情監測，做好防汛防澇相關準備。