泛議黑龍江省冰情預報研究的意義

肖興濤，張鵬遠，馮 健

(1.黑龍江省水文局，哈爾濱150001;2.哈爾濱市水文局，哈爾濱150010)

0 研究背景

黑龍江為我國最高緯度的大江河之一，上游49.3萬km2及近1 000 km的河段上經常發生冰壩凌汛洪水。上源從洛古河至馬倫一帶249 km的河段為冰壩多發河段，幾乎每年都是倒開江，出現不同程度的卡塞或冰壩。松花江是黑龍江右岸最大支流，松花江中游流經平原地區，接納了大部分的支流洪水，進入通河后又流經山丘區。約300 km的河道束狹彎曲，右岸山地連綿，致使河冰受熱解體時間明顯滯后，每年凌汛洪水幾乎都在這里卡塞，形成明顯的凌汛過程。冰壩凌汛是黑龍江、松花江水文情勢的一個突出特點，嚴重冰壩時，造成河道堵塞，攔蓄水流，河水出槽，冰排上岸，洪水波及千余公里，沖毀房屋、堤階、沿江水利設施，淹沒耕地，造成嚴重冰凌災害。

新中國成立以來，各級政府和水文機構對冰壩凌污逐漸引起重視，先后開展了分析預報和調查工作。但由于受到科學技術的限制，以往的分析都限于水位統計，對冰壩的成因無所揭示。及時準確的冰情預報是有效防治凌汛災害的非工程措施，是各級領導進行防凌指揮、調度決策的重要科學依據。而原有的冰情預報系統以統計和經驗相關為主，考慮因素不全，屬于靜態預報法，引用條件由于近年來氣候和河道條件發生變化而受到限制;且原模型所有軟件和技術方法較落后，不能反映變化了的新形勢，遠不能滿足新的防凌形勢和水資源管理需要。隨著冰情預報研究的深入，需要建立有理論依據、考慮因素較全且能進行動態連續演算預報而且精度較高的河段冰情預報數學模型支撐冰情預報工作。

1 冰情研究現狀

冰情現象包括冰的形成、發展、運動、積累、融解的過程，是冬季影響河道運行的重要因素，它直接影響到水利工程的運行和維護、水力發電、內陸航運、冬季輸水、河流的環境和生態等問題。雖然目前對河流結冰狀況的研究還遠落后于無冰時的研究，但是在冰情研究方面也取得了一定成果。

冰情數值模型研究的興起是計算機得到應用的結果。隨著計算機的發展和對冰情物理現象認識的加深，人們對河冰水力學數學模型不斷地進行完善，特別是在20世紀80年代以后相繼提出了不少河冰模型。早期如Simonsen等人，Petrykt，Michel和 Drouint，Gralkins 等分別應用恒定流理論對Ottaquechee和St.Lawence河的冰凍過程進行了數學模擬。這些模型是建立在恒定或準恒定狀態水力模型基礎上的，冰密度與水溫分布沿程變化均未考慮。從1984年開始，人們開始研究河冰非恒定流數學模型，考慮了水流非恒定流及水溫和冰密度分布沿程的變化，相繼建立了一維非恒定河冰數學模型。

我國冰情的研究起步較晚，開始于20世紀50～60年代，隨著冰情研究的不斷深入，冰情研究方面的發展很快，主要體現在預報方法由經驗統計到經驗相關逐步上升到建立在理論基礎上的數學模型，預報精度逐漸提高。早在1954年就開展了較為系統的冰情觀測(陳儲軍1997)。1963～1964年冬季，東北勘測設計院和白山水電工程處聯合對松花江流域白山河段的冰情現象進行了長期的觀測(潘漱芳，靳銘欽，劉聞宙等1964)。1989年黃委會水文局李若宏等主編《黃河流域實用水文預測方案》，在冰情預報中發揮很大的作用。1994年陳贊廷建立了黃河下游冰情預報數學模型，1998年可素娟建立了黃河上游冰情預報數學模型，這兩個冰情預報數學模型采用經驗和理論結合的方法，經運用證明精確度高，應用方便，至今仍在黃河防凌中發揮作用。

2 冰情研究意義

冰情、水情預報是各級防汛主管部門進行防凌指揮、調度、決策的重要科學依據。黑龍江上游、松花江下游河段及時準確的冰情和水情的監測、預報與及時采取防凌調度是防治以上河段凌汛災害有效的非工程措施之一。

傳統的冰情預報數學模型與統計及經驗相關法比較起來，是一種理論與經驗相結合的方法，一方面是建立在熱力學理論與冰水力學基礎上，另一方法用實測資料率定參數，具有精度較高、預見期長、預報項目全、預報手段先進、快速和可以進行動態預報與實時修正相結合等優點。然而冰情本身的復雜性及河道沖淤多變、主流擺動頻繁、多彎道、淺灘、叉河、束狹等，使冰情規律很難掌握，另外河道資料欠缺，這給傳統數學模型在冰情預報中的應用造成極大困難。目前可以充分利用人工神經網絡所具有的自學習能力、非線性映射能力、對信息處理較強的魯棒性和容錯性，能夠克服上述種種困難，根據已學習的知識和處理問題的經驗對復雜問題作出合理的判斷決策，給出較滿意的解答，對未來過程作出有效的預測和估計，使得傳統技術應用最為困難的知識獲取工作轉換為網絡的自學習調節過程，提高了預報的精確度。

地理信息是水利工作的重要基礎之一，傳統的對地理信息的手工管理方式已經被科學技術的進步所淘汰，水利行業需要運用先進的信息管理手段來提高工作效率，推進信息化建設進程。地理信息系統技術為水利行業信息管理的標準化、網絡化、空間化提供了有效的工具。隨著計算機硬件性能的提高、儲存容量的加大和運算速度的加快，以及GIS基礎平臺的日趨成熟，基于GIS系統的冰情預測預報信息系統的開發建設已成為可能。GIS的數據輸入、管理、查詢、輸出及空間分析操作，特別是它所建立的二維矢量拓撲關系及網絡分析功能，為水信息的管理、查詢、分析提供了強有力的工具。

將冰情預報模型與GIS技術相結合，建立基于地理信息的冰情預報決策支持系統，用于流域的水情、冰情的分析管理，是實現我省水利信息化的重要任務之一。其意義主要體現在以下5個方面:

1)用計算機存儲流域地理信息大大縮小了存儲空間。

2)大大提高了查詢檢索速度。通過特定的文件格式與數據接口，將流域內的地理信息與各種分散信息有機的整合在一起，使查詢某一流域、某一站點的水情信息更加快捷，這是人工查找難以比擬的。

3)提高了管理水平。計算機查詢可以查閱流域內某個站點的水情信息，也可以查詢相鄰站點的信息，使管理工作得心應手。

4)可實現動態更新。站點實時采集信息可隨時更新，使系統信息保持較好的及時性。

5)由于使用了計算機管理，管理信息便于傳輸，一次建設，多家共享。使用網絡分析工具來優化資料調配，做各種應急處理，提高了決策的科學性。

先進的冰情預報理論和GIS技術在冰情預報系統中的應用，能夠克服傳統方法無法解決的困難，使得滿足河段冰情預報實際應用的管理信息系統的建立得以實現。

3 研究目標與主要內容

黑龍江省冰情預報系統的建設目標是:對黑龍江、松花江的氣溫、水情、冰情規律進行深入研究的基礎上，研制開發該河段的冰情預報模型，充分利用現代科學成果，將系統建成以冰情、水情、氣象、河道等資料信息為基礎，以GIS平臺為支持的一套實用、可靠、先進、高效的冰情預報系統，系統具有快速完成河段各類信息查詢、處理、冰情預報等功能，為我省防凌和水量調試提供依據。系統建成后，其預報時效和預報精度均應達到規范要求。

河段冰情預報數學模型的主要研究內容包括3個方面:

3.1 冰情預報的神經網絡數學模型

以水文學流量演算、熱力學、冰水力學、神經網絡理論等原理為基礎，建立河段冰情預報的神經網絡數學模型。該模型是在深入研究河段冰情發生、發展、消退等各個時期的水、熱特征的基礎上建立的，能根據河段及周邊地區的氣溫預報信息、各水文站流量預報信息、實測氣溫、流量、流冰量、水溫、冰厚、河道資料等，開展水溫、流凌、封河預報、開河、開河最高水位和最大流量、首封日期和地點、冰塞和冰壩等預報。在各要素預報的基礎上，對流凌、封河、開河形勢進行估計。

3.2 經驗性冰情預報數學模型的改造

對以前研究的冰情預報數學模型進行改造，應用新的資料系列重新率定參數，并開發和改進方便實用的預報軟件。

3.3 GIS平臺及決策支持系統開發

開發以GIS為平臺的決策支持系統，包括人機對話界面，各水文站實時水文、冰情的顯示、分析，未來冰情的預報，以及信息的查詢處理，模型的率定，預報修正，預報會商和管理等功能。

4 結語

以神經網絡理論為基礎，基于GIS系統的黑龍江、松花江河段冰情預測預報系統有科學的理論為支撐和便于操作的人機交互界面，能夠大大推進我省冰情預報的研究和發展，同時也能補充我國在冰壩凌汛方面薄弱環節，并為我國防凌汛安全戰略的順利實施提供強有力的技術支撐。

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