中長期水文預報方法的應用

譚思源

(東北農業大學 水利與土木工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

中長期水文預報，即任一水文氣象要素的長期歷史實測值具有一定的持續性、相似性、周期性、最大最小可能性。在解決防洪抗旱以及各部門用水間矛盾等問題上，能夠及早采取措施進行統籌安排[1]。

本文通過對江橋水文站1954—2017年64 a間的年降雨資料，采用周期均值疊加方法建立中長期水文預報模型，探索嫩江流域中長期水文預報方法，為嫩江流域水資源統一規劃管理、優化配置、中長期水文預報提供參考依據和理論支撐。

1 理論概述

1.1 模型原理

一個水文要素序列可以看成是有限個具有不同周期波相互疊加而成的過程，其數學模型為：

(1)

式中：x(t)為水文要素序列；pi(t)為第i個周期波序列；ε(t)為誤差項。

1.2 實現過程及顯著性檢驗

設某水文要素隨時間變化的等時矩樣本序列為xj，將其分為b組(b=2,3,…,m),m的取值如下：

(2)

表1 試驗周期分組表

對于不同的b，可計算得到相應的方差比F為：

(3)

(4)

(5)

f1=b-1

(6)

f2=n-b

(7)

當b分別取2，3，…，m時，可計算得m-1個F值。由f1、f2和選定的信度α，可以查出相應的m-1個Fα，挑選最大的F值，與對應的Fα值比較，如果F>Fα，則表明存在周期，對應的b即為周期長度，各組均值即為第一周期波隔年的振幅[2-3]。

2 研究地概況

作為一類精度站、國際重要水文站和國際水情報訊站的江橋水文站，是省際界河站，坐落于泰來縣江橋鎮。該站控制流域面積162 569 km2，控制河長1146 km。多年平均氣溫4.2 ℃左右，無霜期146 d，歷年最高氣溫41.6 ℃，最低氣溫-35.2 ℃。

3 實例分析

3.1 資料選取

本實驗論文選取嫩江江橋水文站1954—2017年實測降雨值序列。

3.2 方法論證

基于模型理論原理的闡述，在簡便計算，節省時間，提高計算準確度的基礎上編制一套程序代碼。周期分析疊加子程序應用visual basic6.0程序代碼。

經分析計算1954—2017年數據樣本，得到在信度α=0.05時，識別出29、7、15、22、13共5個周期，其情況見表2。

表2 周期識別結果表

圖1顯示的是經編程計算得到的信度為0.05時，得到的5個周期數值，對應的圖形變化。其中，周期1、2、3、4、5均表現出一定的規律性變化，周期1中1979年和2009年為周期循環年；周期2和3均為6 a一循環，且呈鋸齒狀變化較為明顯；周期4中1976年和1997年為周期循環年，圖中出現了3個波峰和3個波谷；周期5中每10 a一循環，無明顯波峰表象，波谷表現明顯。

圖1 江橋站周期過程圖

圖1中所示為5個不同信度模擬出的預測流量的分量，從圖中看，第2、3、4、5周期均存在流量負值。在各分量疊加后，形成徑流預測值，與實際值做對比擬合分析(如圖2所示)，顯然，分量只能展示在該信度的情況下的徑流分析，不能代表整體情況，需用五個信度形成的疊加值做整體分析，有科學依據。

基于圖1和表2得出的結論，將5個周期疊加與實測數據進行擬合分析，查看擬合效果是否良好，如良好，在此基礎上進行預測；如擬合不好，需重新查找問題。擬合情況見圖2。

圖2 江橋站最大流量擬合圖

從圖2中可以看出，實測值與預測疊加值擬合效果很好，在圖中最高點和最低點均能保持比較一致的狀態。在圖中最右側，只有預測值的位置，是在擬合效果好的基礎上，模擬的未來幾年預報數值。由于均值疊加方法具有一定的變化性、不規律性和瞬時性，它只能根據現有的情況，在此基礎上預測一段時間的數據，不能作為一個長期不變的定值來應用。

由圖2得出，擬合情況良好，該模型也對未來一段時間的中長期預報進行了理論預測。模擬預報2017年最大流量6776.25 m3/s，實際最大流量6480 m3/s，絕對誤差296.25 m3/s。

4 結 語

(1)應用周期外延疊加法進行預報，只是假定周期在未來的一段時間內是不變的。然而，水文要素不會按照固定的規律、周期進行變化，所以該種預報方法只能推測未來一段時間內的情況，不可無限外延。

(2)進行周期識別時，應盡量選擇適當的信度，防止信度過高，可能導致識別不出周期。