泛議黑龍江省冰情預(yù)報(bào)研究的意義

肖興濤，張鵬遠(yuǎn)，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(guó)最高緯度的大江河之一，上游49.3萬(wàn)km2及近1 000 km的河段上經(jīng)常發(fā)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(fā)河段，幾乎每年都是倒開江，出現(xiàn)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(jīng)平原地區(qū)，接納了大部分的支流洪水，進(jìn)入通河后又流經(jīng)山丘區(qū)。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(shí)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(shì)的一個(gè)突出特點(diǎn)，嚴(yán)重冰壩時(shí)，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(shè)施，淹沒耕地，造成嚴(yán)重冰凌災(zāi)害。

新中國(guó)成立以來，各級(jí)政府和水文機(jī)構(gòu)對(duì)冰壩凌污逐漸引起重視，先后開展了分析預(yù)報(bào)和調(diào)查工作。但由于受到科學(xué)技術(shù)的限制，以往的分析都限于水位統(tǒng)計(jì)，對(duì)冰壩的成因無所揭示。及時(shí)準(zhǔn)確的冰情預(yù)報(bào)是有效防治凌汛災(zāi)害的非工程措施，是各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行防凌指揮、調(diào)度決策的重要科學(xué)依據(jù)。而原有的冰情預(yù)報(bào)系統(tǒng)以統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)相關(guān)為主，考慮因素不全，屬于靜態(tài)預(yù)報(bào)法，引用條件由于近年來氣候和河道條件發(fā)生變化而受到限制;且原模型所有軟件和技術(shù)方法較落后，不能反映變化了的新形勢(shì)，遠(yuǎn)不能滿足新的防凌形勢(shì)和水資源管理需要。隨著冰情預(yù)報(bào)研究的深入，需要建立有理論依據(jù)、考慮因素較全且能進(jìn)行動(dòng)態(tài)連續(xù)演算預(yù)報(bào)而且精度較高的河段冰情預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型支撐冰情預(yù)報(bào)工作。

1 冰情研究現(xiàn)狀

冰情現(xiàn)象包括冰的形成、發(fā)展、運(yùn)動(dòng)、積累、融解的過程，是冬季影響河道運(yùn)行的重要因素，它直接影響到水利工程的運(yùn)行和維護(hù)、水力發(fā)電、內(nèi)陸航運(yùn)、冬季輸水、河流的環(huán)境和生態(tài)等問題。雖然目前對(duì)河流結(jié)冰狀況的研究還遠(yuǎn)落后于無冰時(shí)的研究，但是在冰情研究方面也取得了一定成果。

冰情數(shù)值模型研究的興起是計(jì)算機(jī)得到應(yīng)用的結(jié)果。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和對(duì)冰情物理現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的加深，人們對(duì)河冰水力學(xué)數(shù)學(xué)模型不斷地進(jìn)行完善，特別是在20世紀(jì)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(yīng)用恒定流理論對(duì)Ottaquechee和St.Lawence河的冰凍過程進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬。這些模型是建立在恒定或準(zhǔn)恒定狀態(tài)水力模型基礎(chǔ)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(shù)學(xué)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(shù)學(xué)模型。

我國(guó)冰情的研究起步較晚，開始于20世紀(jì)50～60年代，隨著冰情研究的不斷深入，冰情研究方面的發(fā)展很快，主要體現(xiàn)在預(yù)報(bào)方法由經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)到經(jīng)驗(yàn)相關(guān)逐步上升到建立在理論基礎(chǔ)上的數(shù)學(xué)模型，預(yù)報(bào)精度逐漸提高。早在1954年就開展了較為系統(tǒng)的冰情觀測(cè)(陳儲(chǔ)軍1997)。1963～1964年冬季，東北勘測(cè)設(shè)計(jì)院和白山水電工程處聯(lián)合對(duì)松花江流域白山河段的冰情現(xiàn)象進(jìn)行了長(zhǎng)期的觀測(cè)(潘漱芳，靳銘欽，劉聞宙等1964)。1989年黃委會(huì)水文局李若宏等主編《黃河流域?qū)嵱盟念A(yù)測(cè)方案》，在冰情預(yù)報(bào)中發(fā)揮很大的作用。1994年陳贊廷建立了黃河下游冰情預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型，1998年可素娟建立了黃河上游冰情預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型，這兩個(gè)冰情預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型采用經(jīng)驗(yàn)和理論結(jié)合的方法，經(jīng)運(yùn)用證明精確度高，應(yīng)用方便，至今仍在黃河防凌中發(fā)揮作用。

2 冰情研究意義

冰情、水情預(yù)報(bào)是各級(jí)防汛主管部門進(jìn)行防凌指揮、調(diào)度、決策的重要科學(xué)依據(jù)。黑龍江上游、松花江下游河段及時(shí)準(zhǔn)確的冰情和水情的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)與及時(shí)采取防凌調(diào)度是防治以上河段凌汛災(zāi)害有效的非工程措施之一。

傳統(tǒng)的冰情預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型與統(tǒng)計(jì)及經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法比較起來，是一種理論與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法，一方面是建立在熱力學(xué)理論與冰水力學(xué)基礎(chǔ)上，另一方法用實(shí)測(cè)資料率定參數(shù)，具有精度較高、預(yù)見期長(zhǎng)、預(yù)報(bào)項(xiàng)目全、預(yù)報(bào)手段先進(jìn)、快速和可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)與實(shí)時(shí)修正相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)。然而冰情本身的復(fù)雜性及河道沖淤多變、主流擺動(dòng)頻繁、多彎道、淺灘、叉河、束狹等，使冰情規(guī)律很難掌握，另外河道資料欠缺，這給傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型在冰情預(yù)報(bào)中的應(yīng)用造成極大困難。目前可以充分利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所具有的自學(xué)習(xí)能力、非線性映射能力、對(duì)信息處理較強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)性，能夠克服上述種種困難，根據(jù)已學(xué)習(xí)的知識(shí)和處理問題的經(jīng)驗(yàn)對(duì)復(fù)雜問題作出合理的判斷決策，給出較滿意的解答，對(duì)未來過程作出有效的預(yù)測(cè)和估計(jì)，使得傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用最為困難的知識(shí)獲取工作轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)過程，提高了預(yù)報(bào)的精確度。

地理信息是水利工作的重要基礎(chǔ)之一，傳統(tǒng)的對(duì)地理信息的手工管理方式已經(jīng)被科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步所淘汰，水利行業(yè)需要運(yùn)用先進(jìn)的信息管理手段來提高工作效率，推進(jìn)信息化建設(shè)進(jìn)程。地理信息系統(tǒng)技術(shù)為水利行業(yè)信息管理的標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、空間化提供了有效的工具。隨著計(jì)算機(jī)硬件性能的提高、儲(chǔ)存容量的加大和運(yùn)算速度的加快，以及GIS基礎(chǔ)平臺(tái)的日趨成熟，基于GIS系統(tǒng)的冰情預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)信息系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)已成為可能。GIS的數(shù)據(jù)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?fù)潢P(guān)系及網(wǎng)絡(luò)分析功能，為水信息的管理、查詢、分析提供了強(qiáng)有力的工具。

將冰情預(yù)報(bào)模型與GIS技術(shù)相結(jié)合，建立基于地理信息的冰情預(yù)報(bào)決策支持系統(tǒng)，用于流域的水情、冰情的分析管理，是實(shí)現(xiàn)我省水利信息化的重要任務(wù)之一。其意義主要體現(xiàn)在以下5個(gè)方面:

1)用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)流域地理信息大大縮小了存儲(chǔ)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(shù)據(jù)接口，將流域內(nèi)的地理信息與各種分散信息有機(jī)的整合在一起，使查詢某一流域、某一站點(diǎn)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(jì)算機(jī)查詢可以查閱流域內(nèi)某個(gè)站點(diǎn)的水情信息，也可以查詢相鄰站點(diǎn)的信息，使管理工作得心應(yīng)手。

4)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)更新。站點(diǎn)實(shí)時(shí)采集信息可隨時(shí)更新，使系統(tǒng)信息保持較好的及時(shí)性。

5)由于使用了計(jì)算機(jī)管理，管理信息便于傳輸，一次建設(shè)，多家共享。使用網(wǎng)絡(luò)分析工具來優(yōu)化資料調(diào)配，做各種應(yīng)急處理，提高了決策的科學(xué)性。

先進(jìn)的冰情預(yù)報(bào)理論和GIS技術(shù)在冰情預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠克服傳統(tǒng)方法無法解決的困難，使得滿足河段冰情預(yù)報(bào)實(shí)際應(yīng)用的管理信息系統(tǒng)的建立得以實(shí)現(xiàn)。

3 研究目標(biāo)與主要內(nèi)容

黑龍江省冰情預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是:對(duì)黑龍江、松花江的氣溫、水情、冰情規(guī)律進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)該河段的冰情預(yù)報(bào)模型，充分利用現(xiàn)代科學(xué)成果，將系統(tǒng)建成以冰情、水情、氣象、河道等資料信息為基礎(chǔ)，以GIS平臺(tái)為支持的一套實(shí)用、可靠、先進(jìn)、高效的冰情預(yù)報(bào)系統(tǒng)，系統(tǒng)具有快速完成河段各類信息查詢、處理、冰情預(yù)報(bào)等功能，為我省防凌和水量調(diào)試提供依據(jù)。系統(tǒng)建成后，其預(yù)報(bào)時(shí)效和預(yù)報(bào)精度均應(yīng)達(dá)到規(guī)范要求。

河段冰情預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型的主要研究?jī)?nèi)容包括3個(gè)方面:

3.1 冰情預(yù)報(bào)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型

以水文學(xué)流量演算、熱力學(xué)、冰水力學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論等原理為基礎(chǔ)，建立河段冰情預(yù)報(bào)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型。該模型是在深入研究河段冰情發(fā)生、發(fā)展、消退等各個(gè)時(shí)期的水、熱特征的基礎(chǔ)上建立的，能根據(jù)河段及周邊地區(qū)的氣溫預(yù)報(bào)信息、各水文站流量預(yù)報(bào)信息、實(shí)測(cè)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(yù)報(bào)、開河、開河最高水位和最大流量、首封日期和地點(diǎn)、冰塞和冰壩等預(yù)報(bào)。在各要素預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，對(duì)流凌、封河、開河形勢(shì)進(jìn)行估計(jì)。

3.2 經(jīng)驗(yàn)性冰情預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型的改造

對(duì)以前研究的冰情預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行改造，應(yīng)用新的資料系列重新率定參數(shù)，并開發(fā)和改進(jìn)方便實(shí)用的預(yù)報(bào)軟件。

3.3 GIS平臺(tái)及決策支持系統(tǒng)開發(fā)

開發(fā)以GIS為平臺(tái)的決策支持系統(tǒng)，包括人機(jī)對(duì)話界面，各水文站實(shí)時(shí)水文、冰情的顯示、分析，未來冰情的預(yù)報(bào)，以及信息的查詢處理，模型的率定，預(yù)報(bào)修正，預(yù)報(bào)會(huì)商和管理等功能。

4 結(jié)語(yǔ)

以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，基于GIS系統(tǒng)的黑龍江、松花江河段冰情預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)有科學(xué)的理論為支撐和便于操作的人機(jī)交互界面，能夠大大推進(jìn)我省冰情預(yù)報(bào)的研究和發(fā)展，同時(shí)也能補(bǔ)充我國(guó)在冰壩凌汛方面薄弱環(huán)節(jié)，并為我國(guó)防凌汛安全戰(zhàn)略的順利實(shí)施提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

[1]肖迪芳.寒區(qū)凍土水文學(xué)概論[G]//全國(guó)冰工程學(xué)會(huì)文件匯編.大連:全國(guó)冰工程學(xué)會(huì)，1996:345－368.

[2]劉桂筠，徐德治.松花江冰壩形成條件和預(yù)報(bào)方法[J].水文，1992(4):34－36.

[3]樸承榮，等.水文預(yù)報(bào)方法[M].北京:水利電力出版社，1992:45－48.

[4]可素娟，王敏，饒素秋，等.黃河冰凌研究[M].鄭州:黃河水利出版社，2000:8－10.