湯旺河五營站開河日期預(yù)報(bào)方法分析

劉丹丹，劉桂桂，田長濤

(1.伊春水文局五營水文站，黑龍江伊春153033;2.伊春水文局，黑龍江伊春153000)

河流冰情預(yù)報(bào)是近年來逐漸興起并得到普遍重視的課題，它與洪水預(yù)報(bào)一樣在交通、水利和國防建設(shè)等方面能帶來巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。影響河流冰情的因素較多，主要包括:熱力因素、動(dòng)力因素、河道形態(tài)、人為因素、上下游因素和地表徑流因素等。這些因素均可以單獨(dú)或綜合成為影響河流冰情的控制因素。由于影響河流冰情的因素較多且冰情變化的物理成因復(fù)雜，目前國內(nèi)外還沒有提出具體的冰情預(yù)報(bào)要素值與其影響因素之間的確切函數(shù)關(guān)系。當(dāng)前冰情預(yù)報(bào)的手段主要有經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖法、回歸分析法和各類預(yù)報(bào)模型法(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法)，上述各類方法都是在寬泛的范圍內(nèi)選擇已知的冰情影響因素與預(yù)報(bào)要素建立某種聯(lián)系來進(jìn)行河流冰情預(yù)報(bào)，各方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足。由于技術(shù)手段的限制，本文從實(shí)際工作需要出發(fā)，采用回歸方程法來對(duì)河流開河日期預(yù)報(bào)進(jìn)行實(shí)例分析?；貧w方程是根據(jù)預(yù)報(bào)要素與其相關(guān)因子觀測資料求出的兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，其中的參數(shù)按最小二乘原則確定。

1 分析樣本資料選擇

本文所述河流開河是指冰體解凍消融并結(jié)束連續(xù)流冰后河流開始暢流的現(xiàn)象。隨著氣溫升高和陽關(guān)的輻射，冰層逐漸開始融化，當(dāng)封凍狀態(tài)的結(jié)冰體在陽光、水流和風(fēng)力等因素的作用下無法繼續(xù)維持穩(wěn)定封凍狀態(tài)時(shí)就會(huì)發(fā)生流凌現(xiàn)象，流凌持續(xù)一段時(shí)間后流凌密度會(huì)逐漸減小，直至消失。河流每年的開河日期與交通、航運(yùn)、水利施工和水利工程運(yùn)行關(guān)系密切，目前已知開河日期與下列因素具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。具體公式為:

式中:F為開河日期;Ta為氣溫，℃;Tw為水溫，℃;Q為流量，m3/s;H為水位，m;Vs為流速，m/s;h為冰厚，m;Ra為陽光輻射值;Ws為風(fēng)速，m/s;Wd為風(fēng)向;S為槽蓄水量，m3;J為地表徑流量，m3;Ri為河道形態(tài)、Fup為上游開河影響;Fdn為下游開河影響。

江河解凍開河是各種影響因素綜合共同作用的結(jié)果，各影響因素之間互相影響且互為主導(dǎo)因素。例如通常情況下氣溫是影響河流解凍的主要影響因素，但在氣溫一定的情況下，降雨、風(fēng)力以及上下游的開河情況等因素的變化都可成為影響開河日期的主要因素。目前，開河日期與各影響因素之間仍無確定的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系。由于實(shí)測資料的限制，無法采用式(1)中所有的影響因素值來進(jìn)行開河日期預(yù)報(bào)分析，本文將式1簡化為:

式中:Fk為預(yù)報(bào)值，即預(yù)報(bào)發(fā)布日4月1日至預(yù)測開河日的間隔天數(shù)(根據(jù)實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，湯旺河歷年開河日期都在4月1日以后);Ta為預(yù)報(bào)發(fā)布日至開河日的累積正氣溫，代表天氣氣候情況(實(shí)際預(yù)報(bào)時(shí)需要參考?xì)庀箢A(yù)報(bào)結(jié)果);Qi為3月份平均流量，代表徑流情況;hb和hx分別代表冰厚和冰上雪深，這2個(gè)值代表冰蓋情況;Hi為預(yù)報(bào)發(fā)布日的水位，代表水文條件。上述參數(shù)的選用充分考慮了開河機(jī)理因素，各參數(shù)與開河日期關(guān)系密切。

2 開河預(yù)報(bào)回歸方程模型實(shí)例應(yīng)用

2.1 預(yù)報(bào)發(fā)布日選擇

通過實(shí)例資料分析，該站開河日期最早為4月13日，最遲為4月29日，所以預(yù)報(bào)發(fā)布日選4月1日。累積正氣溫Ta值在歷史數(shù)據(jù)擬合階段采用實(shí)測8時(shí)觀測的零上氣溫值進(jìn)行累計(jì)，缺測日按內(nèi)插法求出，實(shí)際預(yù)報(bào)時(shí)采用氣象預(yù)報(bào)值累計(jì)估算。流量Qi采用3月份平均流量。冰厚hb和冰上雪深hx采用預(yù)報(bào)發(fā)布前(4月1日)最后一次觀測值。水位Hi采用預(yù)報(bào)發(fā)布日8時(shí)水位。

2.2 回歸方程模型建立

選擇上述各參數(shù)建立回歸方程模型，公式為:

式中:X1至X5為各參數(shù)系數(shù)，C為方程常數(shù)項(xiàng)。

利用實(shí)測歷史資料和參數(shù)率定軟件得出預(yù)報(bào)方程:

使用該方程對(duì)五營站1957—2010年開河日期進(jìn)行了歷史擬合，按預(yù)見期最長為15 d，允許誤差＜5 d為控制標(biāo)準(zhǔn)，最終擬合結(jié)果合格率為79.6%，達(dá)到乙級(jí)預(yù)報(bào)方案標(biāo)準(zhǔn)，歷史資料擬合過程見表1。

表1 湯旺河五營站開河日期歷史擬合成果表

表1 湯旺河五營站開河日期歷史擬合成果表 續(xù)表

3 結(jié)語

1)經(jīng)分析可知，回歸方程在河流冰情預(yù)報(bào)方面具有一定的實(shí)用價(jià)值。文中所選預(yù)報(bào)因子與預(yù)報(bào)要素之間存在密切的影響關(guān)系，回歸方程能夠在這些預(yù)報(bào)因子的歷史序列資料中得出一定的規(guī)律，并能從中進(jìn)行冰情預(yù)測。

2)本文選用的實(shí)例資料在目前北方河流實(shí)測冰情資料中具有一定的代表性。預(yù)報(bào)方法和資料樣本的選用原則都充分考慮了開河機(jī)理與樣本數(shù)據(jù)的相關(guān)程度，歷史擬合精度較高，能夠?yàn)橄嗨屏饔蛟陂_展冰情預(yù)報(bào)工作時(shí)提供參考借鑒。

3)文中所述回歸方程模型的數(shù)據(jù)樣本完全來自歷史實(shí)測值，預(yù)報(bào)精度僅代表歷史擬合成果精度，實(shí)際預(yù)報(bào)時(shí)還要依賴天氣預(yù)報(bào)值，這將在一定程度上影響到預(yù)報(bào)的成果精度，所以今后還有待對(duì)方程模型進(jìn)行完善和提高。

［1］水利部水利信息中心.SL250—2000水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2000.

［2］程根偉，舒棟材.水文預(yù)報(bào)的理論與數(shù)學(xué)模型［M］.北京:中國水利水電出版社，2006.