探討水情預(yù)報系統(tǒng)多方案綜合預(yù)測

賈鯤

摘 要：水情預(yù)報系統(tǒng)具有一定的復(fù)雜性且其會受到多種因素的影響，多方案的水情預(yù)報系統(tǒng)是當(dāng)前探索水情預(yù)報預(yù)測的新思路，本文主要從理論和時間兩方面對多方案水情預(yù)報系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析和探討。

關(guān)鍵詞：水情預(yù)報系統(tǒng)；多方案；綜合預(yù)測

1 前言

我國幅員遼闊，河流水系眾多，由于受到季風(fēng)氣候和地理位置的影響，我國的降水時空分布不均勻?qū)е潞闈碁?zāi)害常發(fā)。我國每年因為洪澇災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)百億特別是進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，洪澇災(zāi)害的損失也日益嚴(yán)重，洪澇災(zāi)害已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一。水情預(yù)報系統(tǒng)涉及水文、氣象、地理、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)以及人類生產(chǎn)活動等是一項十分復(fù)雜且巨大的系統(tǒng)，由于水情預(yù)報系統(tǒng)內(nèi)部因素和外部因素之間存在較為復(fù)雜的交互作用關(guān)系和因果關(guān)系；以及各物理量的運行機理的不確定性造成了水情預(yù)報系統(tǒng)的復(fù)雜性。

2 多方案綜合預(yù)測理論分析

假設(shè)我們使用n個預(yù)測方案對水情預(yù)報系統(tǒng)開展實時預(yù)測，那么其綜合預(yù)測模型為：

Y=W1Y1+W2Y2+…+WnYn

其中Y表示多方案水情預(yù)測系統(tǒng)綜合協(xié)調(diào)預(yù)測解

Yi表示第i個方案的單獨的預(yù)測值，Wi則表示為第i個預(yù)測方案的權(quán)重，多方案水情預(yù)測值應(yīng)該滿ΣWi=1。為了簡化對數(shù)據(jù)的分析，首先選擇兩個方案進(jìn)行綜合性預(yù)測，其預(yù)測值表示為：Yo=W1Yo1+W2Yo2；根據(jù)綜合預(yù)測的權(quán)重定義存在W1+W2=1因此可以將=W1+W2改寫成=+（1-），可以根據(jù)預(yù)測方案的方差公式D（e）=W21D（e1）+（1-W1）?D（e2）對W1（也就是權(quán)重求導(dǎo)）并將其設(shè)置為零，使其方差最小最終就會求得W1權(quán)重。假設(shè)方案1和方案2之間不存在關(guān)系是相互獨立的，他們各自的殘差，服從獨立的正態(tài)分布并且和之間并沒有偏估計值，根據(jù)綜合預(yù)測的殘差顯示多方案綜合預(yù)測方法可以改善其預(yù)測效果且多方案的綜合預(yù)測值要明顯高于各構(gòu)成方面的單個預(yù)測值。根據(jù)最小二乘法公式：

可以求得假設(shè)方案1和方案2的偏差范圍為13%，在在預(yù)報誤差20%以內(nèi)。

3 多方案綜合預(yù)測的實際應(yīng)用

湘潭水文站是干流的總控制站，該水文站在長期的水情預(yù)測預(yù)報對沿岸乃至湖區(qū)的防洪防汛決策工作起到了重要作用。 湘水是湖南省境內(nèi)的第一大河流，也是長江七大支流之一，發(fā)源于廣西臨桂縣海洋山，湘水為南北走向，與我國雨帶分布垂直。 湘潭水文站設(shè)立于1936年1月，為湘水流域總控制站，是國家重要水文站，距河口約90km，集水面積81638km2，實測多年平均流量2060m3/s，多年平均徑流量650億m3。

對該水文站1994年最高洪水水位進(jìn)行長期預(yù)測預(yù)報設(shè)置了4種方案。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，長期水位預(yù)報誤差不超過水位要素變化幅度的20%即為合格，該水文站每年最高的洪水水位實施預(yù)測變化幅度為7.44m，當(dāng)預(yù)測誤差在1.49m內(nèi)即為預(yù)報合格，在1994年實際出現(xiàn)的年最高洪水水位是41.94m，上述幾套預(yù)報方案的誤差都在2m以上和實際水位變幅存在較大區(qū)別都被視為不合格預(yù)報。

根據(jù)表格可以看出，2014年該水文站的長期預(yù)報年最高洪水水位并不準(zhǔn)確，對不同的方案進(jìn)行比較分析，其結(jié)果均大于規(guī)定的1，49m，以此其預(yù)報均為不合格。如果選擇不同的預(yù)測方案并對其進(jìn)行組合之后，綜合預(yù)測的預(yù)報精度會發(fā)生改變，如果單純選擇一種預(yù)報方案對年最高洪水水位預(yù)測其預(yù)報誤差值高達(dá)3.02，4種方案中預(yù)測效果最好的方案也存在2.02的誤差值都是不合格的預(yù)報，如果選擇四中方案進(jìn)行綜合預(yù)報就會提高其預(yù)報的準(zhǔn)確率，降低預(yù)報洪水水位和實際洪水水位之間的誤差值。使用一種預(yù)報方案對年最高洪水水位進(jìn)行預(yù)測時，預(yù)報的風(fēng)險較大，如果利用多種預(yù)報方案綜合預(yù)報，預(yù)測結(jié)果會隨著方案個數(shù)的增加其風(fēng)險性會降低，這一結(jié)論和實際理論分析保持一致。

4 水情預(yù)報系統(tǒng)的研究內(nèi)容及實際應(yīng)用

4.1 水情預(yù)報系統(tǒng)在汛期的應(yīng)用

在汛期首先應(yīng)該對汛期降水量進(jìn)行分析之后還要對雨水狀況的規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，之后還要不斷加強對汛期的監(jiān)控。在汛期要時刻關(guān)注汛情的變化，還要不斷加強對水情預(yù)測的管理工作。在不斷關(guān)注天氣變化的同時及時和氣象部門進(jìn)行溝通交流，保障水情預(yù)報的周期性，同時還要針對汛情預(yù)報進(jìn)行詳細(xì)的研究討論。水情預(yù)報工作要針對小范圍內(nèi)的天氣變化進(jìn)行跟蹤分析，由于汛期汛情的變化較快且不容易掌握其變化規(guī)模因此需要進(jìn)行全方位的觀察和監(jiān)督跟蹤預(yù)報工作，才能做好汛期的水情預(yù)報工作。汛期的水情觀察以及報告，相關(guān)氣象預(yù)報人員以及工作人員應(yīng)該不斷的對天氣變化情況進(jìn)行更新還要不斷的改善天氣預(yù)報的模型。由于氣象模型建立條件的不同就會導(dǎo)致汛期水情預(yù)測結(jié)果的不同，因此在對水情預(yù)報模型的建立時，要嚴(yán)密的觀察天氣變化及時對模型進(jìn)行調(diào)整，要最大程度保證汛期水情預(yù)報模型的準(zhǔn)確性。日常生活中一定要對水情預(yù)報進(jìn)行詳實的記錄，在汛期時要及時更新并監(jiān)控水情預(yù)報，實時根據(jù)天氣變化及時調(diào)整水情預(yù)報。在汛期要對突發(fā)天氣進(jìn)行及時的預(yù)報和處理，天氣變化具有不穩(wěn)定性尤其是在汛期天氣變化并未規(guī)律可言，很多狀況會超出天氣預(yù)報模型的預(yù)報范圍，因此要對天氣狀況進(jìn)行詳細(xì)的研究及時的進(jìn)行匯總分析，才能有針對性的去處理突發(fā)天氣的水情預(yù)報，另外如果水情預(yù)報模型出現(xiàn)失誤應(yīng)該及時對錯誤進(jìn)行糾正，在糾正過程中要吸收經(jīng)驗總結(jié)錯誤并根據(jù)其天氣變化以及汛情制定出相應(yīng)的防汛措施。

4.2 水情預(yù)報系統(tǒng)預(yù)報的研究內(nèi)容

在水情預(yù)報上應(yīng)該加強對水文監(jiān)測、通訊傳輸以及數(shù)據(jù)處理和決策支持等系統(tǒng)的建設(shè)，增強現(xiàn)代化設(shè)備科學(xué)技術(shù)含量提高水情預(yù)測系統(tǒng)的自動化水平。根據(jù)水文站使用洪水預(yù)報系統(tǒng)將現(xiàn)代化的洪水預(yù)報理論以及專家經(jīng)驗和智慧和人類活動的影響實際結(jié)合起來，實現(xiàn)具有現(xiàn)代化特征的數(shù)字一體化的洪水預(yù)報，以此來提高洪水預(yù)報的精度，增長對洪水的預(yù)見性，另外就是要優(yōu)化水文站所在水庫、河道并將其聯(lián)合洪水調(diào)度系統(tǒng)將防洪工程的效能發(fā)揮到最大。

4.3 水情預(yù)報系統(tǒng)的研究成果

當(dāng)前水情預(yù)報系統(tǒng)對水文變化監(jiān)測的常用軟件就是GPS、GIS、ADCP、超聲波以及遙感測試和雷達(dá)等先進(jìn)的技術(shù)。多方案的水情預(yù)報系統(tǒng)實現(xiàn)了對水情信息的全開放式的共享且還保證了水情信息的時效性，其成本較低且容易安裝；業(yè)務(wù)覆蓋面廣，不僅可以實現(xiàn)對水情信息的采集和接受還可以對水情進(jìn)行實時監(jiān)控，在發(fā)生險情時會及時進(jìn)行預(yù)警。多方案綜合水情預(yù)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對水情信息的高度整合，可以對常年收集到的水位、降水量、蒸發(fā)以及地下水和水庫儲水以及氣溫等相關(guān)水情信息進(jìn)行綜合整理后，總結(jié)其規(guī)律，建立龐大的雨情水情實時信息庫以及歷史數(shù)據(jù)庫。多方案綜合水情預(yù)測系統(tǒng)不僅會提高信息的共享還可以對流域內(nèi)暴雨中心進(jìn)行控制最終還會提高水文站網(wǎng)的覆蓋率。

5 結(jié)語

水情預(yù)報系統(tǒng)多方案綜合預(yù)測是局域信息論中，盡可能多的利用信息觀點而提出來的。但是實際上，不同的方案往往會由于其建立信息量技術(shù)的不同，對水情預(yù)報系統(tǒng)的模擬和預(yù)測也會存在不同。每個方案不容易且不可能會包含系統(tǒng)全面的水情信息。采用多方案綜合對水情預(yù)測時，就可以產(chǎn)生一個基于預(yù)測系統(tǒng)全部或者是大部分的信息較好的預(yù)測還會實現(xiàn)信息的共享，提高信息的利用率，在多方案綜合預(yù)測上，當(dāng)引進(jìn)的方案越多所包含的信息量就會相應(yīng)的增加，因此水情預(yù)測系統(tǒng)的綜合預(yù)測精度也會隨之越高其風(fēng)險性成反比降低。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：四川省南充水文水資源勘測局）