中長期水文預(yù)報(bào)及其在平原洪水資源利用中的應(yīng)用研究.pdf

1、中長期水文預(yù)報(bào)不僅在水庫調(diào)度、防洪減災(zāi)等工作中有重要的作用，而且在洪水資源利用、水權(quán)管理等方面也有很重要的意義，因此，中長期水文預(yù)報(bào)一直是水文工作者深入探討的課題。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和新的數(shù)學(xué)方法的不斷涌現(xiàn)，中長期水文預(yù)報(bào)得到了較快的發(fā)展。但是，由于其復(fù)雜性和數(shù)據(jù)資料等因素的制約，中長期水文預(yù)報(bào)研究仍處在發(fā)展階段，相對于短期水文預(yù)報(bào)來說，滯后于生產(chǎn)實(shí)際的要求。在預(yù)報(bào)理論研究上，更多注重的是水文系列的統(tǒng)計(jì)相關(guān)特性，而對物理成因關(guān)

2、系關(guān)注的相對較少；在預(yù)報(bào)方法上，對各種方法的有效性研究不夠，使現(xiàn)有的方法很難在實(shí)踐中推廣應(yīng)用；在預(yù)報(bào)結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用上，中長期水文預(yù)報(bào)目前主要是對水資源的宏觀調(diào)控起一些參考性作用。基于此，本文探討了基于物理因子分析的中長期水文預(yù)報(bào)方法，并將預(yù)報(bào)成果用于指導(dǎo)平原河流洪水資源利用工作。主要研究內(nèi)容和成果概述如下： (1)從水文循環(huán)的機(jī)理出發(fā)，綜合分析影響區(qū)域水文情勢的物理因素，主要包括天文因素、海表溫度、以及大氣環(huán)流等。詳細(xì)分析了太陽

3、黑子活動(dòng)情況、日月地三球位置關(guān)系、北太平洋海溫冷暖變化、ENSO事件以及大氣環(huán)流因子等物理因素對區(qū)域水文情勢的影響，為進(jìn)行基于物理因子分析的中長期水文預(yù)報(bào)方法研究提供資料準(zhǔn)備和理論支持。 (2)針對現(xiàn)有水旱災(zāi)害趨勢預(yù)測方法無法體現(xiàn)未來洪水發(fā)生可能性和量級的缺陷，根據(jù)氣象因素與水旱災(zāi)害的關(guān)系，引入隨機(jī)過程的概念，提出了區(qū)域水旱趨勢預(yù)測的轉(zhuǎn)移概率、太陽活動(dòng)相位、厄爾尼諾事件等三種方法，推導(dǎo)了相應(yīng)的計(jì)算公式，綜合三種方法預(yù)測結(jié)果得出最

4、終結(jié)論。結(jié)合東北區(qū)水旱災(zāi)害史料，分析了其多年來的水旱災(zāi)害特征，并對該區(qū)2001～2010年水旱趨勢進(jìn)行了預(yù)測，不僅為水旱災(zāi)害時(shí)域特性的研究探索了一條新的途徑，也可在一定程度上為區(qū)域洪水資源利用長期規(guī)劃的制定、洪水風(fēng)險(xiǎn)管理等工作提供有益參考。 (3)針對中長期水文預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)資料的數(shù)量和種類繁多，數(shù)據(jù)間關(guān)系復(fù)雜，難于檢索有用信息并組織用于預(yù)報(bào)的問題，將關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘分析方法引入到中長期水文預(yù)報(bào)研究中，研究了中長期徑流關(guān)聯(lián)規(guī)則模式的提

5、取及預(yù)測方法。首先，結(jié)合中長期水文預(yù)報(bào)的特殊性，根據(jù)預(yù)報(bào)目標(biāo)初選物理影響因子。然后，根據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法的要求對數(shù)掘進(jìn)行清洗和預(yù)處理，構(gòu)成預(yù)報(bào)事務(wù)數(shù)據(jù)集。最后，面對預(yù)報(bào)事務(wù)數(shù)據(jù)集進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘，提取滿足事先設(shè)定的最小支持度和最小置信度的強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則，解釋規(guī)則并建立模型進(jìn)行預(yù)測。實(shí)例分析證明，該方法在保證一定精度的情況下大大減小了工作量，有助于從海量數(shù)據(jù)中提取對預(yù)報(bào)目標(biāo)有意義的關(guān)聯(lián)規(guī)則和模式。 (4)針對水文中長期預(yù)報(bào)中單一的定量

6、預(yù)報(bào)方法精度偏低，穩(wěn)定性差，不能滿足實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)的要求這一情況，提出了定性定量嵌套的多因子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)模型。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)靈活多變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的非線性逼近能力，基于前期物理影響因子分析作為輸入量，通過改變輸出節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，先建立定性預(yù)報(bào)模型，然后在定性預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上建立定量預(yù)報(bào)模型，最后綜合定性預(yù)報(bào)和定量預(yù)報(bào)的結(jié)果得出結(jié)論。實(shí)例分析證明，定性定量嵌套的多因子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)模型不但有一定的物理成因基礎(chǔ)，而且可以較好地克服傳統(tǒng)使用單一定量預(yù)

7、報(bào)模型進(jìn)行預(yù)報(bào)的盲目性，提高了預(yù)報(bào)的精度和可靠性。 (5)在洪水資源利用中，存在的各種未來信息的不確定性是風(fēng)險(xiǎn)的重要來源。中長期預(yù)報(bào)可以在不同程度上對洪水資源利用系統(tǒng)中各類因素的未來狀態(tài)進(jìn)行界定，從而確定面向整個(gè)時(shí)期引蓄洪水的時(shí)機(jī)及其后期安全性。本章以白城為例，研究了中長期水文預(yù)報(bào)在平原河流洪水資源利用中的應(yīng)用?；谥虚L期預(yù)報(bào)成果，并結(jié)合考慮時(shí)間因素與蓄水狀態(tài)的河流洪水資源利用二維風(fēng)險(xiǎn)分析模型，以改變各蓄水單元蓄水狀態(tài)可能帶來的

8、后期損失作為主要的風(fēng)險(xiǎn)損失，兼顧時(shí)間與蓄水狀態(tài)兩維特性，對洪水資源利用效益和風(fēng)險(xiǎn)損失進(jìn)行計(jì)算，從而得到考慮中長期預(yù)報(bào)信息的汛期不同時(shí)段各蓄水單元引蓄不同洪量的風(fēng)險(xiǎn)率，為洪水資源利用預(yù)案制定和實(shí)施提供依據(jù)。2005、2006年的洪水資源利用實(shí)例證明，較高精度的中長期預(yù)報(bào)成果對該地區(qū)洪水資源利用預(yù)案制定和實(shí)施起到了積極的作用，可最大限度的避減洪水資源利用中的風(fēng)險(xiǎn)和損失，實(shí)現(xiàn)最大效益。 最后，對全文進(jìn)行了總結(jié)，并對有待進(jìn)一步研究的問題