汤旺河五营站开河日期预报方法分析

刘丹丹，刘桂桂，田长涛

(1.伊春水文局五营水文站，黑龙江伊春153033;2.伊春水文局，黑龙江伊春153000)

河流冰情预报是近年来逐渐兴起并得到普遍重视的课题，它与洪水预报一样在交通、水利和国防建设等方面能带来巨大的社会和经济效益。影响河流冰情的因素较多，主要包括:热力因素、动力因素、河道形态、人为因素、上下游因素和地表径流因素等。这些因素均可以单独或综合成为影响河流冰情的控制因素。由于影响河流冰情的因素较多且冰情变化的物理成因复杂，目前国内外还没有提出具体的冰情预报要素值与其影响因素之间的确切函数关系。当前冰情预报的手段主要有经验相关图法、回归分析法和各类预报模型法(如神经网络模型法)，上述各类方法都是在宽泛的范围内选择已知的冰情影响因素与预报要素建立某种联系来进行河流冰情预报，各方法都有各自的优点和不足。由于技术手段的限制，本文从实际工作需要出发，采用回归方程法来对河流开河日期预报进行实例分析。回归方程是根据预报要素与其相关因子观测资料求出的两者之间的数学关系式，其中的参数按最小二乘原则确定。

1 分析样本资料选择

本文所述河流开河是指冰体解冻消融并结束连续流冰后河流开始畅流的现象。随着气温升高和阳关的辐射，冰层逐渐开始融化，当封冻状态的结冰体在阳光、水流和风力等因素的作用下无法继续维持稳定封冻状态时就会发生流凌现象，流凌持续一段时间后流凌密度会逐渐减小，直至消失。河流每年的开河日期与交通、航运、水利施工和水利工程运行关系密切，目前已知开河日期与下列因素具有一定的对应关系。具体公式为:

式中:F为开河日期;Ta为气温，℃;Tw为水温，℃;Q为流量，m3/s;H为水位，m;Vs为流速，m/s;h为冰厚，m;Ra为阳光辐射值;Ws为风速，m/s;Wd为风向;S为槽蓄水量，m3;J为地表径流量，m3;Ri为河道形态、Fup为上游开河影响;Fdn为下游开河影响。

江河解冻开河是各种影响因素综合共同作用的结果，各影响因素之间互相影响且互为主导因素。例如通常情况下气温是影响河流解冻的主要影响因素，但在气温一定的情况下，降雨、风力以及上下游的开河情况等因素的变化都可成为影响开河日期的主要因素。目前，开河日期与各影响因素之间仍无确定的数学函数关系。由于实测资料的限制，无法采用式(1)中所有的影响因素值来进行开河日期预报分析，本文将式1简化为:

式中:Fk为预报值，即预报发布日4月1日至预测开河日的间隔天数(根据实测资料统计，汤旺河历年开河日期都在4月1日以后);Ta为预报发布日至开河日的累积正气温，代表天气气候情况(实际预报时需要参考气象预报结果);Qi为3月份平均流量，代表径流情况;hb和hx分别代表冰厚和冰上雪深，这2个值代表冰盖情况;Hi为预报发布日的水位，代表水文条件。上述参数的选用充分考虑了开河机理因素，各参数与开河日期关系密切。

2 开河预报回归方程模型实例应用

2.1 预报发布日选择

通过实例资料分析，该站开河日期最早为4月13日，最迟为4月29日，所以预报发布日选4月1日。累积正气温Ta值在历史数据拟合阶段采用实测8时观测的零上气温值进行累计，缺测日按内插法求出，实际预报时采用气象预报值累计估算。流量Qi采用3月份平均流量。冰厚hb和冰上雪深hx采用预报发布前(4月1日)最后一次观测值。水位Hi采用预报发布日8时水位。

2.2 回归方程模型建立

选择上述各参数建立回归方程模型，公式为:

式中:X1至X5为各参数系数，C为方程常数项。

利用实测历史资料和参数率定软件得出预报方程:

使用该方程对五营站1957—2010年开河日期进行了历史拟合，按预见期最长为15 d，允许误差＜5 d为控制标准，最终拟合结果合格率为79.6%，达到乙级预报方案标准，历史资料拟合过程见表1。

表1 汤旺河五营站开河日期历史拟合成果表

表1 汤旺河五营站开河日期历史拟合成果表 续表

3 结语

1)经分析可知，回归方程在河流冰情预报方面具有一定的实用价值。文中所选预报因子与预报要素之间存在密切的影响关系，回归方程能够在这些预报因子的历史序列资料中得出一定的规律，并能从中进行冰情预测。

2)本文选用的实例资料在目前北方河流实测冰情资料中具有一定的代表性。预报方法和资料样本的选用原则都充分考虑了开河机理与样本数据的相关程度，历史拟合精度较高，能够为相似流域在开展冰情预报工作时提供参考借鉴。

3)文中所述回归方程模型的数据样本完全来自历史实测值，预报精度仅代表历史拟合成果精度，实际预报时还要依赖天气预报值，这将在一定程度上影响到预报的成果精度，所以今后还有待对方程模型进行完善和提高。

［1］水利部水利信息中心.SL250—2000水文情报预报规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2000.

［2］程根伟，舒栋材.水文预报的理论与数学模型［M］.北京:中国水利水电出版社，2006.