中长期水文预报方法的应用

谭思源

(东北农业大学 水利与土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

中长期水文预报，即任一水文气象要素的长期历史实测值具有一定的持续性、相似性、周期性、最大最小可能性。在解决防洪抗旱以及各部门用水间矛盾等问题上，能够及早采取措施进行统筹安排[1]。

本文通过对江桥水文站1954—2017年64 a间的年降雨资料，采用周期均值叠加方法建立中长期水文预报模型，探索嫩江流域中长期水文预报方法，为嫩江流域水资源统一规划管理、优化配置、中长期水文预报提供参考依据和理论支撑。

1 理论概述

1.1 模型原理

一个水文要素序列可以看成是有限个具有不同周期波相互叠加而成的过程，其数学模型为：

(1)

式中：x(t)为水文要素序列；pi(t)为第i个周期波序列；ε(t)为误差项。

1.2 实现过程及显著性检验

设某水文要素随时间变化的等时矩样本序列为xj，将其分为b组(b=2,3,…,m),m的取值如下：

(2)

表1 试验周期分组表

对于不同的b，可计算得到相应的方差比F为：

(3)

(4)

(5)

f1=b-1

(6)

f2=n-b

(7)

当b分别取2，3，…，m时，可计算得m-1个F值。由f1、f2和选定的信度α，可以查出相应的m-1个Fα，挑选最大的F值，与对应的Fα值比较，如果F>Fα，则表明存在周期，对应的b即为周期长度，各组均值即为第一周期波隔年的振幅[2-3]。

2 研究地概况

作为一类精度站、国际重要水文站和国际水情报讯站的江桥水文站，是省际界河站，坐落于泰来县江桥镇。该站控制流域面积162 569 km2，控制河长1146 km。多年平均气温4.2 ℃左右，无霜期146 d，历年最高气温41.6 ℃，最低气温-35.2 ℃。

3 实例分析

3.1 资料选取

本实验论文选取嫩江江桥水文站1954—2017年实测降雨值序列。

3.2 方法论证

基于模型理论原理的阐述，在简便计算，节省时间，提高计算准确度的基础上编制一套程序代码。周期分析叠加子程序应用visual basic6.0程序代码。

经分析计算1954—2017年数据样本，得到在信度α=0.05时，识别出29、7、15、22、13共5个周期，其情况见表2。

表2 周期识别结果表

图1显示的是经编程计算得到的信度为0.05时，得到的5个周期数值，对应的图形变化。其中，周期1、2、3、4、5均表现出一定的规律性变化，周期1中1979年和2009年为周期循环年；周期2和3均为6 a一循环，且呈锯齿状变化较为明显；周期4中1976年和1997年为周期循环年，图中出现了3个波峰和3个波谷；周期5中每10 a一循环，无明显波峰表象，波谷表现明显。

图1 江桥站周期过程图

图1中所示为5个不同信度模拟出的预测流量的分量，从图中看，第2、3、4、5周期均存在流量负值。在各分量叠加后，形成径流预测值，与实际值做对比拟合分析(如图2所示)，显然，分量只能展示在该信度的情况下的径流分析，不能代表整体情况，需用五个信度形成的叠加值做整体分析，有科学依据。

基于图1和表2得出的结论，将5个周期叠加与实测数据进行拟合分析，查看拟合效果是否良好，如良好，在此基础上进行预测；如拟合不好，需重新查找问题。拟合情况见图2。

图2 江桥站最大流量拟合图

从图2中可以看出，实测值与预测叠加值拟合效果很好，在图中最高点和最低点均能保持比较一致的状态。在图中最右侧，只有预测值的位置，是在拟合效果好的基础上，模拟的未来几年预报数值。由于均值叠加方法具有一定的变化性、不规律性和瞬时性，它只能根据现有的情况，在此基础上预测一段时间的数据，不能作为一个长期不变的定值来应用。

由图2得出，拟合情况良好，该模型也对未来一段时间的中长期预报进行了理论预测。模拟预报2017年最大流量6776.25 m3/s，实际最大流量6480 m3/s，绝对误差296.25 m3/s。

4 结 语

(1)应用周期外延叠加法进行预报，只是假定周期在未来的一段时间内是不变的。然而，水文要素不会按照固定的规律、周期进行变化，所以该种预报方法只能推测未来一段时间内的情况，不可无限外延。

(2)进行周期识别时，应尽量选择适当的信度，防止信度过高，可能导致识别不出周期。