肖興濤，張鵬遠，馮 健

(1.黑龍江省水文局，哈爾濱150001;2.哈爾濱市水文局，哈爾濱150010)

0 研究背景

黑龍江為我國最高緯度的大江河之一，上游49.3萬km2及近1 000 km的河段上經(jīng)常發(fā)生冰壩凌汛洪水。上源從洛古河至馬倫一帶249 km的河段為冰壩多發(fā)河段，幾乎每年都是倒開江，出現(xiàn)不同程度的卡塞或冰壩。松花江是黑龍江右岸最大支流，松花江中游流經(jīng)平原地區(qū)，接納了大部分的支流洪水，進入通河后又流經(jīng)山丘區(qū)。約300 km的河道束狹彎曲，右岸山地連綿，致使河冰受熱解體時間明顯滯后，每年凌汛洪水幾乎都在這里卡塞，形成明顯的凌汛過程。冰壩凌汛是黑龍江、松花江水文情勢的一個突出特點，嚴重冰壩時，造成河道堵塞，攔蓄水流，河水出槽，冰排上岸，洪水波及千余公里，沖毀房屋、堤階、沿江水利設(shè)施，淹沒耕地，造成嚴重冰凌災(zāi)害。

新中國成立以來，各級政府和水文機構(gòu)對冰壩凌污逐漸引起重視，先后開展了分析預(yù)報和調(diào)查工作。但由于受到科學技術(shù)的限制，以往的分析都限于水位統(tǒng)計，對冰壩的成因無所揭示。及時準確的冰情預(yù)報是有效防治凌汛災(zāi)害的非工程措施，是各級領(lǐng)導進行防凌指揮、調(diào)度決策的重要科學依據(jù)。而原有的冰情預(yù)報系統(tǒng)以統(tǒng)計和經(jīng)驗相關(guān)為主，考慮因素不全，屬于靜態(tài)預(yù)報法，引用條件由于近年來氣候和河道條件發(fā)生變化而受到限制;且原模型所有軟件和技術(shù)方法較落后，不能反映變化了的新形勢，遠不能滿足新的防凌形勢和水資源管理需要。隨著冰情預(yù)報研究的深入，需要建立有理論依據(jù)、考慮因素較全且能進行動態(tài)連續(xù)演算預(yù)報而且精度較高的河段冰情預(yù)報數(shù)學模型支撐冰情預(yù)報工作。

1 冰情研究現(xiàn)狀

冰情現(xiàn)象包括冰的形成、發(fā)展、運動、積累、融解的過程，是冬季影響河道運行的重要因素，它直接影響到水利工程的運行和維護、水力發(fā)電、內(nèi)陸航運、冬季輸水、河流的環(huán)境和生態(tài)等問題。雖然目前對河流結(jié)冰狀況的研究還遠落后于無冰時的研究，但是在冰情研究方面也取得了一定成果。

冰情數(shù)值模型研究的興起是計算機得到應(yīng)用的結(jié)果。隨著計算機的發(fā)展和對冰情物理現(xiàn)象認識的加深，人們對河冰水力學數(shù)學模型不斷地進行完善，特別是在20世紀80年代以后相繼提出了不少河冰模型。早期如Simonsen等人，Petrykt，Michel和 Drouint，Gralkins 等分別應(yīng)用恒定流理論對Ottaquechee和St.Lawence河的冰凍過程進行了數(shù)學模擬。這些模型是建立在恒定或準恒定狀態(tài)水力模型基礎(chǔ)上的，冰密度與水溫分布沿程變化均未考慮。從1984年開始，人們開始研究河冰非恒定流數(shù)學模型，考慮了水流非恒定流及水溫和冰密度分布沿程的變化，相繼建立了一維非恒定河冰數(shù)學模型。

我國冰情的研究起步較晚，開始于20世紀50～60年代，隨著冰情研究的不斷深入，冰情研究方面的發(fā)展很快，主要體現(xiàn)在預(yù)報方法由經(jīng)驗統(tǒng)計到經(jīng)驗相關(guān)逐步上升到建立在理論基礎(chǔ)上的數(shù)學模型，預(yù)報精度逐漸提高。早在1954年就開展了較為系統(tǒng)的冰情觀測(陳儲軍1997)。1963～1964年冬季，東北勘測設(shè)計院和白山水電工程處聯(lián)合對松花江流域白山河段的冰情現(xiàn)象進行了長期的觀測(潘漱芳，靳銘欽，劉聞宙等1964)。1989年黃委會水文局李若宏等主編《黃河流域?qū)嵱盟念A(yù)測方案》，在冰情預(yù)報中發(fā)揮很大的作用。1994年陳贊廷建立了黃河下游冰情預(yù)報數(shù)學模型，1998年可素娟建立了黃河上游冰情預(yù)報數(shù)學模型，這兩個冰情預(yù)報數(shù)學模型采用經(jīng)驗和理論結(jié)合的方法，經(jīng)運用證明精確度高，應(yīng)用方便，至今仍在黃河防凌中發(fā)揮作用。

2 冰情研究意義

冰情、水情預(yù)報是各級防汛主管部門進行防凌指揮、調(diào)度、決策的重要科學依據(jù)。黑龍江上游、松花江下游河段及時準確的冰情和水情的監(jiān)測、預(yù)報與及時采取防凌調(diào)度是防治以上河段凌汛災(zāi)害有效的非工程措施之一。

傳統(tǒng)的冰情預(yù)報數(shù)學模型與統(tǒng)計及經(jīng)驗相關(guān)法比較起來，是一種理論與經(jīng)驗相結(jié)合的方法，一方面是建立在熱力學理論與冰水力學基礎(chǔ)上，另一方法用實測資料率定參數(shù)，具有精度較高、預(yù)見期長、預(yù)報項目全、預(yù)報手段先進、快速和可以進行動態(tài)預(yù)報與實時修正相結(jié)合等優(yōu)點。然而冰情本身的復(fù)雜性及河道沖淤多變、主流擺動頻繁、多彎道、淺灘、叉河、束狹等，使冰情規(guī)律很難掌握，另外河道資料欠缺，這給傳統(tǒng)數(shù)學模型在冰情預(yù)報中的應(yīng)用造成極大困難。目前可以充分利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所具有的自學習能力、非線性映射能力、對信息處理較強的魯棒性和容錯性，能夠克服上述種種困難，根據(jù)已學習的知識和處理問題的經(jīng)驗對復(fù)雜問題作出合理的判斷決策，給出較滿意的解答，對未來過程作出有效的預(yù)測和估計，使得傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用最為困難的知識獲取工作轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)的自學習調(diào)節(jié)過程，提高了預(yù)報的精確度。

地理信息是水利工作的重要基礎(chǔ)之一，傳統(tǒng)的對地理信息的手工管理方式已經(jīng)被科學技術(shù)的進步所淘汰，水利行業(yè)需要運用先進的信息管理手段來提高工作效率，推進信息化建設(shè)進程。地理信息系統(tǒng)技術(shù)為水利行業(yè)信息管理的標準化、網(wǎng)絡(luò)化、空間化提供了有效的工具。隨著計算機硬件性能的提高、儲存容量的加大和運算速度的加快，以及GIS基礎(chǔ)平臺的日趨成熟，基于GIS系統(tǒng)的冰情預(yù)測預(yù)報信息系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)已成為可能。GIS的數(shù)據(jù)輸入、管理、查詢、輸出及空間分析操作，特別是它所建立的二維矢量拓撲關(guān)系及網(wǎng)絡(luò)分析功能，為水信息的管理、查詢、分析提供了強有力的工具。

將冰情預(yù)報模型與GIS技術(shù)相結(jié)合，建立基于地理信息的冰情預(yù)報決策支持系統(tǒng)，用于流域的水情、冰情的分析管理，是實現(xiàn)我省水利信息化的重要任務(wù)之一。其意義主要體現(xiàn)在以下5個方面:

1)用計算機存儲流域地理信息大大縮小了存儲空間。

2)大大提高了查詢檢索速度。通過特定的文件格式與數(shù)據(jù)接口，將流域內(nèi)的地理信息與各種分散信息有機的整合在一起，使查詢某一流域、某一站點的水情信息更加快捷，這是人工查找難以比擬的。

3)提高了管理水平。計算機查詢可以查閱流域內(nèi)某個站點的水情信息，也可以查詢相鄰站點的信息，使管理工作得心應(yīng)手。

4)可實現(xiàn)動態(tài)更新。站點實時采集信息可隨時更新，使系統(tǒng)信息保持較好的及時性。

5)由于使用了計算機管理，管理信息便于傳輸，一次建設(shè)，多家共享。使用網(wǎng)絡(luò)分析工具來優(yōu)化資料調(diào)配，做各種應(yīng)急處理，提高了決策的科學性。

先進的冰情預(yù)報理論和GIS技術(shù)在冰情預(yù)報系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠克服傳統(tǒng)方法無法解決的困難，使得滿足河段冰情預(yù)報實際應(yīng)用的管理信息系統(tǒng)的建立得以實現(xiàn)。

3 研究目標與主要內(nèi)容

黑龍江省冰情預(yù)報系統(tǒng)的建設(shè)目標是:對黑龍江、松花江的氣溫、水情、冰情規(guī)律進行深入研究的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)該河段的冰情預(yù)報模型，充分利用現(xiàn)代科學成果，將系統(tǒng)建成以冰情、水情、氣象、河道等資料信息為基礎(chǔ)，以GIS平臺為支持的一套實用、可靠、先進、高效的冰情預(yù)報系統(tǒng)，系統(tǒng)具有快速完成河段各類信息查詢、處理、冰情預(yù)報等功能，為我省防凌和水量調(diào)試提供依據(jù)。系統(tǒng)建成后，其預(yù)報時效和預(yù)報精度均應(yīng)達到規(guī)范要求。

河段冰情預(yù)報數(shù)學模型的主要研究內(nèi)容包括3個方面:

3.1 冰情預(yù)報的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學模型

以水文學流量演算、熱力學、冰水力學、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論等原理為基礎(chǔ)，建立河段冰情預(yù)報的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學模型。該模型是在深入研究河段冰情發(fā)生、發(fā)展、消退等各個時期的水、熱特征的基礎(chǔ)上建立的，能根據(jù)河段及周邊地區(qū)的氣溫預(yù)報信息、各水文站流量預(yù)報信息、實測氣溫、流量、流冰量、水溫、冰厚、河道資料等，開展水溫、流凌、封河預(yù)報、開河、開河最高水位和最大流量、首封日期和地點、冰塞和冰壩等預(yù)報。在各要素預(yù)報的基礎(chǔ)上，對流凌、封河、開河形勢進行估計。

3.2 經(jīng)驗性冰情預(yù)報數(shù)學模型的改造

對以前研究的冰情預(yù)報數(shù)學模型進行改造，應(yīng)用新的資料系列重新率定參數(shù)，并開發(fā)和改進方便實用的預(yù)報軟件。

3.3 GIS平臺及決策支持系統(tǒng)開發(fā)

開發(fā)以GIS為平臺的決策支持系統(tǒng)，包括人機對話界面，各水文站實時水文、冰情的顯示、分析，未來冰情的預(yù)報，以及信息的查詢處理，模型的率定，預(yù)報修正，預(yù)報會商和管理等功能。

4 結(jié)語

以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，基于GIS系統(tǒng)的黑龍江、松花江河段冰情預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)有科學的理論為支撐和便于操作的人機交互界面，能夠大大推進我省冰情預(yù)報的研究和發(fā)展，同時也能補充我國在冰壩凌汛方面薄弱環(huán)節(jié)，并為我國防凌汛安全戰(zhàn)略的順利實施提供強有力的技術(shù)支撐。

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