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        拓撲灰預測模型在河川徑流量預測中的應用

        2012-03-20 06:27:56戴然
        黑龍江水利科技 2012年4期
        關(guān)鍵詞:沂河徑流量徑流

        戴然

        (安徽省水利部淮河水利委員會水利科學研究院,安徽蚌埠233000)

        0 引言

        河川徑流量的預測,已成為當今水資源開發(fā)和利用中不可缺少的非工程措施之一。對于科學治水、防洪調(diào)度、減少災害等方面,都起到不可替代的作用。一次準確的預測信息能夠收到可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。建國后在長江、黃河、海河、松花江等江河流域多次大洪水的抗洪斗爭中,都已顯露出徑流預報的巨大威力。特別是在抗御1998年長江、嫩江、松花江特大洪水中,充分發(fā)揮了徑流預測的科學性、主動性作用,為減少經(jīng)濟損失做出了巨大貢獻[1-2]。

        1 拓撲灰預測模型

        1.1 拓撲灰預測模型簡介

        20世紀70年代末期,我國著名學者鄧聚龍?zhí)岢隽嘶疑到y(tǒng)理論,認為一切隨機量都是在一定范圍內(nèi)、一定時段上變化的灰色量和灰過程。對于灰色量的處理不是尋求它的統(tǒng)計規(guī)律和概率分布,而是將雜亂無章的原始數(shù)據(jù)列,通過一定的方法處理,變成比較有規(guī)律的時間序列數(shù)據(jù)(以“數(shù)找數(shù)”的規(guī)律),再建立動態(tài)模型,即灰色模型[3]。

        灰色拓撲模型對于地表徑流量序列,一般都是大幅度擺動序列,對這一種序列,最有效的方式是用灰色拓撲模型進行預測:按點集拓撲基選取時分布序列,進行建模,預測拓撲基的時分布,以達到預測擺動序列未來發(fā)展態(tài)勢的目的。它用模型預測未來發(fā)展變化的整個波形。因為許多點可以構(gòu)成一個波形,所以拓撲預測是規(guī)定許多的給定值,對每一個給定值,都可在給出的曲線上得到一組點分布數(shù)據(jù),然后對每一個分布分別建立灰色模型,預測這組給定值未來發(fā)展變化的時間間隔[4]。

        1.2 拓撲灰預測建模方法

        假設某一數(shù)據(jù)列x(0)在二維平面上,按點(k,x(0)(k))可以描繪出曲線x(0)。為了預測整個曲線的未來發(fā)展變化,可以根據(jù)曲線x(0)的變化范圍(最大值與最小值之間)和變化幅度(最大值與最小值之比),人為地給定一系列閾值ξ,i =1,2,…,m,記x(0)中最大數(shù)據(jù)為max x(0),最小數(shù)據(jù)為min x(0),即

        則有

        對每一個閾值,有下述映射

        mti(0)(k)是水平線ξ與曲線x(0)相交的第k點橫坐標值,并有下述映射:

        P為橫坐標投影算子

        并有映射為:

        對ω作ni次AGO生成(累加生成),有

        對ωi

        (1)建立GM(1,1)模型(灰色單個變量模型),有

        為此,有全過程為

        將所有的點(li,ξi),?i∈{1,2,…m}聯(lián)成曲線,有,

        即為拓撲灰預測曲線[6~10]。

        2 應用實例

        2.1 沂河概況

        沂河又名沂水,在山東省南部、江蘇省北部,為淮河一級支流,源出山東省沂源縣田莊水庫上源東支牛角山北麓,北流過沂源縣城后折向南,至江蘇省邳縣吳樓村入新沂河,抵燕尾港入黃海。全長574 km,流域面積17 325 km2,主要支流有東汶河、蒙河、柳青河、孝河、涑河等。大小支流百余條,集水面積4 892 km2,河床最寬為1 540 m。屬山洪河道,源短流急,洪水集中。

        流域內(nèi)沂源、沂水、沂南、臨沂、蒙陰、平邑、費縣、郯城等縣全部或大部皆屬沂河流域,在郯城縣吳道口村南出境入江蘇省。流域最上游以魯山背斜與濰、彌河分水,東以沂山背斜余脈與沭河分水,地形西北高,向東南部傾斜,自河源至東汶河口,大部為山區(qū),山巒迭嶂,海拔高程300~800 m,斜午、青駝、茶山西北多為低山丘陵及高地,地面高程在200~400 m,蒙山前半程以南地勢變緩向平原過渡,在臨沂城北與其支流祊河匯流后進入中游臨郯蒼平原。平原坡緩 1/3000~1/2000。沂河水文站1981—2000年年徑流量見表1。

        表1 沂河水文站1981—2000年年徑流量一覽表

        2.2 沂河年徑流量的拓撲灰預測

        采用沂河水文站1981—1996年共16 a的年徑流量(表1)作為特征值,建立年徑流量的拓撲灰預測模型,并根據(jù)此模型對沂河年徑流量進行預測,從而揭示沂河徑流量的變化規(guī)律。

        首先,取定原始非負時間序列X(0)(1)=52877,X(0)(2) =77138,…,X(0)(16)=89580,其中X為年徑流量,k=1時表示以1981年的年徑流量為時間序列的第一個數(shù)值,k=2~n時依次類推。

        其次,將數(shù)據(jù)按點[k,X(0)(k)]繪出折線圖,見圖1。

        圖1 沂河年徑流量折線圖

        再次,取定若干閾值ξi(i=1,2,…,m),并計算每個閾值與折線圖的交點的橫坐標,得出若干個數(shù)列

        最后,根據(jù)上一步所得的數(shù)列建立拓撲灰預測模型群,見表2。如果用不同的閾值進行模型預測得到相同的年份,則取最大閾值作為該年預測的年徑流量。

        表2 年徑流量拓撲灰預測模型

        根據(jù)表3所得拓撲灰預測模型群預測1997—2000年的年徑流量和實測值相對誤差見表3。

        表3 年徑流量預測結(jié)果

        3 結(jié)語

        徑流預測是減少我國洪澇災害頻繁發(fā)生,保證正常供水和水資源合理開發(fā)利用的重要手段。隨著我國洪澇災害的頻繁發(fā)生和國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,流域內(nèi)各部門對防洪和供水的預見期也越來越重視,預見期越長,管理和調(diào)度起來就越得心應手,否則就會對國民經(jīng)濟造成巨大的損失。

        預報精度影響著水資源系統(tǒng)調(diào)度規(guī)則的經(jīng)濟性和安全性的統(tǒng)一,對水資源系統(tǒng)來說,有些調(diào)度規(guī)則雖然從長遠的利益來說是經(jīng)濟的,但是,由于在某些時候受到安全性的制約,無法付諸實施。只有提高徑流預報的技術(shù)水平,經(jīng)濟性和安全性才有可能在更高水平上達到統(tǒng)一。

        徑流預測對我國國民經(jīng)濟可持續(xù)健康發(fā)展具有重要的意義。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,對水的要求則顯得日見突出,準確的預估未來很長一段時間內(nèi)的徑流量,可以根據(jù)國民經(jīng)濟發(fā)展對水的需要,合理的制訂蓄放水量,提高水資源的利用效率。

        [1]陳亞軍,史長瑩,郭靖.基于灰色理論的城市用水量預測[J].黑龍江水利科技,2008,36(2):6-7.

        [2]嚴秉忠.二灘水電站中長期入庫徑流智能預測系統(tǒng)[D].成都:四川大學,2006.

        [3]劉思峰,黨耀國,方志耕,等.灰色系統(tǒng)理論及其應用:第三版[M].北京:科學出版社,2004.

        [4]鄧聚龍.灰理論基礎(chǔ)[M].武漢:華中科技大學出版社,2002.

        [5]左書華,李九發(fā),萬新寧,等.長江河口年平均流量的灰色拓撲預測與趨勢分析[J].水力發(fā)電,2005,31(12):19-21.

        [6]藍永超,康爾泗,楊文華.黃河上游徑流預報的灰色拓撲方法[J].冰川凍土,1997,19(4):308-311.

        [7]張舉,丁宏偉.灰色拓撲預測方法在黑河出山徑流量預報中的應用[J].干旱區(qū)地理,2005,28(6):751-755.

        [8]儂學鋒,滕孔先,陳植華.基于周期灰色預測的徑流量研究及應用[J].廣東水利水電,2007(5):40-43.

        [9]任政,鄭旭榮,劉坤,等.新疆瑪納斯河年徑流預報研究[J].水土保持研究,2005,12(5):190-192.

        [10]胡斌武.年徑流動態(tài)的長期灰色拓撲預測[J].水電能源科學,1993,11(1):64-71.

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