吳業(yè)楠等

摘要：在不能高精度預測后續(xù)洪水的現狀下，對歷史暴雨洪水信息進行挖掘，對降低水庫防洪調度風險具有現實意義。制定將歷史洪水標準化的方法，并根據暴雨洪水形成機制和實時信息的易獲取性，篩選出能反映洪水特征的指標體系，并基于灰色關聯分析原理構建了相似洪水動態(tài)識別辦法和相似洪水展延實時洪水預報過程的展延效果評價方法。池潭水庫歷史暴雨洪水模擬結果表明提出的洪水展延方法對后續(xù)來水估計的總有效率高，效果顯著，該方法應用效果、適應性、穩(wěn)定性均較好。

關鍵詞：水庫；防洪調度；洪水相似性；灰色關聯分析

中圖分類號：TV122 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2014）01-0126-05

在水庫實時防洪調度過程中，最理想的情形是能夠獲取洪水的全過程。但受科技水平的限制，目前只能提供有限預見期的洪水預報。為了延長洪水預報成果的預見期，常采用產匯流模型與短期氣象預報耦合的方法進行洪水預報。但由于降雨分配的隨機性，這種方法很難得到好的效果。實際上，特定地域內洪水發(fā)生的時間和量級具有周期變化的特征，歷史洪水一定程度上包含了當地天氣系統(tǒng)和下墊面變化的信息^[1-2]，因此，當具有較長時間、較多場次的歷史洪水系列時，采用數據挖掘技術，找出相似洪水，可以為水庫實時調度提供決策參考。

對歷史洪水歸類、將歷史洪水數據指標化和改進相似性識別方法是當前相似洪水研究的熱點。Seth A.Veitzer等^[3]將random self-similar（RSN）模型應用于洪水寬度函數最大值查找，取得了良好的效果；張艷萍等^[4]通過分析暴雨洪水演化過程中的相似性指標，對暴雨洪水的天氣成因進行了定性分析，對暴雨洪水進行了分類；王海潮等^[5]將實時暴雨洪水與歷史暴雨洪水的雨洪信息指標化，運用距離系數法進行了相似性分析；?？?sup>[6]建立了場次暴雨洪水相似性分析的可拓模型，對大流域場次暴雨洪水相似性進行了探討。從已有文獻看，絕大多數研究者都是從洪水全信息出發(fā)，例如張艷萍等所選暴雨總歷時、洪水重現期等信息，王海潮等所選暴雨籠罩面積、洪水組成等相似性評價指標，均是在洪水全過程發(fā)生過后才可獲取，難以為水庫實時調度提供高效率的支持。事實上，暴雨洪水是逐步演化的自然過程，在一場洪水過程中所獲取的信息是逐漸增加的，因此依據逐步呈現的暴雨洪水，能夠預估未來的洪水演化情勢，從而達到增長實時預報預見期的效果。因此，本文將建立表征實時洪水特征的指標體系和基于灰色關聯分析的實時洪水相似性動態(tài)識別方法，進行實時洪水預報與相似性洪水展延信息的融合效益評價，并以池潭水庫為例，開展實證研究。

1 基本原理

1.1 歷史洪水資料標準化

歷史洪水的發(fā)生時間，洪水歷時與形態(tài)各不相同，為了便于開展動態(tài)的洪水相似性分析，本文設定了統(tǒng)一的相對時間坐標，以每一場歷史洪水的降雨開始時間為時間原點，將歷史洪水發(fā)生的絕對時間，轉化為時序。在相似性識別時，根據面臨時刻（如降雨后6 h、12 h等）已經出現的部分雨洪信息與歷史洪水資料中相應時段的信息進行灰色關聯分析，查找相似洪水。

1.2 洪水相似性指標的選擇

由產匯流理論可知，影響洪水過程的主要因素包括降雨量大小及其時空分配、下墊面條件以及前期土壤含水量等因素，結合實時信息的易獲取性，本文選擇以下指標為洪水相似性特征評價指標。

2 應用實例

2.1 計算條件

池潭水庫位于閩江水系二級支流金溪中游，壩址集水面積4 766 km2，屬亞熱帶氣候，一年中3月-6月為雨季，約占全年降水量的60%。從歷史資料中篩選出1984年-2010年代表性較好且暴雨洪水資料齊全的30場洪水過程，降雨量和洪水統(tǒng)計時段長為1 h。

為了評價洪水相似性展延的動態(tài)效果，構造三個計算階段，分別為洪水起漲后6 h、12 h和18 h，分別利用洪水起漲6 h、12 h和18 h之前的累積降雨、累計水量、起漲流量等信息，查找洪水起漲6 h、12 h和18 h之后的相似洪水，例如對起漲后6 h，采用q0、P1、P2、P3、P4、P5、P6、W1、W2、W3、W4、W5、W6等信息查找相似洪水，其余兩個計算時段采用類似方法查找相似洪水。

2.2結果分析

將30場洪水中的每一場洪水輪次作為母洪水，根據其余洪水與母洪水的關聯度，取關聯度前3場洪水作為其相似洪水進行分析。將選出的相似洪水的平均過程與實時預報洪水拼接后的洪水過程作為展延洪水，再與母洪水實測過程在調度期48 h內進行展延效果評價。表1為30場洪水分別作為母洪水時，不同信息支持下展延效果評價表。由表1可以看出以下結果。

（1）不同信息量的洪水展延效果顯著。起漲后6 h，展延總有效率達97%（除100618次洪水），相比于實時洪水預報平均增益率達95%；起漲后12 h，展延總有效率達90%，相比于實時洪水預報平均增益率達51%；起漲后18 h，展延總有效率達93%，相比于實時洪水預報平均增益率達38%。

（2）起漲初期展延增益大于后期。這是由于實時洪水預報依據的落地雨，洪水初期降雨量占次暴雨量的比重較小，后續(xù)降雨量占比重大，不考慮后續(xù)降雨量的實時預報結果嚴重偏小，相比之下，展延的效果就好；隨著時間的推移，落地雨量的比重越來越越大，實時洪水預報的結果越來越接近實測過程，相比之下，展延的效果就降低了，參見圖3-圖5。

3 小結

后續(xù)入庫水量的預估，對于水庫實時防洪調度具有重要價值，目前依據后續(xù)降雨預報的途徑，受技術水平的限制還難以達到實用化的程度。本文依據暴雨洪水綜合相似性分析，將灰關聯原理應用到相似洪水的動態(tài)識別當中，取得如下成果。

（1）基于洪水過程形成機制和信息的易獲取性，建立了洪水相似性展延指標體系。

（2）引入灰色關聯分析原理，構建了相似性洪水識別方法和洪水相似性展延效果評價方法。

池潭水庫歷史暴雨洪水模擬結果表明，本文提出的洪水展延方法對后續(xù)來水估計的總有效率高，洪水展延效果顯著，因此為后續(xù)入庫水量的估計提供了一條新途徑。

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