譚思源

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)，即任一水文氣象要素的長(zhǎng)期歷史實(shí)測(cè)值具有一定的持續(xù)性、相似性、周期性、最大最小可能性。在解決防洪抗旱以及各部門用水間矛盾等問(wèn)題上，能夠及早采取措施進(jìn)行統(tǒng)籌安排[1]。

本文通過(guò)對(duì)江橋水文站1954—2017年64 a間的年降雨資料，采用周期均值疊加方法建立中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)模型，探索嫩江流域中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)方法，為嫩江流域水資源統(tǒng)一規(guī)劃管理、優(yōu)化配置、中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)和理論支撐。

1 理論概述

1.1 模型原理

一個(gè)水文要素序列可以看成是有限個(gè)具有不同周期波相互疊加而成的過(guò)程，其數(shù)學(xué)模型為：

(1)

式中：x(t)為水文要素序列；pi(t)為第i個(gè)周期波序列；ε(t)為誤差項(xiàng)。

1.2 實(shí)現(xiàn)過(guò)程及顯著性檢驗(yàn)

設(shè)某水文要素隨時(shí)間變化的等時(shí)矩樣本序列為xj，將其分為b組(b=2,3,…,m),m的取值如下：

(2)

表1 試驗(yàn)周期分組表

對(duì)于不同的b，可計(jì)算得到相應(yīng)的方差比F為：

(3)

(4)

(5)

f1=b-1

(6)

f2=n-b

(7)

當(dāng)b分別取2，3，…，m時(shí)，可計(jì)算得m-1個(gè)F值。由f1、f2和選定的信度α，可以查出相應(yīng)的m-1個(gè)Fα，挑選最大的F值，與對(duì)應(yīng)的Fα值比較，如果F>Fα，則表明存在周期，對(duì)應(yīng)的b即為周期長(zhǎng)度，各組均值即為第一周期波隔年的振幅[2-3]。

2 研究地概況

作為一類精度站、國(guó)際重要水文站和國(guó)際水情報(bào)訊站的江橋水文站，是省際界河站，坐落于泰來(lái)縣江橋鎮(zhèn)。該站控制流域面積162 569 km2，控制河長(zhǎng)1146 km。多年平均氣溫4.2 ℃左右，無(wú)霜期146 d，歷年最高氣溫41.6 ℃，最低氣溫-35.2 ℃。

3 實(shí)例分析

3.1 資料選取

本實(shí)驗(yàn)論文選取嫩江江橋水文站1954—2017年實(shí)測(cè)降雨值序列。

3.2 方法論證

基于模型理論原理的闡述，在簡(jiǎn)便計(jì)算，節(jié)省時(shí)間，提高計(jì)算準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上編制一套程序代碼。周期分析疊加子程序應(yīng)用visual basic6.0程序代碼。

經(jīng)分析計(jì)算1954—2017年數(shù)據(jù)樣本，得到在信度α=0.05時(shí)，識(shí)別出29、7、15、22、13共5個(gè)周期，其情況見(jiàn)表2。

表2 周期識(shí)別結(jié)果表

圖1顯示的是經(jīng)編程計(jì)算得到的信度為0.05時(shí)，得到的5個(gè)周期數(shù)值，對(duì)應(yīng)的圖形變化。其中，周期1、2、3、4、5均表現(xiàn)出一定的規(guī)律性變化，周期1中1979年和2009年為周期循環(huán)年；周期2和3均為6 a一循環(huán)，且呈鋸齒狀變化較為明顯；周期4中1976年和1997年為周期循環(huán)年，圖中出現(xiàn)了3個(gè)波峰和3個(gè)波谷；周期5中每10 a一循環(huán)，無(wú)明顯波峰表象，波谷表現(xiàn)明顯。

圖1 江橋站周期過(guò)程圖

圖1中所示為5個(gè)不同信度模擬出的預(yù)測(cè)流量的分量，從圖中看，第2、3、4、5周期均存在流量負(fù)值。在各分量疊加后，形成徑流預(yù)測(cè)值，與實(shí)際值做對(duì)比擬合分析(如圖2所示)，顯然，分量只能展示在該信度的情況下的徑流分析，不能代表整體情況，需用五個(gè)信度形成的疊加值做整體分析，有科學(xué)依據(jù)。

基于圖1和表2得出的結(jié)論，將5個(gè)周期疊加與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，查看擬合效果是否良好，如良好，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測(cè)；如擬合不好，需重新查找問(wèn)題。擬合情況見(jiàn)圖2。

圖2 江橋站最大流量擬合圖

從圖2中可以看出，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)疊加值擬合效果很好，在圖中最高點(diǎn)和最低點(diǎn)均能保持比較一致的狀態(tài)。在圖中最右側(cè)，只有預(yù)測(cè)值的位置，是在擬合效果好的基礎(chǔ)上，模擬的未來(lái)幾年預(yù)報(bào)數(shù)值。由于均值疊加方法具有一定的變化性、不規(guī)律性和瞬時(shí)性，它只能根據(jù)現(xiàn)有的情況，在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)一段時(shí)間的數(shù)據(jù)，不能作為一個(gè)長(zhǎng)期不變的定值來(lái)應(yīng)用。

由圖2得出，擬合情況良好，該模型也對(duì)未來(lái)一段時(shí)間的中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)。模擬預(yù)報(bào)2017年最大流量6776.25 m3/s，實(shí)際最大流量6480 m3/s，絕對(duì)誤差296.25 m3/s。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)應(yīng)用周期外延疊加法進(jìn)行預(yù)報(bào)，只是假定周期在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)是不變的。然而，水文要素不會(huì)按照固定的規(guī)律、周期進(jìn)行變化，所以該種預(yù)報(bào)方法只能推測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的情況，不可無(wú)限外延。

(2)進(jìn)行周期識(shí)別時(shí)，應(yīng)盡量選擇適當(dāng)?shù)男哦?，防止信度過(guò)高，可能導(dǎo)致識(shí)別不出周期。