姚田成，譚均軍，王慧敏，李 勉

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

流域水溫預(yù)測在一定程度上，不僅可以減少人力物力的投入，還可以起到未雨綢繆的作用，對水利工程建設(shè)可以提供必要的參考依據(jù)，因此探尋操作性高的流域水溫模擬方案具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

控制流域內(nèi)水溫效果是多方面的綜合作用，其中最主要的是當(dāng)?shù)貧夂驐l件，比如太陽輻射、日照時(shí)數(shù)、氣溫等因子；其次是水體本身特性，如水位、流量等，在這些因素共同作用下，流域水溫?cái)?shù)值呈現(xiàn)出有規(guī)律的周期性變化。但水電站的建設(shè)，破壞了原有規(guī)律，引起流域水溫的變化。本文將探討采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測三峽水電站建成后，因子的改變對于流域水溫的影響，并推論溫變對魚類活動的作用與影響。

1 研究區(qū)域概況

宜昌市水文站位于E111°19′，N30°41′，宜昌水文站是國家一類水文站，建設(shè)以來為防洪預(yù)報(bào)、水利建設(shè)、水文勘測等多項(xiàng)工程提供了詳實(shí)的資料。宜昌站地處長江干流上中游咽喉位置，長江流域面積180×104km2，其中100×104km2就由宜昌水文站控制。水電之都——宜昌是國家能源動力心臟，又是葛洲壩水利樞紐工程及三峽水利樞紐工程壩址的代表站，因此以該站流域?yàn)檠芯繉ο缶哂幸欢ǖ牡湫托院痛硇浴?/p>

三峽大壩是現(xiàn)今世界上規(guī)模最大的水利樞紐工程，位于E111°2′，N30°50′，水庫正常蓄水位175 m，總庫容393×108m3，防洪庫容221.5×108m3，總裝機(jī)容量18 200 MW。葛洲壩是長江上修建的第一座大型徑流式水電站，位于E111°18′，N30°44′，總庫容為15.8×108m3，總裝機(jī)容量271.5 MW。江段年徑流量為4 510×108m3，多年平均流量為14 300 m3/s，兩壩址控制流域面積均為100×104km2。三峽工程壩址、葛洲壩工程壩址、宜昌水文站位置關(guān)系見圖1，兩項(xiàng)重大水利樞紐工程壩址僅距離38 km，且與宜昌站相隔較近，對宜昌站水文影響作用強(qiáng)烈。

圖1 研究區(qū)域示意圖

工程河段屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，位于亞熱帶和北亞熱帶的過渡帶，研究區(qū)域雨熱同季，降雨充沛，日照充足，多以東南風(fēng)為主，年降雨量1 100～1 200 mm。

通過分析宜昌站水溫實(shí)測數(shù)據(jù)，查閱宜昌氣候特點(diǎn)以及宜昌站水文特性，發(fā)現(xiàn)以上兩座水電站建設(shè)完成后，新形成的水溫變化規(guī)律與工程建設(shè)有較強(qiáng)的相關(guān)性。因此，擬定結(jié)合歷史氣候數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)，分析各因素之間的相互作用，對未來水溫變化走向作出預(yù)測。

2 宜昌站表面水溫變化分析和預(yù)測

2.1 氣象與水文資料分析

調(diào)查得到宜昌站部分水文資料，結(jié)合宜昌市當(dāng)?shù)貧夂蛱匦?，繪制宜昌站水文氣候表，詳見表1。

表1 宜昌站水文氣候數(shù)據(jù)

宜昌站江段水表溫度隨月份變化明顯，與當(dāng)?shù)靥栞椛洹鉁?、日照時(shí)數(shù)變化趨勢大致相同，但是否能夠判斷為主要影響因素有待研討。同樣，參考前人研究，氣壓、濕度等因素與水溫的關(guān)系也不可忽視，但宜昌站具體實(shí)地情況不盡同于其他測點(diǎn)，各因素間結(jié)構(gòu)關(guān)系模糊，層次紊亂，實(shí)際作用還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2 水溫預(yù)測慣用方法

中國自20世紀(jì)50年代就開始了水庫水溫的相關(guān)研究。在發(fā)展中結(jié)合大量的實(shí)踐觀測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，總結(jié)出大量的經(jīng)驗(yàn)公式對水溫進(jìn)行計(jì)算，如常見的東勘院法、朱伯芳法、李懷恩法。經(jīng)驗(yàn)法簡單易用，能夠較高地反映出水溫的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律，但是經(jīng)驗(yàn)法的局限性也顯而易見。首先經(jīng)驗(yàn)法依賴于大量的實(shí)踐，考慮水溫影響因素較少，如流量、泥沙量以及氣象特征等，在實(shí)際應(yīng)用中存在誤差，對大型工程適用性有爭議；其次，經(jīng)驗(yàn)法依賴當(dāng)?shù)卦攲?shí)的水溫觀測資料，反之則不能很好地反映這一地區(qū)的水溫特點(diǎn)。

發(fā)展過程中數(shù)學(xué)模型法彌補(bǔ)了經(jīng)驗(yàn)法的不足，數(shù)學(xué)模型法的基本方程是能量轉(zhuǎn)換方程和熱量平衡方程。水溫預(yù)測原理較經(jīng)驗(yàn)法更完善的同時(shí)，考慮了水庫多方面的影響，如水庫水位變化、含沙量、水庫運(yùn)行方式等綜合因素，數(shù)學(xué)模型法對各種水庫水溫的預(yù)測具有普適性。相對地，應(yīng)用模型法使數(shù)據(jù)分析計(jì)算的工作量增加，忽視了計(jì)算參數(shù)的優(yōu)化問題，各參數(shù)(如氣象、水庫幾何形態(tài)等)對計(jì)算精度存在影響。

2.3 應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測溫變

2.3.1 BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在20世紀(jì)80年代中期，由Rumelhart,McClelland等提出，采用了誤差反向傳播算法。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含多個(gè)隱含層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的非線性映射能力，突破了線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只用于線性可分問題限制，僅通過對樣本訓(xùn)練、權(quán)值調(diào)整、學(xué)習(xí)規(guī)則，可以得到逼近期望輸出值的結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型幾近80%都采取了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于壓縮、識別、逼近、回歸等眾多領(lǐng)域，現(xiàn)計(jì)劃嘗試使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對河段表面水溫進(jìn)行預(yù)測，并分析BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于水溫預(yù)測的適用性。

在設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之前，分析各因素與水溫的潛在關(guān)聯(lián)度。

結(jié)構(gòu)中國控制論專家鄧聚龍首先提出了灰色系統(tǒng)理論。該理論屬于一種動態(tài)預(yù)測模型，具有樣本數(shù)少、計(jì)算量小、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，如今已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、地質(zhì)和氣象等許多領(lǐng)域，為數(shù)據(jù)的預(yù)測提供了一定的參考。在這里使用Matlab灰色系統(tǒng)理論(即根據(jù)因素之間發(fā)展態(tài)勢的相似或相異程度來衡量因素間關(guān)聯(lián)的程度，來揭示動態(tài)關(guān)聯(lián)的特征與程度[1])分析以上各個(gè)因素與水溫的潛在聯(lián)系，結(jié)果見表2。

表2 外部環(huán)境因子與水溫關(guān)聯(lián)度

分析數(shù)值。宜昌水文站在以上兩個(gè)水電站建設(shè)完成后，日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、濕度、氣壓、水位、特征流量、太陽輻射、氣溫(按照關(guān)聯(lián)程度降序排列)因素都與水溫變化存在較強(qiáng)的相關(guān)性，其中日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、濕度、氣壓、水位環(huán)境因子重相關(guān)，均達(dá)到0.8以上的關(guān)聯(lián)度，最弱關(guān)聯(lián)度氣溫因素也達(dá)到0.5以上?？梢缘贸鼋Y(jié)論，以上因子可作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參考數(shù)據(jù)。

針對以上氣象和水文數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，見圖2。宜昌站水溫預(yù)測模型結(jié)構(gòu)中輸入層預(yù)測因子個(gè)數(shù)為8個(gè)，結(jié)構(gòu)圖2中顯示為X1-X8，分別為氣象因子，日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、濕度、氣壓、太陽輻射以及水環(huán)境因子、水位、特征流量；隱含層數(shù)取一層，結(jié)構(gòu)圖2中顯示G層；輸出層結(jié)構(gòu)單一，目標(biāo)因子個(gè)數(shù)為1，僅水溫。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

2.3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)預(yù)處理

為將有限數(shù)據(jù)充分利用，兼顧實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)測功能，將數(shù)據(jù)劃分成兩部分:訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)，使用1-7月份作為數(shù)據(jù)樣本訓(xùn)練得出模型，預(yù)測8-12月份宜昌站水面溫度變化趨勢；再以8-12月份的宜昌站水溫實(shí)測數(shù)據(jù)對樣本進(jìn)行檢驗(yàn)。

由于12個(gè)月份相關(guān)數(shù)據(jù)十分有限，為了避免訓(xùn)練樣本不足的情況，對7份訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行二維插值，將樣本數(shù)量擴(kuò)充到200份數(shù)據(jù)。分析決定使用Matlab二維插值函數(shù)，首先將訓(xùn)練輸入矢量和相應(yīng)的目標(biāo)輸出組合成9*7矩陣，運(yùn)用二維插值之后，獲得9*200矩陣，之后再將其拆分為8*200矩陣作為訓(xùn)練輸入，1*100的行向量作為訓(xùn)練樣本的輸出。

2.3.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫變預(yù)測結(jié)果

預(yù)使用200作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值系數(shù)開始訓(xùn)練，根據(jù)輸出值和期望值計(jì)算誤差，由誤差反向傳播算法逐層修改權(quán)值。如此反復(fù)，當(dāng)誤差不再下降，訓(xùn)練就此結(jié)束。由圖3得知，該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際訓(xùn)練次數(shù)為168次。

從圖4觀察水溫隨月份變化的曲線圖，水溫預(yù)測值逼近真實(shí)值，水溫變化走勢一致，在一定誤差允許范圍內(nèi)可以認(rèn)為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對水溫變化預(yù)測結(jié)果基本正確。由此可以預(yù)知，當(dāng)水文、氣象因素?cái)?shù)據(jù)樣本充足時(shí)，經(jīng)過樣本的預(yù)處理，使用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對河段水溫有一定的預(yù)測能力，能為河段水溫預(yù)測提供一種參考方案。

圖3 誤差下降曲線

圖4 預(yù)測值與真實(shí)值對比圖

水溫是水生態(tài)的重要環(huán)節(jié)，水溫變化對水生生物影響巨大。調(diào)查得知，流域主要魚類生活在水下2～5 m水深處，該深度水溫與流域江面水溫基本保持一致，因此BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對庫表水溫的預(yù)測可以為未來魚類行為變化受水溫影響提供參考依據(jù)。在各個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)不充分的條件下，也可以對水溫走勢進(jìn)行預(yù)測，該預(yù)測方法對于水生態(tài)保護(hù)和漁業(yè)發(fā)展有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

3 宜昌站的滯溫效應(yīng)

3.1 水電站帶來的滯溫效應(yīng)

由圖5可看出，水電站建成后，雖然全年水溫變化走勢大體相同，但是整體溫度略有上升，且存在很明顯的滯溫效應(yīng)，主要表現(xiàn)為夏季滯冷、冬季滯溫。

圖5 電站建設(shè)前后水溫變化

三峽水電站及葛洲壩梯級樞紐水庫的下游即為宜昌水文站的檢測面，本段落擬以三峽水電站為例來分析滯溫效應(yīng)。三峽水電站是迄今為止規(guī)模最大的水電站，其總庫容量達(dá)393×108m3，最高蓄水高程達(dá)175 m，這樣的水位變化必然對水電站的水溫分層及水溫狀態(tài)帶來顯著影響，隨之改變的是水氣界面的熱交換，進(jìn)而對三峽水電站的下泄水溫產(chǎn)生影響；而影響水溫的通常還有水電站的氣象、泄水方式、水體與河床熱交換、運(yùn)行調(diào)度情況、支流來水等因素[2]，其中水電站的下泄水溫起到了關(guān)鍵作用，如果下泄水溫升高，河道水溫受之影響也會升高；反之則河道水溫降低，由此便產(chǎn)生了滯溫效應(yīng)[3]。

在前些年三峽水電站處于初步運(yùn)行時(shí)期時(shí)，隨著蓄水高程的增漲，“滯溫效應(yīng)”的存在時(shí)間也不斷延長。近些年三峽水電站的運(yùn)行模式趨于穩(wěn)定，水電站建設(shè)帶來的“滯溫效應(yīng)”也應(yīng)該有規(guī)律可循，若能采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)精確預(yù)測庫表水溫，可以為找到保護(hù)長江魚類的方法提供參考方案。

3.2 水溫影響魚類生命活動

3.2.1 水溫對魚類的影響綜述

在魚類生命活動中，水溫占據(jù)了十分重要的作用。水溫及其對水體環(huán)境的改變都會影響魚類行為活動，如魚類代謝水平、生長率、發(fā)病率、性腺發(fā)育、產(chǎn)卵率等直接受到水溫影響；而水溫通過影響溶氧量、植物生長率、分解者分解效率，進(jìn)而影響物質(zhì)循環(huán)來間接影響魚類活動[4]。

魚類的代謝水平與自身體內(nèi)的各種酶活性息息相關(guān)，而酶又是催化生物體內(nèi)多種反應(yīng)的催化劑，促使反應(yīng)高效進(jìn)行。水溫通過影響酶活性來決定魚類的代謝水平；在適宜的溫度條件下，隨溫度升高，酶促反應(yīng)效率升高，魚類生命活動代謝加快，生長率也會有一定程度的提升。

另外，水溫還會影響溶解氧的含量，溶解氧與魚類呼吸作用關(guān)聯(lián)甚密，魚類在適宜的充足溶解氧環(huán)境下呼吸旺盛，采食速率和消化速率都會上升。不僅如此，水體溫度適宜的話，水中天然餌料的含量也會增加，因?yàn)槲⑸锎藭r(shí)分解效率加快，各種水生植物、浮游植物在適宜的條件下合成自身原生質(zhì)，繁殖速度加快，生長率提升，這樣魚類攝食量便隨之增多，由此可知溫變還會影響魚類生長發(fā)育快慢。

溫變還可以對魚類的性腺發(fā)育、產(chǎn)卵率等繁殖子息方面造成直接影響。比如，某些魚類在春季產(chǎn)卵，其卵巢一直生長到第二年春天等水溫回升后完成性腺成熟。各種魚類的性腺成熟期都是長期適應(yīng)的結(jié)果，但水電站帶來的滯溫效應(yīng)就會推遲其性腺成熟期，進(jìn)而影響到魚類的產(chǎn)卵率。水溫變化就像一個(gè)信號，魚類會接收信號有選擇地挑選適合受精卵存活和發(fā)育的時(shí)期產(chǎn)卵，產(chǎn)卵期的親魚對水溫要求極為嚴(yán)格。比如金魚，只要溫度不在適宜范圍內(nèi)時(shí)，縱使其他條件都具備，它也不產(chǎn)卵，只有達(dá)到適宜范圍內(nèi)時(shí)才會主動產(chǎn)卵，如果中途水溫變化超過適宜范圍后還會發(fā)生停止產(chǎn)卵或流產(chǎn)現(xiàn)象，魚類的產(chǎn)卵率因此降低。水溫作為水體環(huán)境的一個(gè)重要調(diào)控因子，在胚胎期直接影響受精卵的孵化、發(fā)育和孵出小魚的健康程度。比如，水體溫度為18℃時(shí)，鰱魚卵經(jīng)61 h才能孵化完成；當(dāng)水溫提高到28℃時(shí)，僅18 h即可完成。并且在小魚發(fā)育期間，不適宜水溫會降低它的采食速率，延遲其發(fā)育甚至導(dǎo)致死亡。

水溫變化還會刺激魚類的內(nèi)分泌系統(tǒng)、降低其穩(wěn)定性，削弱魚類的免疫應(yīng)答能力，如草魚出血病、鮭魚冷水性疾病等；溫變會通過影響一些酶活性及免疫球蛋白的分泌等來影響魚類免疫能力。

水溫影響魚類的活動。如洄游的魚類會受溫變影響，特別是季節(jié)性的溫變，可以說魚類洄游時(shí)間是由一年中水溫上升或下降的早晚決定的。水體溫度還是決定魚類游泳速率和持續(xù)游泳能力的一大因素，某試驗(yàn)對幼鱈進(jìn)行急性低溫處理，削弱了其呼吸作用和產(chǎn)能效率，使其游泳速率明顯降低，大多數(shù)情況下，魚類最適游泳溫度和最適生存溫度基本吻合[2]。

適宜的水溫給魚類帶來了充足的天然餌料、豐沛的氧氣、良好的代謝水平、較高的免疫能力和反應(yīng)力，有利于魚類生長。但維持適宜的溫度不是一件容易的事情，水電站的建設(shè)打破了河流流域原有的平衡，水庫大量泄水時(shí)引發(fā)的水體溫度突變導(dǎo)致魚類生長畸形、死亡的情況不在少數(shù)。三峽工程蓄水后，明顯改變了河流水域的水溫，打破了魚類與環(huán)境長時(shí)間發(fā)展形成的平衡，特別是下泄水溫使原水溫降低，造成宜昌站的四大家魚自然繁殖期明顯推遲，壓縮了其整個(gè)產(chǎn)卵期的長度，不僅如此，無法預(yù)測溫變對魚類的整個(gè)生命活動過程都是有較大的負(fù)面影響[5]。為了保護(hù)魚類，研究水電站建設(shè)對水溫的改變很有必要。因?yàn)橐瞬蔚聂~類基本上生活在淺水層，本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測水表溫度變化來探究水溫對魚類的作用。

3.2.2 溫變對魚類影響實(shí)例分析

水溫是水體環(huán)境的一個(gè)重要調(diào)控因子，其變化可以直接影響魚類生長的一系列生命活動。三峽水電站的滯溫效應(yīng)對長江流域中下游的眾多魚類生物的成長棲身和繁殖子息造成極大的影響，溫變給魚類自身調(diào)節(jié)能力帶來了巨大考驗(yàn)。魚類對水溫的感知特別靈敏，且作為變溫動物，魚體自身溫度會隨著溫變而產(chǎn)生變化，同時(shí)它的生理行為和代謝強(qiáng)度也會產(chǎn)生變化[6]。

下面以草魚為例，討論水溫變化對草魚生長率的影響，見表3。

表3 各種水溫試驗(yàn)中草魚魚種的生長

由表3可以看出，不同水溫試驗(yàn)中草魚魚苗的生長、采食以及魚食的消化效率有著很大的差異。在試驗(yàn)的各種溫度中，第三組試驗(yàn)水溫中的魚苗生長最快，其次為第二組試驗(yàn)水溫；而在第一組試驗(yàn)水溫中，魚苗由于生長環(huán)境溫度過低而在整個(gè)試驗(yàn)期間生長緩慢。據(jù)前人研究數(shù)據(jù)可知，水溫在小于32.3℃的前提下，對于同樣體重規(guī)格的草魚，其采食速率會隨著水溫的升高而加快(水溫越高，魚消化道內(nèi)食物消化速率就越快，攝食就越多)。這是由于在適合的水體溫度范圍內(nèi)，酶活性和消化速率隨水溫的升高而增大，而低溫使魚食消化速率明顯下降[7]。在20℃～32℃時(shí)(草魚適宜水溫)，草魚具有較高的免疫應(yīng)答能力。若溫度過高，草魚的機(jī)體代謝就會發(fā)生紊亂，易生病(如草魚出血病)，死亡率也會升高[8-9]。

水電站的建設(shè)改變了魚類生存的水體環(huán)境，破壞了它們以往的生活規(guī)律；還帶來 “滯溫效應(yīng)”，推遲了草魚的自然繁殖期(水溫變化導(dǎo)致性腺成熟期推遲)，降低草魚的產(chǎn)卵規(guī)模(繁殖期水溫降低達(dá)不到最低產(chǎn)卵溫度)，在一定程度上降低了草魚生長率[10-12]。

4 結(jié) 語

三峽庫區(qū)的大壩工程建設(shè)為人類和社會供給了防洪、供水、澆灌、水電、樹木栽植、海航運(yùn)輸、休閑娛樂等需求，推動了人類社會的發(fā)展，為社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了巨大的功績。但另一方面，其建設(shè)也破壞了河道流域生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性[13]。水電站建設(shè)帶來的水溫變化顯著影響了魚類行為，其中水溫分層及低溫下泄水對長江流域的水生生物有不利影響，如“滯溫效應(yīng)”使中華鱘和四大家魚的自然繁殖期顯現(xiàn)明顯延后趨勢。探究水電站建設(shè)帶來的水溫變化，對魚類的保護(hù)有著極其重要的意義[14-15]。

本文基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(采用其強(qiáng)大的泛化能力、逼近能力、概括能力來研究氣象因子對水溫的改變，具有極強(qiáng)的容錯(cuò)性和儲存性)，分析預(yù)測因子與水溫的關(guān)聯(lián)度，且其溫變預(yù)測結(jié)果基本正確。若能以此來預(yù)估水電站建成后庫表水溫的變化，尋求溫變與魚類行為的聯(lián)系，可有效減弱滯溫效應(yīng)及低溫下泄水等對長江流域中下游的水生生物的不利影響，有效保護(hù)長江的眾多魚類。