浅谈中长期水文预报的方法

浅谈中长期水文预报的方法

摘要：由于中长期水文预报对于水资源规划管理、水库及水电站调度具有的重要意义，其影响水文因素十分复杂，但中长期水文预报方法目前尚不够成熟，因此根据各种方法的优缺点及预测的依据进行综合分析，合理取值。并应结合当地实际不断积累经验，并进一步指出将来中长期水文预报的进一步研究方向。

关键词：中长期水文预报预报方法水文要素

1 前言

中长期水文预报是根据前期和现实的水文、气象等信息，运用天气学、数理统计、宇宙-地球物理分析方法，对未来较长时间内水文情势做出定性或定量预报。中长期水文预报具有较长的预见期，能够使人们在解决防洪与抗旱、蓄水与弃水及各部门用水之间矛盾时及早采取措施进行统筹安排，以获取最大的效益。近年来，随着新的数学分支和计算机技术的发展，为中长期水文预报拓展了新的研究途径。随着社会的不断发展，国民经济各个部门对水文预报提出的要求越来越高，要求水文部门能提供预见期长、准确性高的中期与长期预报，要求有定性分析及有定量的预报。显然，积极开展中长期水文预报是非常必要的。

2 传统的预报方法

中长期的水文要素受天文、气象、地理等多因素的影响，是多个因素共同作用的结果，因此应从历史资料中挑选多个与预报要素具有物理成因相关的因子作为预报因子，通过统计分析等数学方法建立预报因子与预报因素间的定量或定性关系从而进行水文要素预报。

2.1 成因分析法

成因分析法主要侧重于水文现象物理形成过程的描述与分析。它的主要思想是根据前期的大气环流特征以及表示这些特征的各种高空气象要素，直接与后期的水文要素建立起定量的关系进行预报。

成因分析法有以下几类:①应用前期环流进行预报；②应用前期海温特征进行预报；③根据太阳黑子相对数n年周期中的相位或分析黑子数与江河水量变化之间的关系，对后期可能发生的旱涝进行定性预测；④分析地球、行星、火山运动、臭氧的多少等与水文过程的对应关系，对后期可能发生的水文情况作出定性预估；⑤概率统计预报。

2.2 数理统计方法

在中长期水文预报中，数理统计方法占有显著地位。应用数理统计方法从大量历史资料中去寻找分析水文要素变化的统计规律以及与其他因素的关系，然后应用这些规律来进行预报。该方法又可分为单要素法和多要素综合法，其中单要

素法是通过分析预报对象自身随时间变化的规律作为预报的依据，如历史演变法、滑动平均法、周期叠加、时间序列分析法等；多要素综合法是从分析影响预报对象的因子中挑选出一批预报因子，建立其统计规律作为预报的依据，如多元线性回归分析、逐步回归分析、聚类分析、自然正交分解等方法。

3现代预报方法

水文过程是一个非常复杂的高度非线性过程，采用传统的数学方法进行预报时难以达到理想的效果，与实际应用的差距还较大，因此，迫切需要引入新的理论与方法以丰富水文中长期预报方法，以期提高预报精度并为实际生产服务。随着人类对自然界规律认识的不断深入与现代科学技术的发展，涌现出了许多新理论与计算方法，丰富了传统的水文预报方法并为新预报方法的发展提供了必要的理论基础。

3.1 模糊分析方法

水文现象是一种自然现象，除具有确定性与随机性外，还具有模糊性，陈守煜等在水利、水文、水资源与环境科学领域中进行了模糊集的应用研究，并将模糊集分析与系统分析结合起来，形成了新的模糊随机系统分析体系，建立了模糊模式识别预测模型。模糊分析方法的引进，丰富了中长期水文预报理论，但由于其信息带有明显的主观性，因此应用受到了一定的限制。

3.2 人工神经网络方法

人工神经网络（ANN）是对人脑若干基本特性通过数学方法进行的抽象和模拟，是一种模仿人脑结构及其功能的非线性信息处理系统。人工神经网络按拓扑结构分为前馈网络、反馈网络和混合网络。BP 网络是由Rumelhart和Mccullane 针对含有隐层的、具有非线性连续函数的多层前馈网络权值调整问题而提出的误差反向传播算法。它是人工神经网络中最为重要的网络之一，也是迄今为止应用最为广泛的网络算法。

3.3 灰色系统理论方法

由于水文中长期预报内含的不确定性成份较多，如系统动力学本身的复杂性、变化的随机性以及人类认识的不完善性等，且各种成分难以严格区别，即部分信息清楚部分信息不清楚，基于这一事实，可以将水文过程看成一个含有灰信息和灰元素的多因素影响的灰色系统。灰色系统理论的特点较适合于预报具有指数增长趋势的问题，将其应用于非线性变化的水文时间序列预报中则会受到一定的限制，该理论目前还在发展中，以期将来的研究能够更好的为水文预报服务。

3.4 混沌理论方法

混沌理论认为，客观事物的运动除平衡态、周期、准周期运动之外，还存在着一种更加普遍的运动形式-混沌运动，即一种由确定性系统产生的、对初始条

件具有敏感依赖性、永不重复的回复性周期运动。大多数水文现象的运动特征都具有确定性的一面，又具有随机性的一面，应用混沌理论将能打破传统分析中单一的确定性分析和随机性分析，建立将两者统一起来的混沌分析法。国内外文献表明，混沌理论在水文中的应用还只是进行了一些初步探索工作，大多数新方法还未涉及。

3.5投影寻踪方法

投影寻踪(PP)是统计学、应用数学和计算机技术的交叉学科，是用来分析和处理高维观测数据，尤其是非线性、非正态高维数据的统计方法。它的原理是把高维数据按照一定的方向投影到低维子空间上，以投影指标函数来分析原始数据结构特征，并寻找使投影指标函数达到最优的投影值，以达到分析研究高维数据的目的。它具有稳健性、抗干扰性和准确度高等优点，并且在水文预报方面的研究也起到了显著的成果。

3.6 小波理论方法

小波分析是源于Fourier(傅里叶)分析的新发展。从时频分析的角度出发，任一水文序列均含有多种频率成分，每一频率成分都有自身的制约因素和发展规律，因此仅从水文序列本身出发构造模型，难以把握水文序列的内在机制，有必要对水文序列进行分频率研究，而小波分析方法正好提供了一种便利的时频分析技术。

3.7多元线性回归方法

在水文中长期预报中，由于影响因素的复杂性，需要考虑多个预报因子对预报对象的影响，并建立预报对象与预报因子间的线性方程，这就是多元线性回归。多元线性回归是假定在各预报因子和预报量之间呈线性关系的情况下，使预报值和实测值之间误差达到最小，并认为未来是按这种关系发展，从而进行预报。它是中长期预报的一个重要手段。

4 结论

水文过程是个很复杂的动态过程，水文预测既有确定性成分，也有随机成分，对应地，各预测模型也均有其各自的优缺点和不确定性，使得这些方法难以对整个水文过程进行有效地拟合和预测。中长期水文预报时,应在分析当地水、旱情变化规律和水文要素采取多种预测方法, 可以考虑将各种预测方法进行组合，建立水文中长期预测方法，来提高水文过程的预测精度。