（水文学及水资源专业论文）石羊河流域径流中长期预测方法研究.pdf

中文摘要 水文预报是根据已知的信息对未来一定时期内的水文状态作出定性或定量 的预测。水文中长期预报一直是难度较大的研究课题，困难在于水文变化的情势 受多种不确定因子影响，因果规律不完全清楚，水文资料信息也不很充分。如何 利用有限资料提高预报精度是水文学家关注的问题。径流中长期预报是水文中长 期预报重要的一种，在防汛、抗旱、水资源开发利用、保证工农业安全生产以及 发挥水利设施的作用方面都有很大的作用。为改善甘肃省石羊河流域生态、合理 利用水资源须对流域水资源进行合理分配并制定水量调度实施计划，而准确及 时的中长期水文预报可以帮助人们在调水中及早采取决策、措施，进行统筹安排， 从而在保证生态用水的同时获取最大经济效益。本文对径流中长期预测方法进行 了研究，以期找到更好的预测方法、预测模型来提高石羊河流域径流中长期预测 的精度。文中着重研究和应用了三种有代表性的预测方法，并对其在石羊河流域 的预测结果进行了对比分析，主要研究内容和成果如下： ( 1 ) 预测方法的分析建立。基于资料现状和石羊河流域的区域特点，本文 分析研究了代表传统回归分析预测方法的正交多项式回归分析法、代表时间序列 预测方法的灰色一马尔柯夫法和代表新兴神经网络预测方法的相空间重构神经 网络法。 ( 2 ) 预测软件的开发与程序编制。基于以上的理论方法，本文对回归分析 预测方法和灰色一马尔柯夫预测方法实现了v b 程序语言的可视化界面开发；对 相空间重构神经网络预测方法则运用具有强大矩阵处理功能的m a t l a b 软件进行 了程序编制。 ( 3 ) 预测方法的应用与结果分析。将不同的预测方法进行性能的综合比较 分析，结果表明在石羊河流域径流中长期预测中，三种预测方法各有优缺点。但 就径流序列的拟合效果和预测精度来说，相空间重构神经网络方法优于其它两种 方法，具有较广阔的应用前景。 关键 词：径流中长期预报，回归分析，马尔柯夫序列，a r ( p ) 模型，相空 间重构，神经网络 a bs t r a c t h y d r o l o g i cf o r e c a s t i n gi sm a k i n gaq u a l i t a t i v eo rq u a n t i t a t i v ef o r e c a s to ft h e h y d r o l o g i cs t a t ew i t h i n ac e r t a i np e r i o d ，a c c o r d i n gt ok n o w ni n f o r m a t i o n s m i d t o - l o n g - t e r mh y d r o l o g i c a lf o r e c a s t i n gh a sa l w a y sb e e na d i f f i c u l tr e s e a r c ht o p i c i nt h en a t u r a la n dt e c h n o l o g i c a ls c i e n c ef i e l d ，d u et ot h ec o m p l i c a t e dh y d r o l o g i c r e g i m ea n d t h ei n c o m p l e t eh y d r o l o g i c a ld a t a a sar e s u l t , h o wt oi m p r o v ef o r e c a s t i n g a c c u r a c yw i t hl i m i t e dh y d r o l o g i c a ld a t ab e c o m e sap r o b l e mc o n c e r n e db yh y d r o l o g i e s m i d - t o - l o n g - t e r mf o r e c a s to f r u n o f fi sa ni m p o r t a n tt y p eo fh y d r o l o g i c a lf o r e c a s t i n g ， w h i c hh a sag r e a te f f e c ti nf l o o dp r e v e n t i o n ，f i g h ta g a i n s td r o u g h t ，w a t e rr e s o u r c e s d e v e l o p m e n t ，g t 蜩t r a u t e eo fi n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o na n de x p l o i t i n gw a t e r c o n s e r v a n c yf a c i l i t i e s a d v a n t a g e s t ot h ef u l l i no r d e rt oi m p r o v ee c o l o g i c a l e n v i r o n m e n ti ns h i y a n gf i v e rb a s i n ，m a k er a t i o n a lu s eo fw a t e rr e s o u l c e sa n dw o r k o u tad i s p a t c h i n gp l a n ，a c c u r a t ea n dt i m e l y m i d - t o - l o n g - t e r mh y d r o l o g i c a l f o r e c a s t i n gi sv e r yn e c e s s a r y a c c u r a t ea n dt i m e l ym i d - t o - l o n g - t e r mh y d r o l o g i c a l f o r e c a s t i n g n o to n l y h e l pp e o p l et op l a na saw h o l ei nt h ec o u r s eo fw a t e r d i s p a t c h , b u ta l s oh e l pp e o p l et og a i nm a x i l n u l ne c o n o m i cb e n e f i t si nt h ec o n d i t i o no f m e e t i n ge c o l o g i c a lw a t e rr e q u i r e m e n t f o ri n c r e a s i n gt h ef o r e c a s t i n ga c c m a c y , t h r e e t y p i c a lm e t h o d so ff o r e c a s t a r er e s e a r c h e di nt h ep a p e ra n dt h er e s u l to ft h e f o r e c a s t i n gi sa n a l y s e d t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y s i so ft h ef o r e c a s tm e t h o d b a s e do ne x i s t i n gd a t aa n d r e g i o n a l f e a t u r eo fs h i y a n gf i v e rb a s i n , t h er e g r e s s i o na n a l y s i s 、g r e y - m a r k o vs e r i e sa n a l y s i s a n dt h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ko fp h a s es p a c er e c o n s t r u c t i o np r e d i c t i o nm e t h o d sa r e r e s e a r c h e da n ds e l e c t e di nt h ep a p e ri no r d e rt op r e d i c tt h er u n o f fo fs h i y a n gf i v e r b a s i n ( 2 ) p r o g r a m m eo ft h e f o r e c a s ts o f t w a r e i nv i e wo fa b o v e - m e n t i o n e d r e a s o n s ，t h i sp a p e rd e v e l o p e dv bs o f t w a r ef o rt h er e g r e s s i o na n a l y s i sa n d g r e y - m a r k o v s e r i e s a n a l y s i s f o r e c a s tm e t h o d s ；t h e p a p e ra d o p t e d m a t l a b s o f t w a r e ，w h i c hh a sap o w e r f u lm a t r i xf u n c t i o no ft r e a t m e n t , t ot h ea r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r ko fp h a s es p a c er e c o n s t r u c t i o np r e d i c tm e t h o d ( 3 ) p r e d i t i o na n da n a l y s i so ft h ed i f f e r e n tm e t h o d s b o t ht r a d i t i o n a lp r e d i t i o n m e t h o d sa n dr e c e n tn e w p r e d i c t i o nt e c h n o l o g ya r et a k e ni n t oa c c o u n ti ns h i y a n gf i v e r b a s r a 。t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so fr e s u l t ss h o w st h a tt h r e et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n so fp r e d i t i o nm e t h o di ns h i y a n gf i v e rh a v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s b u tw i t hr e s p e c tt o p r e d i c t i o na c c u r a c y ，t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ko fp h a s es p a c e r e c o n s t r u c t i o np r e d i c t i o nm e t h o di so b v i o u s l yb e r e tt h a no t h e rm e t h o d s ，i th a saw i d e r a p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e yw o r d s ：m i d - a n d 1 0 n gt e r mp r e d i c t i o n o fr u n o f f , r e g r e s s i o na n a l y s i s ， m a r k o vs e r i e s ， a r ( p ) m o d e l ，p h a s es p a c er e c o n s t r u c t i o n , a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：智、丰鲁签字日期：沁p7 年舌月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 岔冲午 导师签名： 签字日期：沙刁年 苦1 月 f e t签字日期： 殇帆 ok6 觅le t | 第一章绪论 i i 中长期水文预报概述 第一章绪论 水文预报是根据已知的信息对未来一定时期内的水文状态作出定性或定量 的预测。已知信息，广义上指对预报水文状态有影响的一切信息，最常用的是水 文与气象要素信息，如降水、蒸发、流量、水位、冰情、气温和含沙量等观测信 息。预报的水文状态变量可以是任一水文要素也可以是水文特征量，不同的状态 量预报要求的已知信息不同、预报方法不同、预见期也不同。中长期水文预报 ( m i d - a n d 1 0 n gt e r mh y d r o l o g i c a lf o r e c a s t i n g ) 通常泛指预见期超过流域最大汇流 时间，对未来长时间内的水文要素进行科学预测的水文预报。通常预见期为3 ，1 0 d 的水情要素预报称为中期水文预报，1 0d 以上一年以下的称为长期水文预报， 超过一年的则称为超长期预报。根据预报内容不同又可分为：径流预报、江河湖 海水位预报、旱情趋势预报、冰情及沙情预报、水质预报等。中长期水文预报的 对象包括河流、湖泊、海洋的水位、流量、汛期水量的丰枯、旱涝年景以及冰情、 融雪径流等【l j 。 预报的预见期在实用上是十分重要的，一般短期的水文预报常常不能满足 生产的要求，而中长期水文预报具有较长的预见期。准确及时的长期预报在防汛、 抗旱、水资源开发利用、保证工农业安全生产以及发挥水利措施的作用方面都有 很大的作用，帮助人们及早采取决策、措施，进行统筹安排，以便获取最大经济 效益。事实上防汛抗旱、水库调度、水电站运行、交通航运以及其他水利水电工 程的管理运行、地区或流域未来水资源的供需状况、地区甚至整个国家国民经济 计划的制定都必须建立在预知未来水资源状况之上，也就是对未来水文情势作出 合理估计。这些都属于水文的中长期预测的应用范畴。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，要求水文部门提供预见期更 长、准确性更高的中长期预报。总的来说，洪水灾害与水资源紧缺问题的日益加 剧使得提高水文预报精度愈来愈显得重要。 中长期水文预报一直是难度较大的研究课题，困难在于水文变化的情势受 多种不确定因子影响，因果规律不完全清楚，水文资料信息也不很充分。由于预 见期加长了，预见期内随机因素的作用也增加了，从而使预报精度降低，两者之 间是有矛盾的。目前中长期水文预报研究还处于探索、发展阶段，随着对自然资 源开发与环境保护意识的增强和适应生产发展需求，中长期水文预报研究将会愈 来愈显得迫切和重要。 第一章绪论 1 2 中长期水文预报的现状与发展趋势 中国的近代长期预报是由涂长望于1 9 3 5 年创始的。他根据瓦克的理论与方 法，研究冷暖和旱涝同世界各地的天气，特别同三大涛动的关系，提出了预报方 程。解放后，由于生产发展的需要，逐步开展了中长期水文预报方法的研究。近 十多年来由于气象学、概率统计、计算科学、海洋学等学科的迅速发展，大量新 的探测资料的出现，中长期水文预报无论在影响因素与长期演变规律的研究，预 报方法的探讨，预报项目的增多等方面都有了显著的进展，我国中长期水文预报 正在经历着一个新的发展阶段。现行预报方法有： 1 2 1 天气学方法 径流的变化主要取决于降水的有无和多寡，而降水的产生又由大气环流形势 所制约。一个流域或地区发生旱涝异常总是与环流异常联系在一起的。太阳活动、 下垫面热状况以及其它宇宙地球物理因素对水文情况的影响，最终也是要通过对 环流的影响来实现的。因此，联系大气环流的长期演变以及前后承替规律来进行 径流的中长期预报，是一条具有物理基础的主要途径。因而也更加受到人们的注 意。 在预报方法上，目前主要有以下几种做法： ( 1 ) 对早涝年北半球5 0 0 毫巴月平均图的同期和前期分别作出早年和涝年 的合成图、距平图和旱涝差距图，突出早年和涝年的环流差异，再进一步分析这 种差异对早涝形成的作用，建立典型旱涝年的前期环流模式。预报时根据预报年 前期环流的主要特点在历史上寻找相似年份，或者给出判别相似标准，定量计算 相似指标来确定相似年份，然后作出旱涝定性预报。 ( 2 ) 把前期5 0 0 毫巴月平均图的高度场与水位、流量等预报对象进行相关 普查，确定关键区与关键月份，然后从中挑选一批预报因子，采用统计方法，建 立定量预报方程。 ( 3 ) 将前期各月环流指数、环流日数、副高强度指数等以反映该月环流特 征的各种特征统计量作为预报因子，通过逐步回归筛选，然后建立预报方程。 分析研究大气环流的异常状态及其演变规律，探索长期天气过程，寻找具 有物理意义的因子，通过环流分析与统计相结合的方法，无疑是制作长期水文预 报的重要途径。 2 第一章绪论 12 2 。2 下垫面热状况方法 大气主要吸收来自下垫面的长波辐射，同时不断与下垫面之间发生热量与 水分的交换，研究长期天气过程必须把天气与下垫面作为一个系统来考虑，因此 在长期预报中下垫面的作用十分显著。在下垫面因素中，海洋以它巨大的几何尺 度与热惯性成为上覆天气重要的热源与热汇，而且异常海温区域范围广阔，一旦 形成以后就能维持相当长的时间，从而长期影响大气运动，在长期水文预报中， 海洋的作用不容忽视。上世纪七十年代以来，对海洋与大气相互作用及其在长期 预报上的研究，取得了显著的进展，水文部门应用北太平洋海水表面温度资料制 作长期预报已越来越广泛，揭露的出来的大量事实进一步肯定了海洋的熟力作用 对我国汛期旱涝影响的重要性。具体方法，大致可分为三种类型： ( 1 ) 根据不同旱涝年份对前冬海温场配置进行分型作出早涝定性预报。 。 ( 2 ) 将水文要素与前期海温场进行相关普查，确定关键海区，关键时段， 然后根据时间与空间上的连续性挑选海温点组成回归方程或直接由拟合曲线进 行定量预测。 ( 3 ) 用海温场分析天气形势预报5 0 0 毫巴副热带高压，。再根据副热带高压 主要特征与雨带活动的关系预报旱涝。 在下垫面因素中，青藏高原对东亚大气环流和天气气候的影响早就为人们 所注意。这种影响一般可归结为热力与动力作用两方面。近年的研究发现在一年 中的大部分时间里，青藏高原对大气是一个热源，只有在冬季少数月份才是冷源， 因而高原的热力作用愈来愈受到重视。 1 2 。3 宇宙一地球物理方法 宇宙一地球物理因素，包括天文学上的太阳活动、宇宙尘埃、行星运动、起 潮力、月亮朔望。地球物理学上的地极移动、地球自转速度变化、地磁、火山爆 发等，这些现象与地球下垫面热状况一起统称为非大气因子。 长期天气过程的主要特点是它的非绝热性，而大气运动能量来自太阳辐射。 从这一点出发，不少工作都应用太阳黑子相对数的长期记录寻找它与主要江河的 丰枯对应关系，并据此进行预测。尽管对太阳活动的影响问题，国内外学者仍有 不同的看法，还没有一种理论或假设能给予满意的解释，但是，水文要素的长期 变化与太阳活动之间看来确有某些关联，值得人们去探索。普遍做法是应用太阳 黑子平均1 1 年周期、2 2 年磁周期和9 0 年左右的世纪周期按位相进行排列，分 别统计不同位相中涝或不同等级水量出现的频次。在排列位相时也可以加入其它 因子作参数，以提高预报效果。此外，也有分析黑子相对数历史演变曲线的外形 第一章绪论 特征，根据预报年前后黑子数变化的特征找出与历史上相似的年份作出预估。 引用其它天文因素与我国早涝异常与水量丰枯进行对应分析，也取得了一定 的对应结果。高发金发现五大行星对长江大水年的影响以木星最为重要。1 9 8 0 年5 月美国圣海伦斯火山大爆发，接着包括我国在内的北半球许多地方出现了明 显的天气异常。这些研究成果为长期预报提供了一个新的线索。但如同太阳活动 一样，在影响机制等问题上有待进一步去探索【z j 。 1 2 4 概率统计预报方法 概率统计方法对分析与揭露各种水文现象变化的统计规律是一种有效手段。 在中、长期预报中或者用来直接对水文情势进行概率预测；或者用来进行数据处 理，达到浓缩信息突出主要矛盾简化计算工作量的目的。 多元分析是近代统计学中的重要分支，也是中长期水文预报中应用得最多的 方法之一。常用的主要有逐步回归、聚类分析、主成分分析( 自然正交函数) 以及 其它的简易方法。 ( 1 ) 逐步回归为了能在众多因子中挑选那些对预报对象影响而又避免具 有重复作用的因子同时进入预报方程，因此当具有上述功能的双重筛选逐步回归 于上世纪七十年代初引入长期水文预报后就很快地得到了推广。目前存在的主要 问题有，如何合理选择因子个数，解决拟合效果与预报结果不一致的矛盾，以及 由于预报值是各个因子数据值时的条件均值，难以报出过大或过小值的问题。 ( 2 ) 聚类分析根据预报时刻前期水文气象情势与历史资料对比，寻找相 似年份的做法由来已久。聚类分析根据计算所得衡量两个个体相似的指标，然后 应用逐级归并等方法进行聚类，从而克服了过去那种凭直观感觉难免带有一定主 观成分的缺陷，因此在中长期预报中日渐得到广泛使用。需要指出的是一般聚类 分析与主成分分析等不一样，只是一种数据处理手段，本身并不具有预报功能， 但是它可以和其它方法配合来进行预报。聚类分析中的分类筛选预报法( a i d ) 本身就具有预报功能。它的主要优点是能在一定程度上反映非线性关系，同时能 充分利用观测资料。 ( 3 ) 主成分分析随着在流域或地区内开展旱涝空间分布或多站预报，以及 处理大量因子数据问题的出现，就产生了把多个变量表示出来的问题。解决方法 有主分量分析、典型相关分析等。主成分分析以它具有能将多维问题转化为一维 问题，以及收敛快、事先不需给定函数形式等优点引起人们的注意【3 】【4 】。 4 第一章绪论 1 2 。5 时间序列预报方法 时间序列分析在水文领域中的应用已有较长的时间。这类方法只要应用水文 要素的历史记录，寻找它们自身的演变规律进行预报。常用的有平稳时间序列中 的自回归模型、周期均值迭加、齐次马尔柯夫链等。 应用平稳时间序列作径流预测在我国上世纪六十年代初期就已开始，程渭钧 等曾加以介绍。考虑到水文过程的非平稳性，将水文序列分解成趋势项、周期项、 平稳项与噪声项，分别外推后作线性迭加进行预报。这种方法一直沿用至今。至 于周期成分主要采用谱分析与方差分析来识别。b o x 等于1 9 2 0 年提出自回归移 动平均模型a r m a ( p ，q ) 与自回归移动平均求和模型a r i m a ( p ，d ，q ) ，在理论上虽然 比较坚实，但计算工作量较大。门限自回归模型是国外今年来提出的一种逐段线 性化去处理非线性问题的数学方法。 水文系统是一个复杂的巨系统，水文要素的时空变化具有高度的非线性特 点。以线性方法为主的现行水文预报方法，在中长期水文预报方面很难取得重大 进展。根据水文要素变化的非线性特点，突破传统概念的束缚，引进新的分析途 径是十分必要的。模糊分析、人工神经网络，以及其他非线性科学方法都可能成 为有效的新的分析途径。水文系统的复杂性及水文要素变化的不确定性，决定了 水文系统的复杂性及水文要素变化的不确定性，决定了用单一方法或把希望寄 托于数理统计方法的改进，并不能够有效全面地提高中长期水文预报计算、预测 和决策的可靠性。将各种方法结合起来，即采用所谓的耦合途径，特别是确定性 的人工神经网络方法结合不确定性的随机、模糊、灰色、混沌等方法及其各种耦 合，将在中长期水文预报中发挥越来越重要的作用【5 】。 1 3 水文预测模型简介 由于水文现象的自然变化和人类活动对自然环境的干预，使得水文现象具 有随机、模糊、灰色等复杂不确定性，因而不确定方法被广泛、有针对性地引入 水文水资源研究。这些方法用于水文研究的途径有两种即单一途径和耦合途径。 所谓单一途径是针对水文现象的某一种不确定性用不确定方法建立水文模型，这 类模型主要有： 1 3 1 随机模型 此类模型解决水文现象发生与否的随机不确定性，体现了概率预测的思想。 建立随机水文预测模型时，首先必须根据所研究水文序列的长或短相关特性来确 第一章绪论 定模型形式和模型的阶数，线性自相关系数是确定模型阶数的主要依据。对于变 量之间存在的复杂非线性关系，随机模型较难取得满意的效果。 1 3 2 模糊模型 水文现象发生的程度在概念上不易表述，例如什么是大流量的概念，因此需 要根据研究对象的具体特征来制定模糊概念的定量表述，即某种水文现象隶属于 不同模糊集合的大小，称为隶属度。对于变化复杂的水文现象，要求模糊集合的 划分要精细，才能全面反映水文现象的突发或极偶然现象。模型建立的过程表现 为确定隶属度函数过程。可以说，隶属度函数是模糊模型提取信息的载体，不同 的对象有不同隶属度函数的形式。根据隶属度函数建立的模糊模型解决了水文现 象的模糊不确定性。在建立模糊模型时，确定隶属度函数尚没有有效的办法；另 外，当研究变量较多时，它们之间错综复杂的模糊关系大大增加了建模计算量， 模型较难收敛到满意解。 1 3 3 灰色模型 认为可以将系统动力学本身的复杂性，变化的随机性以及认识的不完善性等 的总和视为灰色特性，灰色模型正是研究了水文现象中存在的此种灰色不确定 性。与模糊模型相似，灰色模型中也有一个用来表示灰色信息量的函数，称为白 化函数，建模的过程实质是一个寻找确定函数的过程。建立灰色模型时，很难分 清灰与白的界限，有时由于信息的重复使用，造成假相关现象，使得预测模型的 可靠性降低。 1 3 4 人工神经网络模型 ( 主要是b p 网络) 人工神经网络是一个非线性逼近器，非线性是水文系统复 杂性特征之一，人工神经网络为揭示这一特征提供了有力手段，通过变化的网络 结构和不断修正的网络权值来揭示水文系统的复杂变化规律。模型中权值个数随 着系统复杂性的增加而增加。在人工神经网络模型中，网络权值是信息的载体， 网络权值被不断修正的过程，就是对信息不断提取的过程。并根据研究对象的复 杂性不同必然出现各类型的网络，使得网络结构的确定成为最不确定的问题，给 实际应用带来一定困难。 6 第一章绪论 1 3 。5 投影寻踪回归模型 一方面水文系统的演化受众多水文要素的影响：另一方面水文系统的实测资 料又非常有限，针对这种情形，提出运用投影寻踪回归模型。将高维输入数据投 影到低维空间，再用一维空间中运用成熟的统计方法揭示输入、输出变量之间的 相关关系，反映整个系统的演变规律，在投影寻踪回归模型中，投影方向以及低 维拟合岭函数是该模型提取信息的两个手段。研究对象中信息量被利用的一度 可以通过模型的这两个参数反映出来。实际应用表明，投影寻踪回归模型取得了 优于以上多种数模型的预测效果。但由于此方法涉及近代统计学、优化计算、计 算机等方面的知识，使模型编程实现困难。 1 3 6 小波模型 随着小波分析理论的形成和发展，其在时间域和频率域同时具有良好的局部 化的优势逐渐引起许多水文科学工作者的重视。径流时间序列是一个观测到的样 本，由于径流是一种自然现象，观测到的资料较短，即信息量有限。在这种情况 下应用小波分析可以充分利用现有信息量。径流时间序列过程呈现出各种各样特 性。例如日流量过程，枯期变化较平稳，汛期变化剧烈，涨水落水之间发生一个 峰点。对这样的过程，枯期的分析可粗一点，而汛期分析要精细一点，即前者的 分辨率低一点，后者则高一点。小波分析具有多分辨力的功能，非常适合分析这 样的径流序列。同时，小波分析可以深刻揭露各种径流序列的变化特性，对不同 序列过程识别分类；通过小波分析建立合适的小波模型用于预测。 以上六种模型的实际应用效果还表明，单独使用一种方法不易全面、系统地 解决水文水资源中多种不确定性混合的问理，较难取得理想的效果，因此提出了 耦合的途径所谓耦合途径是综合考虑水文现象的多种不确定性建立多个不确定 方法联合使用的水文模型，如随机、灰色、模糊，网络耦合模型，其中诸方法与 网络模型混合成为主要趋势。在水文预测中，与神经网络藕合的方式包括：模糊 神经网络、混沌神经网络、小波神经网络等。【6 】【7 】【8 】 1 4 本文研究目的及意义 本文研究的目的及意义有四点： ( 1 ) 实时水文预报经过多年的发展目前已具有了较高的精度，但长期水文预 报一直是处于探索发展阶段。现行预报的主要途径是天气学方法和统计学方法， 7 第一章绪论 天气学方法是采用前期环境、前期海温特征、太阳黑子的变化等作为趋势预报， 而统计学方法采用多元分析和时间序列，即将水文时间序列作为一个离散化的平 稳随机过程或非平稳随机过程，来构成线性自回归模型和自回归滑动平均模型。 虽然方法较多，但精度方法有待进一步提高。 ( 2 ) 对于水利部门来讲，仅仅依靠气象部门发布的长期天气趋势预报工作 是不够的，因为它不可能对某一条河流、一个水库或者一个水资源分区作出相应 的预测，它的预报范围是在一个大的时间和地区上的分布。哪一种预报方法具有 更强的适用性及如何改进预测模型来提高其适用性是至今仍然有待深入研究的 问题。 ( 3 ) 石羊河流域气象资料缺乏，限制了天气学预报方法在石羊河流域的应 用，而在数学预测方法方面近年来提出了许多新理论、新方法、新模型。面对众 多的新理论、新方法、新模型以及传统方法如何选择也是本文研究的重要目的之 一o ( 4 ) 本文最重要的目的和意义在于各种径流中长期预测方法在石羊河流域 各条河中的应用，以期找到好的预测方法来提高预测精度。以便为石羊河流域水 资源的合理分配和水量调度计划的制定、设计提供服务、借鉴、与指导意义。 8 第二章石羊河流域概况 2 1 引言 第二章石羊河流域概况 石羊河流域位于甘肃省河西走廊东部，是甘肃省三大内陆河流域之一。石羊 河流域是甘肃省河西内陆河流域中人口最多、经济较发达、水资源开发利用程度 最高、用水矛盾突出、生态环境问题最严重、水资源对经济社会发展制约性最强 的地区。下游民勤的生态恶化形势已极其严峻，其北部湖区的部分地区已显现“罗 布泊 景象，部分居民因无法生存而沦为生态难民，远走他乡。此问题已引起国 家领导的高度重视，温家宝总理于2 0 0 5 年7 月1 6 日批示：“决不能让民勤成为 第二个罗布泊，这不仅是个决心，而是一定要实现的目标。这也不仅是一个 地区的问题，而是关系国家和民族生存的长远大计”。 为了有效解决民勤地区水资源严重短缺问题，防止其生态环境进一步恶化， 甘肃省政府、省水利厅会同各相关部门和科研机构的专家学者对石羊河流域的水 资源生态环境问题进行了多方面的研究探索。甘肃省水利厅提交了关于请求批 复石羊河流域水资源分配方案及2 0 0 5 - 2 0 0 6 年度水量调度实施计划的请示，甘 肃省人民政府以“甘政办发 2 0 0 5 】1 2 3 号文件的形式予以正式批复。 调度计划拟定流域丰枯水年份以多年平均水量分配方案为基础，各县区 同比例增减进行水量分配。当“六河”( 东大河、古浪河、黄羊河、西营河、杂 木河、金塔河) 丰水年( 2 5 ) 各水文站控制断面地表水来水1 3 9 6 亿m 3 时，进 入民勤蔡旗断面地表水量不少于3 1 1 亿m 3 ，当“六河 平水年( 5 0 ) 地表来 水1 2 0 4 亿m 3 时，进入民勤蔡旗断面地表水量不少于2 6 0 亿m 3 ，当“六河”枯 水年( 7 5 ) 地表来水1 0 3 9 亿m 3 时，进入民勤蔡旗断面地表水量不少于2 1 8 亿 m 3 ，其他保证率来水时，分配民勤蔡旗断面地表水量按以上保证率水量直线内 插求得。短缺水量靠西营河和杂木河以地表泄流的方式补足，调度过程以月为基 本时段按累积滚动修正的方式进行。而准确及时的中长期水文预报可以帮助人们 在水利工程建设、调度计划的实施中及早采取决策、措施，进行统筹安排，从而 在保证生态用水的同时获取最大经济效益【9 】o 9 第二章石羊河流域概况 2 2 石羊河流域概况 2 2 1 地理位置 石羊河流域位于甘肃省河西走廊东部，乌稍岭以西，祁连山北麓，东径 1 0 1 0 4 1 l 1 0 4 0 1 6 ，北纬3 6 0 2 9 q 9 0 2 7 之间。东南与甘肃省白银、兰州两市 相连，西北与甘肃省张掖市相邻，西南紧靠青海省，东北与内蒙古自治区接壤， 总面积4 1 6 万k m 2 。流域行政区包括武威市的古浪县、凉州区、民勤县全部及天 祝县部分，金昌市的永昌县及金川区全部，以及张掖市肃南裕固族自治县和山丹 县的部分地区、白银市景泰县的少数地区，流域共涉及4 市9 县( 区) 。 2 2 2 地形地貌 石羊河流域地势南高北低，自西南向东北倾斜。全流域可分为南部祁连山地， 中部走廊平原区，北部低山丘陵区及荒漠区四大地貌单元。南部祁连山地，海拔 2 0 0 0 - - , 5 0 0 0 m ，其最高的冷龙岭主峰海拔5 2 5 4 m ，在4 5 0 0 m 以上有现代冰川分布， 山脉大致呈西北东南走向；北部低山丘陵区，为低矮的趋于准平原化荒漠化的 低山丘陵区，海拔低于2 0 0 0 m ；中部走廊平原区，由东西向龙首山东延的余脉 韩母山、红崖山和阿拉古山的断续分布，将走廊平原分隔为南北盆地。南盆地包 括大靖、武威、永昌三个盆地，海拔1 4 0 0 - - 2 0 0 0 m ，北盆地包括民勤潮水盆地、 昌宁金昌盆地，海拔1 3 0 0 - - , 1 4 0 0 m ，最低点的白亭海仅1 0 2 0 m ( 已干涸) 。 2 2 3 气候 石羊河流域深居大陆腹地，属大陆性温带干旱气候，气候特点是：太阳辐 射强、日照充足、夏季短而炎热、冬季长而寒冷，温差大、降水少、蒸发强烈、 空气干燥。流域自南向北大致划分为三个气候区。南部祁连山高寒半干旱半湿润 区：海拔2 0 0 0 , - 5 0 0 0 m ，年降水量3 0 0 - - 6 0 0 r a m ，年蒸发量7 0 0 , - 1 2 0 0 r a m ，干旱指 数1 4 ；中部走廊平原温凉干旱区：海拔1 5 0 0 - - 2 0 0 0 m ，年平均气温小于7 8 0 c ， 大于0 0 c 积温2 6 2 0 - - , 3 5 5 0 0 c ，年降水量1 5 0 - - - , 3 0 0 r a m ，年降水日数5 - 8 0 d ，无霜期 1 2 0 - - , 1 5 5 d ，年蒸发量1 3 0 0 - - , 2 0 0 0 m m ，干旱指数4 1 5 ；北部温暖干旱区：包括民 勤全部，古浪北部，武威东北部，金昌市龙首山以北等地域，海拔1 3 0 0 , - , 1 5 0 0 m ， 年平均气温8 0 c ，大于0 0 c 积温3 5 5 0 0 c 以上，年降水量小于1 5 0m i l l ，民勤北部 接近腾格里沙漠边缘地带年降水量5 0i n n l ，区域年降水日数小于5 0 天，平均相 对湿度小于4 5 ，年蒸发量2 0 0 0 , - , 2 6 0 0m m ，干旱指数1 5 - 2 5 ，日照时数3 0 0 0 h 1 0 第二章石羊河流域概况 以上，无霜期1 5 0 d 以上，气候温暖，日照充足，热量丰富，风大沙多，春季最 大风速达3 8 m s ，多西北风。 2 2 4 河流水系 石羊河流域是甘肃省河西走廊三大内陆河流域之一。流域水系发源于祁连 山，自东向西由大靖河、古浪河、黄羊河、杂木河、金塔河、西营河、东大河、 西大河八条河流及多条小沟小河组成，河流补给来源为山区大气降水和高山冰雪 融水，产流面积1 1 万k m 2 ，多年平均径流量1 5 6 亿立方米。河水自南向北流出 山后，基本上全部被水库拦蓄和引入渠道灌溉。引水渠和山水灌区处于强透水的 洪积扇带，地表水在引用过程中大量渗漏转化成地下水，至中游山前冲积扇边缘 又出露成泉，各河的泉水及上游部分下泄洪水汇流后成为石羊河，穿过下游民勤 地区汇集于民勤北部的青土湖。自1 9 5 8 年修建红崖山水库以后，石羊河进入民 勤的地表水完全由水库控制，水量全部引入灌区用于农田灌溉。昔日碧波万顷， 水草丛生的青土湖自上世纪五十年代以来逐渐干涸，现已成为荒漠盐碱滩。 石羊河流域按照水文地质单元又可以分为三个独立的子水系，即大靖河水 系、六河水系及西大河水系。大靖河水系主要有大靖河组成，隶属于大靖盆地， 其河流水量在盆地内转化利用。六河水系上游主要由古浪河、黄羊河、杂木河、 金塔河、西营河、东大河组成。该六条河流隶属于武威南盆地，其水量在该盆地 内经利用转化，最终在南盆地边缘汇成石羊河，进入武威北盆地即民勤盆地，石 羊河水量在该盆地全部被消耗利用。西大河水系上游主要由西大河组成，隶属于 永昌盆地，其水量在该盆地内利用转化后，汇入金川峡水库，进入金川昌宁 盆地，在该盆地内部北消耗利用。【1 0 h 1 2 】 2 3 水文资料的收集与整理 进行石羊河流域地表水水量分配调度，需要有该流域各相关河流的水文资料 做支撑。目前所能收集到的水文资料主要包括流域上游六河及下游蔡旗断面的 年、月流量序列资料，但其中有些测站的序列不完整，需要利用有限的资料进行 径流中长期预测，以便进行石羊河流域地表水水量分配调度。 ( 1 ) 石羊河下游有红崖山、香家湾、石家庄、红水河、蔡旗五个观测站，目 前观测站为蔡旗站，也是本次水量调度的控制观测站。其中，红崖山水库具有 1 9 6 2 - 2 0 0 3 年年月流量观测资料；香家湾站具有1 9 6 0 。1 9 6 6 年7 月年月流量观测 资料，其中缺1 9 6 1 年1 、2 、3 月及年平均流量资料和1 9 6 2 年1 、2 、3 、4 月及 年平均流量资料：石家庄具有1 9 6 7 1 9 8 9 年年月流量观测资料以及1 9 9 0 - - , 1 9 9 7 第二章石羊河流域概况 年年平均流量资料；红水河具有1 9 6 7 1 9 8 9 、2 0 0 1 - 2 0 0 3 年年月流量观测资料以 及1 9 9 0 - 1 9 9 2 年年平均流量资料；蔡旗站具有1 9 6 7 1 9 8 9 、1 9 9 2 年1 0 月 2 0 0 4 年年月流量观测资料，其中，1 9 6 7 1 9 8 9 年资料系采用石家庄站与红水河站相加 转化而来。 ( 2 ) 黄羊河有沙金台、黄羊河水库观测站，目前观测站为黄羊河水库观测站。 沙金台站具有1 9 6 0 - 1 9 8 4 年7 月年月流量观测资料；黄羊河水库站具有 1 9 6 1 2 0 0 3 年年月流量观测资料，其中缺1 9 6 1 年1 、2 、3 月流量资料。 ( 3 ) 杂木河测站为杂木寺观测站，杂木寺站具有1 9 6 0 - 2 0 0 3 年年月流量观测 资料。 ( 4 ) 西营河有四沟咀、九条岭观测站，目前观测站为九条岭水文站。九条岭 具有1 9 7 2 1 9 7 6 ，1 9 8 1 2 0 0 3 年年月流量观测资料，缺1 9 7 7 1 9 8 0 年流量资料， 四沟咀具有1 9 6 0 - 1 9 7 6 、1 9 8 l 2 0 0 3 年年月流量资料，缺1 9 7 7 1 9 8 0 年流量资料， 其中1 9 7 3 1 9 7 6 ，1 9 8 1 - 2 0 0 3 年资料系由九条岭资料转换而来。 ( 5 ) 古浪河为古浪观测站，古浪站具有1 9 6 0 - 1 9 6 8 、1 9 8 3 2 0 0 3 年年月流量 观测资料，缺1 9 6 9 1 9 8 2 ，1 9 9 6 年l ，2 、1 2 月观测资料。 ( 6 ) 金塔河为南营水库观测站，南营水库站具有1 9 6 6 - - 1 9 6 9 年7 月、 1 9 8 0 2 0 0 3 年年月流量观测资料，缺1 9 6 9 年8 月1 9 7 9 年观测资料。 ( 7 ) 西大河具有插剑门，西大河水库观测站，目前观测站为西大河水库站。 插剑门站具有1 9 6 0 - 1 9 8 9 年年月流量观测资料，西大河水库站具有2 0 0 1 2 0 0 3 年年月流量观测资料。 ( 8 ) 东大河具有沙沟寺、皇城水库观测站，目前观测站为皇城水库站。沙沟 寺站具有1 9 6 0 - 1 9 8 7 年4 月年月流量观测资料，皇城水库站具有1 9 6 毗0 0 3 年流 量资料，其中，1 9 6 0 1 9 8 5 年资料系由沙沟寺站转换而来。 2 4 水资源特点及变化情势 石羊河流域是由若干条发源于祁连山的主要靠降水和冰川溶雪补给的相对 独立的小河流组成的流域。它们的水资源主要来源于典型的东南季风带来的太平 洋水汽和印度洋水汽。夏季，由太平洋副热带高压和东南沿海输送来的暖湿气流 翻越秦岭和黄土高原影响本区。盛夏期间，西南气流越过青藏高原将印度洋面的 水汽输入本区。流域多年平均降水量1 6 0 m m ，降水时空分布的总体特征是南多 北少，东多西少。 天然状态下，西大河和东大河在永昌出山，西大河出山后进入流域南盆地西 片，后汇经金川峡后进入流域北盆地西片，最终流入永昌与民勤交界处的昌宁盆 1 2 第二章石羊河流域概况 地；东大河出山后向东流淌，进入流域南盆地东片，后汇入石羊河并经红崖山进 入流域北盆地东片即民勤盆地。西营河、金塔河、杂木河和黄羊河在武威出山， 在洪