| 标题 | 基于灰色关联分析的相似洪水动态展延方法 |
| 范文 | 吴业楠等 摘要：在不能高精度预测后续洪水的现状下，对历史暴雨洪水信息进行挖掘，对降低水库防洪调度风险具有现实意义。制定将历史洪水标准化的方法，并根据暴雨洪水形成机制和实时信息的易获取性，筛选出能反映洪水特征的指标体系，并基于灰色关联分析原理构建了相似洪水动态识别办法和相似洪水展延实时洪水预报过程的展延效果评价方法。池潭水库历史暴雨洪水模拟结果表明提出的洪水展延方法对后续来水估计的总有效率高，效果显著，该方法应用效果、适应性、稳定性均较好。 关键词：水库；防洪调度；洪水相似性；灰色关联分析 中图分类号：TV122 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2014）01-0126-05 在水库实时防洪调度过程中，最理想的情形是能够获取洪水的全过程。但受科技水平的限制，目前只能提供有限预见期的洪水预报。为了延长洪水预报成果的预见期，常采用产汇流模型与短期气象预报耦合的方法进行洪水预报。但由于降雨分配的随机性，这种方法很难得到好的效果。实际上，特定地域内洪水发生的时间和量级具有周期变化的特征，历史洪水一定程度上包含了当地天气系统和下垫面变化的信息[1-2]，因此，当具有较长时间、较多场次的历史洪水系列时，采用数据挖掘技术，找出相似洪水，可以为水库实时调度提供决策参考。 对历史洪水归类、将历史洪水数据指标化和改进相似性识别方法是当前相似洪水研究的热点。Seth A.Veitzer等[3]将random self-similar（RSN）模型应用于洪水宽度函数最大值查找，取得了良好的效果；张艳萍等[4]通过分析暴雨洪水演化过程中的相似性指标，对暴雨洪水的天气成因进行了定性分析，对暴雨洪水进行了分类；王海潮等[5]将实时暴雨洪水与历史暴雨洪水的雨洪信息指标化，运用距离系数法进行了相似性分析；牛俊[6]建立了场次暴雨洪水相似性分析的可拓模型，对大流域场次暴雨洪水相似性进行了探讨。从已有文献看，绝大多数研究者都是从洪水全信息出发，例如张艳萍等所选暴雨总历时、洪水重现期等信息，王海潮等所选暴雨笼罩面积、洪水组成等相似性评价指标，均是在洪水全过程发生过后才可获取，难以为水库实时调度提供高效率的支持。事实上，暴雨洪水是逐步演化的自然过程，在一场洪水过程中所获取的信息是逐渐增加的，因此依据逐步呈现的暴雨洪水，能够预估未来的洪水演化情势，从而达到增长实时预报预见期的效果。因此，本文将建立表征实时洪水特征的指标体系和基于灰色关联分析的实时洪水相似性动态识别方法，进行实时洪水预报与相似性洪水展延信息的融合效益评价，并以池潭水库为例，开展实证研究。 1 基本原理 1.1 历史洪水资料标准化 历史洪水的发生时间，洪水历时与形态各不相同，为了便于开展动态的洪水相似性分析，本文设定了统一的相对时间坐标，以每一场历史洪水的降雨开始时间为时间原点，将历史洪水发生的绝对时间，转化为时序。在相似性识别时，根据面临时刻（如降雨后6 h、12 h等）已经出现的部分雨洪信息与历史洪水资料中相应时段的信息进行灰色关联分析，查找相似洪水。 1.2 洪水相似性指标的选择 由产汇流理论可知，影响洪水过程的主要因素包括降雨量大小及其时空分配、下垫面条件以及前期土壤含水量等因素，结合实时信息的易获取性，本文选择以下指标为洪水相似性特征评价指标。 2 应用实例 2.1 计算条件 池潭水库位于闽江水系二级支流金溪中游，坝址集水面积4 766 km2，属亚热带气候，一年中3月-6月为雨季，约占全年降水量的60%。从历史资料中筛选出1984年-2010年代表性较好且暴雨洪水资料齐全的30场洪水过程，降雨量和洪水统计时段长为1 h。 为了评价洪水相似性展延的动态效果，构造三个计算阶段，分别为洪水起涨后6 h、12 h和18 h，分别利用洪水起涨6 h、12 h和18 h之前的累积降雨、累计水量、起涨流量等信息，查找洪水起涨6 h、12 h和18 h之后的相似洪水，例如对起涨后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，其余两个计算时段采用类似方法查找相似洪水。 2.2结果分析 将30场洪水中的每一场洪水轮次作为母洪水，根据其余洪水与母洪水的关联度，取关联度前3场洪水作为其相似洪水进行分析。将选出的相似洪水的平均过程与实时预报洪水拼接后的洪水过程作为展延洪水，再与母洪水实测过程在调度期48 h内进行展延效果评价。表1为30场洪水分别作为母洪水时，不同信息支持下展延效果评价表。由表1可以看出以下结果。 （1）不同信息量的洪水展延效果显著。起涨后6 h，展延总有效率达97%（除100618次洪水），相比于实时洪水预报平均增益率达95%；起涨后12 h，展延总有效率达90%，相比于实时洪水预报平均增益率达51%；起涨后18 h，展延总有效率达93%，相比于实时洪水预报平均增益率达38%。 （2）起涨初期展延增益大于后期。这是由于实时洪水预报依据的落地雨，洪水初期降雨量占次暴雨量的比重较小，后续降雨量占比重大，不考虑后续降雨量的实时预报结果严重偏小，相比之下，展延的效果就好；随着时间的推移，落地雨量的比重越来越越大，实时洪水预报的结果越来越接近实测过程，相比之下，展延的效果就降低了，参见图3-图5。 3 小结 后续入库水量的预估，对于水库实时防洪调度具有重要价值，目前依据后续降雨预报的途径，受技术水平的限制还难以达到实用化的程度。本文依据暴雨洪水综合相似性分析，将灰关联原理应用到相似洪水的动态识别当中，取得如下成果。 （1）基于洪水过程形成机制和信息的易获取性，建立了洪水相似性展延指标体系。 （2）引入灰色关联分析原理，构建了相似性洪水识别方法和洪水相似性展延效果评价方法。 池潭水库历史暴雨洪水模拟结果表明，本文提出的洪水展延方法对后续来水估计的总有效率高，洪水展延效果显著，因此为后续入库水量的估计提供了一条新途径。 参考文献（References）： [1] 刘卫林，董增川，梁忠民，等.暴雨洪水相似性分析及其应用研究[J].中国农村水利水电，2007，（2）：132-135.（LIU Wei-lin，DONG Zeng-chuan，LIANG Zhong-min，et al.Flood Storm Similarly Analysis and Application Research[J].China Rural Water and Hydropower，2007，（02）：132-135.（in Chinese）） [2] 牛俊，董增川，梁忠民，等.流域场次暴雨相似性的综合评判物元模型[J].西北水力发电，2006，（2）：16-20.（NIU Jun，DONG Zeng-chuan，LIANG Zhong-min，et al.A Matter Element Model for Comprehensive Evaluation on the Similarity of Rainstorms in a River Basin[J].Journal of Northwest Hydroelectric Power，2006，（2）：16-20.（in Chinese）） [3] Veitzer S A，Gupta V K.Statistical Self-similarity of Width Function Maxima with Implications to Floods[J].Advances in Water Resources，2001，24（9-10）：955-965. 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