泛议黑龙江省冰情预报研究的意义

2011-08-15肖兴涛张鹏远

黑龙江水利科技 2011年6期

肖兴涛，张鹏远，冯健

(1.黑龙江省水文局，哈尔滨150001;2.哈尔滨市水文局，哈尔滨150010)

0 研究背景

黑龙江为我国最高纬度的大江河之一，上游49.3万km2及近1 000 km的河段上经常发生冰坝凌汛洪水。上源从洛古河至马伦一带249 km的河段为冰坝多发河段，几乎每年都是倒开江，出现不同程度的卡塞或冰坝。松花江是黑龙江右岸最大支流，松花江中游流经平原地区，接纳了大部分的支流洪水，进入通河后又流经山丘区。约300 km的河道束狭弯曲，右岸山地连绵，致使河冰受热解体时间明显滞后，每年凌汛洪水几乎都在这里卡塞，形成明显的凌汛过程。冰坝凌汛是黑龙江、松花江水文情势的一个突出特点，严重冰坝时，造成河道堵塞，拦蓄水流，河水出槽，冰排上岸，洪水波及千余公里，冲毁房屋、堤阶、沿江水利设施，淹没耕地，造成严重冰凌灾害。

新中国成立以来，各级政府和水文机构对冰坝凌污逐渐引起重视，先后开展了分析预报和调查工作。但由于受到科学技术的限制，以往的分析都限于水位统计，对冰坝的成因无所揭示。及时准确的冰情预报是有效防治凌汛灾害的非工程措施，是各级领导进行防凌指挥、调度决策的重要科学依据。而原有的冰情预报系统以统计和经验相关为主，考虑因素不全，属于静态预报法，引用条件由于近年来气候和河道条件发生变化而受到限制;且原模型所有软件和技术方法较落后，不能反映变化了的新形势，远不能满足新的防凌形势和水资源管理需要。随着冰情预报研究的深入，需要建立有理论依据、考虑因素较全且能进行动态连续演算预报而且精度较高的河段冰情预报数学模型支撑冰情预报工作。

1 冰情研究现状

冰情现象包括冰的形成、发展、运动、积累、融解的过程，是冬季影响河道运行的重要因素，它直接影响到水利工程的运行和维护、水力发电、内陆航运、冬季输水、河流的环境和生态等问题。虽然目前对河流结冰状况的研究还远落后于无冰时的研究，但是在冰情研究方面也取得了一定成果。

冰情数值模型研究的兴起是计算机得到应用的结果。随着计算机的发展和对冰情物理现象认识的加深，人们对河冰水力学数学模型不断地进行完善，特别是在20世纪80年代以后相继提出了不少河冰模型。早期如Simonsen等人，Petrykt，Michel和 Drouint，Gralkins 等分别应用恒定流理论对Ottaquechee和St.Lawence河的冰冻过程进行了数学模拟。这些模型是建立在恒定或准恒定状态水力模型基础上的，冰密度与水温分布沿程变化均未考虑。从1984年开始，人们开始研究河冰非恒定流数学模型，考虑了水流非恒定流及水温和冰密度分布沿程的变化，相继建立了一维非恒定河冰数学模型。

我国冰情的研究起步较晚，开始于20世纪50～60年代，随着冰情研究的不断深入，冰情研究方面的发展很快，主要体现在预报方法由经验统计到经验相关逐步上升到建立在理论基础上的数学模型，预报精度逐渐提高。早在1954年就开展了较为系统的冰情观测(陈储军1997)。1963～1964年冬季，东北勘测设计院和白山水电工程处联合对松花江流域白山河段的冰情现象进行了长期的观测(潘漱芳，靳铭钦，刘闻宙等1964)。1989年黄委会水文局李若宏等主编《黄河流域实用水文预测方案》，在冰情预报中发挥很大的作用。1994年陈赞廷建立了黄河下游冰情预报数学模型，1998年可素娟建立了黄河上游冰情预报数学模型，这两个冰情预报数学模型采用经验和理论结合的方法，经运用证明精确度高，应用方便，至今仍在黄河防凌中发挥作用。

2 冰情研究意义

冰情、水情预报是各级防汛主管部门进行防凌指挥、调度、决策的重要科学依据。黑龙江上游、松花江下游河段及时准确的冰情和水情的监测、预报与及时采取防凌调度是防治以上河段凌汛灾害有效的非工程措施之一。

传统的冰情预报数学模型与统计及经验相关法比较起来，是一种理论与经验相结合的方法，一方面是建立在热力学理论与冰水力学基础上，另一方法用实测资料率定参数，具有精度较高、预见期长、预报项目全、预报手段先进、快速和可以进行动态预报与实时修正相结合等优点。然而冰情本身的复杂性及河道冲淤多变、主流摆动频繁、多弯道、浅滩、叉河、束狭等，使冰情规律很难掌握，另外河道资料欠缺，这给传统数学模型在冰情预报中的应用造成极大困难。目前可以充分利用人工神经网络所具有的自学习能力、非线性映射能力、对信息处理较强的鲁棒性和容错性，能够克服上述种种困难，根据已学习的知识和处理问题的经验对复杂问题作出合理的判断决策，给出较满意的解答，对未来过程作出有效的预测和估计，使得传统技术应用最为困难的知识获取工作转换为网络的自学习调节过程，提高了预报的精确度。

地理信息是水利工作的重要基础之一，传统的对地理信息的手工管理方式已经被科学技术的进步所淘汰，水利行业需要运用先进的信息管理手段来提高工作效率，推进信息化建设进程。地理信息系统技术为水利行业信息管理的标准化、网络化、空间化提供了有效的工具。随着计算机硬件性能的提高、储存容量的加大和运算速度的加快，以及GIS基础平台的日趋成熟，基于GIS系统的冰情预测预报信息系统的开发建设已成为可能。GIS的数据输入、管理、查询、输出及空间分析操作，特别是它所建立的二维矢量拓扑关系及网络分析功能，为水信息的管理、查询、分析提供了强有力的工具。

将冰情预报模型与GIS技术相结合，建立基于地理信息的冰情预报决策支持系统，用于流域的水情、冰情的分析管理，是实现我省水利信息化的重要任务之一。其意义主要体现在以下5个方面:

1)用计算机存储流域地理信息大大缩小了存储空间。

2)大大提高了查询检索速度。通过特定的文件格式与数据接口，将流域内的地理信息与各种分散信息有机的整合在一起，使查询某一流域、某一站点的水情信息更加快捷，这是人工查找难以比拟的。

3)提高了管理水平。计算机查询可以查阅流域内某个站点的水情信息，也可以查询相邻站点的信息，使管理工作得心应手。

4)可实现动态更新。站点实时采集信息可随时更新，使系统信息保持较好的及时性。

5)由于使用了计算机管理，管理信息便于传输，一次建设，多家共享。使用网络分析工具来优化资料调配，做各种应急处理，提高了决策的科学性。

先进的冰情预报理论和GIS技术在冰情预报系统中的应用，能够克服传统方法无法解决的困难，使得满足河段冰情预报实际应用的管理信息系统的建立得以实现。

3 研究目标与主要内容

黑龙江省冰情预报系统的建设目标是:对黑龙江、松花江的气温、水情、冰情规律进行深入研究的基础上，研制开发该河段的冰情预报模型，充分利用现代科学成果，将系统建成以冰情、水情、气象、河道等资料信息为基础，以GIS平台为支持的一套实用、可靠、先进、高效的冰情预报系统，系统具有快速完成河段各类信息查询、处理、冰情预报等功能，为我省防凌和水量调试提供依据。系统建成后，其预报时效和预报精度均应达到规范要求。

河段冰情预报数学模型的主要研究内容包括3个方面:

3.1 冰情预报的神经网络数学模型

以水文学流量演算、热力学、冰水力学、神经网络理论等原理为基础，建立河段冰情预报的神经网络数学模型。该模型是在深入研究河段冰情发生、发展、消退等各个时期的水、热特征的基础上建立的，能根据河段及周边地区的气温预报信息、各水文站流量预报信息、实测气温、流量、流冰量、水温、冰厚、河道资料等，开展水温、流凌、封河预报、开河、开河最高水位和最大流量、首封日期和地点、冰塞和冰坝等预报。在各要素预报的基础上，对流凌、封河、开河形势进行估计。