唐山市干旱预测分析

高 婕，郑 苗，张国辉

（唐秦水文水资源勘测局，河北 唐山 063000）

0 引言

自20世纪90年代以来，我国旱灾频次明显加快，每 3年就发生1次干旱甚至特大旱。旱情持续时间更长，跨季、年的旱灾越来越频繁。华北大部分地区已连续14a 干旱，这在新中国成立以来是十分罕见的。

唐山市位于河北省东北部，是华北地区主要的工业和粮食生产基地[1]。受气候和地形等多种因素影响， 降水年内分布不均匀，年际变化较大，造成干旱缺水的现象频繁发生，给本市经济发展和人民生活造成极大的影响[2]。唐山市多年平均水资源总量（矿化度≤2g/L）为 24.31亿 m3，是河北省干旱缺水的城市之一，为此需要分析旱情，研究预测干旱的模型，以提早预测，正确应对干旱的发生。

1 唐山市旱情特点

随着城市化进程的加快，人口的增加，经济的发展和生活环境的改善，唐山市用水量逐年增加，城市干旱缺水呈现加剧态势。干旱缺水主要表现为资源型、工程型和水质型缺水3种类型，唐山市属于资源型缺水，水资源量相对不足。唐山市的旱情有以下3个特点：

1）干旱发生在春季的几率非常高。大约占70%，并且以春旱为主，极少数年份还会出现春夏秋连旱的情况，有“十年九春旱”之说。

2）干旱程度重。唐山市处在我国5个干旱中心区中的黄淮海干旱区，该区降水较少，年变化率大，干旱发生次数也居全国之首。受气侯、环境、人类活动等因素影响，唐山市干旱缺水程度日趋加重，暖干化趋势较明显。

3）旱灾损失大。干旱是制约经济可持续发展的重要因素之一，影响到人类社会活动的各个方面。干旱导致土壤缺水，影响农作物正常生长发育，严重的造成减产；造成水资源不足，人畜饮水困难，城市供水紧张，城市发展受到制约；长期干旱还会导致生态环境的恶化。

根据《气候变化国家评估报告》[3]预测，近年我国已进入气候剧烈变化阶段，唐山市所在的华北地区，干旱有持续加重的趋势，极端干旱事件的发生几率将大幅增加，跨区域、季节、年度的旱灾发生将不可避免。尽管这仅仅是一种理论预测结果，还需进一步验证，但不能不引起人们的警觉。

2 运用灰色系统模型进行干旱预测

灰色系统理论是 1982年由我国著名学者邓聚龙教授提出的，应用该方法对各种自然灾害进行预测，结果较为理想。它把一般系统论、信息论、控制论的观点和方法延伸到社会，经济，生态等抽象系统，发展成为一套解决信息不完备的系统[4]，信息不完全，是灰色系统的特征。

应用唐山市第2次水资源评价分析结论[5]，唐山市多年平均降水量为 644.2mm，全年降水量的 80%以上集中在汛期（6—9月）。根据唐山市旱灾的实际情况及特点，选择 1960—2006年实测降雨量资料进行干旱预测分析。

干旱年降水量阈值的选取，一般可由参数I（降水量距平百分比）判定，I值计算如下：

式中：Pi为第i年的年降水量；P为多年平均降水量。

通常，以I≥ 0.2作为判定干旱年的标准。唐山市干旱年的降水量阈值为 515.4mm，在降水量阈值选取时，经认真分析研究，取I= 0.3，确定年降水量小于450mm 作为异常值指标进行分析计算，采用灰色系统理论进行旱情预测。

2.1 灰色预测模型建立

GM 模型即灰色模型，实质是对原始数据序列做1次累加生成序列，使生成序列呈一定规律，并用典型曲线进行拟合，建立数学模型。唐山市干旱预测GM（1，1）模型以450mm 的阈值进行建模预测，该系列中异常值在450mm 以下的年份有 1968，1972，1980，1989，1992，1993，1999和 2002年。

首先根据已知原始数据建立原始数据序列，此序列中有k个观察值，k=1，2，…，8，在序号k上的原始数据为（k= 1，2，…，8）=X（0），则

进行一阶累加生成得新序数列，得到

2.2 模型检验

灰色预测模型的检验一般有残差、关联度和后验差等3种检验方式。

2.2.1 关联度检验

在系统发展过程中，若2个因素变化的趋势具有一致性，即同步变化程度较高，即两者关联程度较高；反之，则较低。其中关联系数越大，说明预测值和实际值越接近，预测效果越好。

关联度系数ξ的计算公式：

根据唐山市干旱预测模型数据计算的关联度系数均大于 0.9，而根据灰色理论研究成果只要关联度系数大于 0.6就是可信的，因此用该模型进行预测是可信的。

2.2.2 残差检验

残差检验即计算相对误差，以残差的大小判断模型的好坏。

式中：是通过灰色系统模型预测的预测序列，预测模型的基本理论方法及数学推理公式参见文献 6。

模型精度序列为1-Ф（k）=｛100%，47.5%，93.8%，85.0%，89.4%，99.4%，98.8%，93.6%｝

经过计算，模型各项计算结果如表1所示，可以看出模型平均精度为 88.0%，用于预测原点的精度为93.6%，精度都较高，残差检验通过，该模型可用于分析预测。

表1 模型残差检验计算表

2.2.3 后验差检验

后验差检验是对模型精度的等级标准做出合理评价的一种检验，按精度检验C（方差比）和P（小误差概率）2个指标进行评定，等级标准如表2所示。

精度检验C一般根据原始数据的方差（S1）和残差的方差（S2）计算，即C=S2/S1，S1和S2的计算如下：

根据式（3）和（4），可得C=S2/S1= 0.27。

小误差概率P的计算如下：

由于C= 0.27＜0.35；根据表1中数据，所有的均小于 8.3638，所以P= 1＞0.95，由此可见模型精度等级为“好”。

表2 检验指标等级标准表

2.2.4 检验结论

唐山市预测模型通过上述3种检验方式检验，检验合格，模型精度较高，模型预测值与实际值比较接近，可应用。

2.3 模型在预测中的应用

用不同的k值代入预测模型进行结果预测，则有：

当k=9时，= 51.9；51.9-42=9.9，即2002+9.9= 2011.9，42为 2002年的序号，根据计算结果，预测到 2011年底将发生干旱；

当k=10时，60.2；60.2-52= 8.2，即：2012+8.2= 2020.2，52为 2012年的序号，根据计算结果预测到 2020年年初将发生干旱。

灰色模型作为一种预测理论模型，已在各行各业得到应用。探索其在水文预测中的应用也具有现实的意义，由于 GM（1，1）模型要求数据不多，原理比较简单，计算量也适中，结果精度又较高，拥有诸多优点[7-9]，应用较多。为了对比灰色预测方法与周期叠加法的预测效果，采用周期叠加法对唐山市的干旱年份进行模拟，周期均值叠加法的基本原理将随时间变化的水文要素序列分离成若干个周期波，然后将周期波进行外延，再进行线性叠加，从而获得预报结果[10]。本文应用周期叠加法预测模拟的结果是 2002年以后的 2011年为干旱年，这与灰色系统预测 2011年年底发生干旱基本相符，说明灰色模型预测法在唐山市干旱预测中有相当高的可信度；同时已经过去的 2011年是干旱年，与模型的预测基本吻合。

3 应对策略

面对干旱，应转变思想观念，提高自主应对干旱的能力，不再被动地应对干旱灾害，应从思想上高度重视，做好准备，增强抗灾能力，做好相关的抗旱准备。从国内外的调查资料中发现，在取得抗灾成功的案例中，都包含“提前备灾”这一关键因素[11]。制定抗旱预案，形成完整的抗旱预案体系，增强预案的合理性、可操作性和权威性，主动高效开展抗旱工作。通过拦、引、蓄水等水利工程，提高城市的供水能力，加大海水利用量，增加地下水自备井数量，加大地下水的开采量等可以提高抗旱能力[12]。根据水库运行调度资料用遗传算法设计制定水库合理调度方案，发挥水库调节供水的最优效益[13-14]。建立旱情监测、预警、评估和指挥决策为一体的旱情管理系统，可全面提升抗旱指挥决策的现代化、信息化水平，提高抗旱能力。

4 结语

干旱缺水将是唐山市未来必将面临的困境，根据 1956—2006年唐山市降水量同步系列资料，采用灰色系统模型对唐山市干旱情况进行预测，预测2012和 2020年为异常干旱年，可为唐山市分析预测干旱灾害提供参考。由于干旱灾害严重情况往往发生在连续干旱年的最后 1年，而预测模型的预测结果只是预测干旱灾害发生的最后 1年，有一定的几率问题，在应用时要给予考虑。为使模型预测的结果与实际情况更接近，对各个参数的选取是关键性因素，只有通过实践去检验各个参数的选取是否适合本地区的情况，才能使模型的预测结果更准确。

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