刁 瑞

（新疆阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836599）

0 引言

當(dāng)前國內(nèi)外大多采用實(shí)地監(jiān)測和模型模擬等方法進(jìn)行河道冰情的分析與研究。在國外，在熱交換原理和冰力學(xué)原理的基礎(chǔ)上創(chuàng)建模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用河道冰情分析與預(yù)測領(lǐng)域，預(yù)測精度較高[1]；在國內(nèi)，河道冰凌問題始終備受研究人員與管理部門的廣泛關(guān)注，上世紀(jì)八十年代河道預(yù)報(bào)模型建立之后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法成功應(yīng)用于黃河等流域冰情的預(yù)測與預(yù)報(bào)，收效良好，在6 d 的許可誤差下，預(yù)測精度較高[2]。本文主要選取2000 年～2015 年（當(dāng)年11 月～次年3 月）16 個冬季的實(shí)測數(shù)據(jù)，對克孜加爾水庫上游河道的溫度、流量、水位和地形以及冰塞、冰壩等冰情災(zāi)害和冰情變化特征等加以分析，并運(yùn)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，選擇關(guān)聯(lián)度高的預(yù)測因子，對克孜加爾水庫上游流域開河、封河日期及歷時等進(jìn)行預(yù)報(bào)。

1 區(qū)域概況及研究方法

1.1 區(qū)域概況

克孜加爾水庫位于新疆阿勒泰境內(nèi)克蘭河峽谷出口上游，水庫總庫容1.78 億m3，壩高最大值64 m，水庫正常蓄水位645 m，為農(nóng)業(yè)灌溉為主的平原注入式水庫。水庫所在河流為典型的山溪雨源型河流，河水流量與降雨變化規(guī)律一致，且年際、年內(nèi)變化更為劇烈，季節(jié)性變化明顯，暴雨洪水集中于汛期，枯季流量小甚至干枯，加之水庫流域地處山丘區(qū)，地形坡度大，源短流急，洪水過程陡漲陡落，行洪過程時間較短。流域多年平均降雨量為199 mm，最豐年為2012 年，年降水量為342 mm，最枯年為2007 年，年降水量為117 mm。

1.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為非線性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要由大量神經(jīng)元組成，令h 為輸入神經(jīng)元，i 為隱含層神經(jīng)元，j 為輸出神經(jīng)元，nh、nk、nj為三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，θi為隱含層節(jié)點(diǎn)i 的閾值，θj為輸出層節(jié)點(diǎn)j 的閾值，whi為輸入層節(jié)點(diǎn)h 和隱含層節(jié)點(diǎn)i 之間連線的權(quán)值，wij為隱含層節(jié)點(diǎn)i 和輸出層節(jié)點(diǎn)j 之間連線的權(quán)值，x 為各節(jié)點(diǎn)的輸入，y 為各節(jié)點(diǎn)的輸出。

1）初始化處理。已經(jīng)歸一化處理的輸入與輸出樣本為：

為權(quán)值{Whi}和{Wij}以及閾值{θi}和{θj}賦于（-0.1，0.1）區(qū)間內(nèi)的隨機(jī)值。令k=1，將樣本對應(yīng)的{xk，h，dk，h}提供給（h=1,2,…，nj）網(wǎng)絡(luò)。

2）求隱含層各節(jié)點(diǎn)的輸入xi和輸出yi（i=1,2,...,ni）：

3）求輸出層各節(jié)點(diǎn)的輸入xj和輸出yj（i=1,2,...,nj）：

4）求樣本點(diǎn)誤差Ek的變動率：

式中：t 為修正次數(shù)；η 為學(xué)習(xí)速率，η∈(0,1)，η 越大，則算法收斂速度越快，穩(wěn)定性越差，存在可能的震蕩；η 越小則算法收斂越緩慢；α 為動量因子，α∈(0,1)，α 越大則算法收斂速度越慢，α越小則算法收斂越快。

6）在學(xué)習(xí)模式下將（xh,h,dk,j）提供給網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)步驟2，直到nk模式訓(xùn)練結(jié)束，再轉(zhuǎn)步驟7。

7）重復(fù)步驟1～6，最終得到網(wǎng)絡(luò)全局誤差函數(shù)：

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)全局誤差E 小于預(yù)先設(shè)定的值或?qū)W習(xí)次數(shù)大于預(yù)先設(shè)定的值時，學(xué)習(xí)過程結(jié)束。

信號傳輸至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時，首先通過隱含層節(jié)點(diǎn)，由網(wǎng)絡(luò)作用進(jìn)行函數(shù)轉(zhuǎn)化后再將隱含層節(jié)點(diǎn)輸出信號傳至輸出層節(jié)點(diǎn)，處理之后輸出結(jié)果。節(jié)點(diǎn)通常采用Sigmoid 型作用函數(shù)，即：

根據(jù)上述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型原理，選取克孜加爾水庫上游2000 年～2010 年的流域資料進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模型的反復(fù)訓(xùn)練，并采用2010 年～2015 年的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，直至達(dá)到精度要求時為止。

1.3 篩選預(yù)報(bào)因子

自然因素和人為因素是影響河道凌汛的兩類因素，流量、流速、水位、風(fēng)速等動力因素，水溫、氣溫、降雨等熱力因素以及河道比降、河寬、彎曲度、糙率等河勢因素均屬于自然因素，建筑物及人類活動則屬于人為因素。通過對克孜加爾水庫上游河道實(shí)地觀測發(fā)現(xiàn)，河道流凌發(fā)生在入冬氣溫持續(xù)在-5℃以下的情況下，冰凌首先堆積于水庫尾回水的末端及彎道位置，隨著溫度的持續(xù)下降，封河距離不斷增大，所以溫度是影響流凌封河的主要因素，但日均氣溫?zé)o法對封河產(chǎn)生較大影響，故選取流域11 月至封河期間的負(fù)氣溫累計(jì)值，進(jìn)行影響程度分析?？俗渭訝査畮焐嫌魏拥?6a 負(fù)氣溫累計(jì)值均值為-168.54℃，并選取負(fù)氣溫持續(xù)天數(shù)和封河前流量等作為預(yù)報(bào)因子，河道凌期平均流量為245.64 m3/s。進(jìn)入開河期后，氣溫回升，冰蓋變薄，脆性增大，逐漸增大的冰下過流能力引起冰蓋破裂而開河，所以自然因素是影響開河的主要因素?？俗渭訝査畮焐嫌魏拥?000 年～2015 年冰層厚度均值為0.99 m，正氣溫累計(jì)值和持續(xù)天數(shù)對河道冰情也存在重要影響，此外，由于研究時段內(nèi)河道擺動與地形變化不大，河勢相對變化較小，所以并未考慮河勢因素[3]。冰情數(shù)據(jù)主要來自克孜加爾水庫上游水文站統(tǒng)計(jì)資料，精度可靠且能反映水庫上游冰情變化情況?？傊?，在實(shí)地觀測和理論分析的基礎(chǔ)上，選取不同日期、不同時間的氣溫、流量、冰層厚度等預(yù)報(bào)對象，并進(jìn)一步確定預(yù)報(bào)對象與開河日期、開河歷時和封河歷時的相關(guān)系數(shù)，見表1。

表1 開河日期、開河歷時、封河歷時與預(yù)報(bào)因子的相關(guān)系數(shù)

2 克孜加爾水庫冰情特征分析與預(yù)報(bào)

2.1 水位變化分析

克孜加爾水庫建成后，野外實(shí)地觀測資料表明，上游河段冰情主要呈如下變化特征：河灘灣以下河段穩(wěn)定封凍不斷增長，冰塞和冰壩形成概率大大增加；水位壅高，冰凌災(zāi)害頻繁發(fā)生?？俗渭訝査畮焐嫌蔚湫蛿嗝娴乃蛔兓卣饕妶D1，河道口、頭道拐、河灘灣、河岔口沿程水位持續(xù)降低，最大降幅達(dá)16.5 m，該河段比降較大，冰封期到來時河岔口斷面先封河，而后溯源而上其他斷面依次封河，開河次序正好相反，頭道拐斷面水位在全部冰封期內(nèi)并無明顯變化，開河時水位也無明顯漲落，主要因?yàn)樵摂嗝娴貏萜骄彛_河封河較為平穩(wěn)。河岔口斷面處于彎道上游，彎道一旦卡冰，此處河道水位必將壅高，所以河岔口斷面水位在開河與封河時變化明顯。河道口斷面是“S”型的彎道，水位漲落幅度最大，凌汛災(zāi)害最容易發(fā)生，11 月20 日開始?xì)鉁亟抵?℃以下，至23 日氣溫達(dá)到-18.5℃，溫度的突降使河道口斷面下游卡冰堆積，水位壅高，隨后便進(jìn)入穩(wěn)封期，3 月20 日氣溫回升至6.5℃，并不斷上升，上游河段解凍開河，冰凌不斷堆積導(dǎo)致下游河段產(chǎn)生冰壩，上游水位壅高，容易出現(xiàn)凌汛災(zāi)害。

圖1 克孜加爾水庫上游水位變化曲線

2.2 冰情特征分析

克孜加爾水庫上游河道冰情縱斷面見圖2，由圖2 知，河段被劃分為四段：與壩距離0～31.5 km 的河段為平封河段，由于受到水庫的直接影響，水流流速小，河床比降大，水面比降小，氣溫降至零下后河段開始結(jié)冰；與壩距離31.5 km～53.2 km的河段為平封立封交界河段，封河形態(tài)位置迥異，11 月氣溫偏低情況下，立封河段增加，而隨著氣溫的回升，平封河段將增加；與壩距離53.2 km～66.8 km 的河段為立封河段，高程落差較大，水面比降與河床比降也很大，水庫建立蓄水之前，此河段屬于峽谷型河段，由于河道比降和水流流速很大而從不封凍，水庫建立之后，在回水末端的影響下，河段流速降低，水位升高，同時大壩起到攔截流凌的作用，所以冰凌容易堆積于河流彎道位置，在河流動力因素的作用下容易出現(xiàn)動力型冰蓋；與壩距離66.8 km 以上則為平封河段，河槽比降小，在熱力等作用下容易形成熱力型冰蓋?？俗渭訝査畮焐嫌握麄€河段封河時間溯源而上，11 月氣溫降至0℃以下之后，壩前流速迅速降低，壩前至31.5 km 河段首先結(jié)冰，隨著氣溫持續(xù)降低，則出現(xiàn)流凌，冰凌逐漸堆積在平封河段邊緣，在河勢地形的影響下，到66.8 km 以后，由立封河段轉(zhuǎn)變?yōu)槠椒夂佣?。而開河時從上游開始，開河所形成的流冰在與壩距離53.2 km～66.8 km 的河段內(nèi)堆積，且容易形成冰壩和水位壅高以及冰凌災(zāi)害。

圖2 克孜加爾水庫上游河道冰情縱斷面

2.3 模型預(yù)測

《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（SL250-2017）規(guī)定，冰情預(yù)報(bào)必須參照具體的防凌減災(zāi)工作實(shí)際，預(yù)見期為16 d，結(jié)合線性內(nèi)插法原理[4]，許可誤差為6 d?？俗渭訝査畮焐嫌魏拥辣轭A(yù)測結(jié)果詳見表2，開河歷時、封河歷時和開河日期的預(yù)測值與實(shí)測值誤差均在允許范圍內(nèi)，開河日期預(yù)測誤差除2012 年～2013 年為7 d 外，其余時段都在許可誤差以內(nèi)。

表2 克孜加爾水庫上游河道冰情預(yù)測結(jié)果

由表2 知，2012 年～2013 年封河晚、冰層薄，封凍時間長，3 月以來氣溫偏低，3 月10 日以前主要為融冰，河道內(nèi)新增加的清溝和原有清溝逐漸連通、加寬加長，影響到開河過程，導(dǎo)致開河較晚，所以2012 年～2013 年度開河日期預(yù)測結(jié)果誤差偏大。在預(yù)測結(jié)果中，預(yù)測合格率高達(dá)93.33%，預(yù)測精度較高，達(dá)到了水文預(yù)報(bào)的要求。

3 結(jié)論

由分析和預(yù)報(bào)結(jié)果可知，氣溫、封凍天數(shù)、流量和冰層厚度是影響克孜加爾水庫上游河道冰情變動的主要因素，河道的封河型式則主要受水面比降的影響，克孜加爾水庫上游河道封河、開河影響因素較多，各因素不僅單獨(dú)影響預(yù)報(bào)因子，與預(yù)報(bào)因子存在線性關(guān)系，而且還存在各因素之間的綜合影響，所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在克孜加爾水庫上游河道冰情特征分析與封河歷時、開河歷時、開河日期等的預(yù)報(bào)方面較為適用，能有效解決受復(fù)雜因素影響的河道冰情特征的分析與預(yù)測問題，結(jié)果表明，預(yù)測合格率高達(dá)93.33%，精確度高且能滿足水文預(yù)報(bào)的相關(guān)要求。