基于非凸模糊集貼近度擇近原則的汛期降水預(yù)測(cè)與分析

邵廣哲，焦曉東

(廣東省粵電集團(tuán)南水發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 韶關(guān) 512600)

基于非凸模糊集貼近度擇近原則的汛期降水預(yù)測(cè)與分析

邵廣哲，焦曉東

(廣東省粵電集團(tuán)南水發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 韶關(guān) 512600)

在多年開展汛期水情趨勢(shì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用非凸模糊集貼近度擇近原則識(shí)別方法，根據(jù)水文要素，采用周期分析法，先確定汛期降水準(zhǔn)周期，然后應(yīng)用模糊模式識(shí)別法進(jìn)行定量預(yù)報(bào)，精度較好。同時(shí)，結(jié)合中期水文跟蹤預(yù)報(bào)，可以用來指導(dǎo)汛期防汛工作。

南水水庫；模糊模式；識(shí)別；預(yù)測(cè)；汛期

1 南水水庫汛期降水基本情況

南水河為北江水系一較小支流，發(fā)源于廣東省韶關(guān)市乳源縣境內(nèi)的黃泥峽頂，河流方向從西北向東南，全長93 km，流經(jīng)龍南、乳源縣城，在龍歸和龍歸河匯合，后經(jīng)曲江孟洲壩村匯入北江。南水水庫位于廣東省乳源瑤族自治縣東坪鎮(zhèn)(原龍南鎮(zhèn))雞公岐附近的南水河，屬于多年調(diào)節(jié)水庫。南水電站是一座以發(fā)電為主，結(jié)合改善防洪和灌溉等綜合利用的樞紐工程。大壩位于南水河的雞公岐，壩址上游主要有南水、龍溪水二條支流匯合，全流域面積1470 km2，壩址以上水庫控制流域面積為608 km2。隨著粵北地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，水資源短缺和洪澇災(zāi)害頻發(fā)的矛盾日趨突出。南水水庫擔(dān)負(fù)著防洪減災(zāi)和蓄水興利的雙重使命。同時(shí)，作為韶關(guān)市市區(qū)輸(供)水工程的水源地，如何利用洪水資源，并根據(jù)汛期降水將水資源再分配是當(dāng)前工作的重中之重。南水水庫控制流域如圖1所示。

圖1 南水水庫控制流域圖

南水水庫以上流域多年平均降水量2211.8 mm。流域內(nèi)的年內(nèi)分布不均，降雨主要集中在4—9月份，尤以5月上旬—9月下旬為暴雨的集中期，占全年降雨量的75%左右[1]。暴雨主要成因是冷鋒、冷渦、臺(tái)風(fēng)、氣旋等，通常集中在5—10月，特別是8月份最多，11月到翌年3月幾乎沒有臺(tái)風(fēng)，4月出現(xiàn)幾率較小。冷鋒天氣系統(tǒng)是影響南水水庫流域天氣系統(tǒng)的主要類型，可能出現(xiàn)在一年四季任何時(shí)候。

南水水庫庫區(qū)由于熱帶低壓和南海季風(fēng)云團(tuán)趨于活躍，并將逐步加強(qiáng)北抬，受此影響，對(duì)流域內(nèi)冷空氣的強(qiáng)度、途徑，以及冷氣環(huán)流的循環(huán)形勢(shì)有很大的影響，進(jìn)而使該流域內(nèi)產(chǎn)生的降水量級(jí)也具有很大的差異性。受到副熱帶高壓的阻擋效應(yīng)而生成靜止切變，此時(shí)常?？赡軙?huì)在流域內(nèi)形成大暴雨。臺(tái)風(fēng)也是影響南水水庫流域水文氣象特征的重要因素，但是由于該水庫處于粵北地區(qū)，偏內(nèi)陸，且四周有群山環(huán)繞，因此很少有臺(tái)風(fēng)過境，通常是受臺(tái)風(fēng)外圍波及而造成的降水。

由于南水水庫非常依賴汛期降水，該水庫的地理位置和氣候環(huán)境對(duì)短中長期水文預(yù)報(bào)影響很大，因此如何實(shí)現(xiàn)對(duì)汛期降水的最大化利用[2]，是南水水庫當(dāng)前面臨的最重要的課題。

2 非凸模糊集貼近度擇近原則

假設(shè)存在已知標(biāo)準(zhǔn)模式Si，i=1,2，…,m，可以采用非凸隸屬函數(shù)對(duì)其進(jìn)行描述。在論域U上各Si皆有n個(gè)離散點(diǎn)，即表示為Si(si1，si2，…，sij，…，sin)，j=1,2，…，n；待識(shí)別的模式為Q(q1，q2，…，qj，…，qn)[3]。

3 實(shí) 例

3.1 基本思路

根據(jù)太陽黑子活動(dòng)及南水水庫周期性降水分析法對(duì)南水水庫流域降水變化做周期性分析，得到的南水水庫流域降水變化準(zhǔn)周期為11 a，假設(shè)存在一個(gè)待識(shí)別的模式Q，Q為2017年前11 a實(shí)際測(cè)得值的演變過程(升降變化趨勢(shì))子系列，與2006—2016年子系列S1、2005—2015年子系列S2，…，1970—1980年等標(biāo)準(zhǔn)子系列Sm進(jìn)行比較識(shí)別，采取擇近原則對(duì)以上非凸型模糊數(shù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果選擇Max(貼近度)模式，Max模式即為最有可能發(fā)生模式，求取該模式下的第12年降水量，即待預(yù)測(cè)的2017年降水量[4-5]。

3.2 預(yù)報(bào)過程

南水水庫流域歷史降雨量最大值為1973年3325 mm，歷史降雨量最小值為1989年1483 mm，由此可以假設(shè)存在一個(gè)論域U：[1483,3325]，U為南水水庫流域汛期降雨量閾值，即min(1973)=1483≤U≤max(1989)=3325。

(1)假設(shè)在論域U上每個(gè)模式都為非凸型模糊數(shù)子集，n=11(離散點(diǎn))。2006—2016年子集以Q表示，隸屬函數(shù)Q(q1，q2，…，q11)，隸屬度計(jì)算式為:

j=1,2，…11

(1)

S9?Q=∨(s9，j∧qj)=∨(0.77,0.80,0.61,0.79,0.64,0.59,0.10,0.15,0.77,0.81,0.93)=0.93；S9⊙Q=∧(s9，j∨qj)=∧(0.75,0.89,0.81,0.74,0.66,0.74,0.54,0.61,0.95,0.81,0.69)=0.54。

同理ρ(S32,Q)=0.70，ρ(S37,Q)=0.79。

(4)采取擇近原則對(duì)以上非凸型模糊數(shù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，ρ(S最佳,Q)=max(Si,Q)=max(0.93,0.70,0.79)=0.93。i=9,32,37，Q與S9最貼近。

(5)S9在序列中為1978—1988年，因此按照系列外推預(yù)測(cè)2017年汛期降水量，則2044 mm 為2017年汛期預(yù)測(cè)降水值。

同時(shí)為了證明本預(yù)測(cè)方法的可靠性，方便綜合比較分析，表2將貼近值較大的12 a一并列出，供預(yù)測(cè)時(shí)參考。

表1 南水水庫流域汛期降水量模糊模式識(shí)別法計(jì)算表

表2 預(yù)測(cè)結(jié)果綜合分析表

4 結(jié) 論

以珠江流域北江水系南水水庫1970—2016年的徑流量資料為基礎(chǔ)，在多年開展汛期水情趨勢(shì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用非凸模糊集貼近度擇近原則識(shí)別方法，根據(jù)水文要素，采用周期分析法，先確定汛期降水準(zhǔn)周期，然后應(yīng)用模糊模式識(shí)別法對(duì)南水水庫汛期降水量了預(yù)測(cè)和分析。結(jié)論如下：

(1)當(dāng)采用該方法進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，所需數(shù)據(jù)信息簡單，模型易于構(gòu)建。隨著數(shù)據(jù)信息在模型中的積累逐漸增加，模型逐步完善，信息的完整性和傳遞性得到充分保證，實(shí)現(xiàn)了定量預(yù)測(cè)。同時(shí)，考慮預(yù)報(bào)員的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較權(quán)衡，作出取舍。

(2)采用非凸模糊集貼近度擇近原則識(shí)別方法，需要根據(jù)水文要素，分析確定水文要素的降水準(zhǔn)周期，而降水準(zhǔn)周期的準(zhǔn)確性將直接影響預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

(3)以非凸模糊集貼近度擇近原則的汛期降水趨勢(shì)預(yù)測(cè)為汛期預(yù)測(cè)的主要方法，預(yù)測(cè)精度高，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值高。

基于模糊模式識(shí)別法的汛期降水預(yù)測(cè)與分析的優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算相對(duì)簡單，精度較好；將汛期降水劃分為兩部分，先確定降水準(zhǔn)周期，有利于判斷汛期大小年，提前做好大汛大旱等極端年份的防汛抗旱工作，然后采用模糊模式識(shí)別法進(jìn)行定量預(yù)報(bào)，將汛期降水預(yù)測(cè)定量化，有利于決策者在發(fā)電效益的最優(yōu)化分配過程中的決策判斷，對(duì)水資源的充分利用和發(fā)電調(diào)度等提供數(shù)據(jù)性支持。

[1] 焦曉東，邵廣哲．南水水庫年末消落水位的確定[J]．廣東水利水電，2017(1):26-29．

[2] 張靜，何俊仕．大伙房水庫汛期氣象水文特征分析[J]．人民黃河，2012,34(11):45-47．

[3] 梁鳳國，董增川．基于模糊模式識(shí)別法的遼寧省汛期降水預(yù)測(cè)與分析[J]．水文，2010(3):48-49．

[4] 鄭桂平．模糊模式識(shí)別法在陸水水庫年徑流預(yù)報(bào)中的運(yùn)用[J]．人民長江，2013,44(18):53-55．

[5] 周小群．關(guān)于南水水庫暴雨洪水預(yù)報(bào)方法的探討[J]．水利科技與經(jīng)濟(jì)，2011,17(1):74-75．

Prediction and analysis of precipitation in flood period based on non-convex fuzzy set closeness degree and principle of choosing the nearest

SHAO Guangzhe，JIAO Xiaodong

(GuangdongYuedianGroupNanshuiPowerGenerationCo.Ltd. ,Shaoguan512600,China)

Based on the prediction of water regime trend in flood period, which has been carried out for many years, this paper used non-convex fuzzy set closeness degree and principle of choosing the nearest to make identification. According to the hydrological elements, precipitation quasi-periodicity in flood period was first determined by cycle analysis. Then fuzzy pattern recognition was applied to make quantitative forecast, and good accuracy was shown. Combined with mid-term hydrological tracking forecast, its result can be used to guide flood control work.

Nanshui reservoir; fuzzy pattern; recognition; prediction; flood period

邵廣哲(1980-)，男，吉林長春人，助理工程師，主要從事水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、水資源可持續(xù)利用及管理工作。E-mail:woshijiaoxiaodong@126.com。

TV125

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