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水 利 学 报

２０２４年 ５月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ５期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０５ － ０５７７ － ０９

基于深度学习和信号分解的北方寒区河流开河日期预报

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丁 红 ，王伟泽 ，杨泽凡 ，刘 欢 ，胡 鹏 １
（１．中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 １０００３８；
２．西安理工大学 土木建筑工程学院，陕西 西安 ７１００４８）
摘要：中国北方寒区河流春季开河时易产生冰凌现象，威胁涉河水工建筑物的安全。准确地预测寒区河流开河日
期可为防凌指挥、调度决策提供重要参考依据。本文基于中国北方典型寒区－ 黑龙江省的 ５个代表水文站近 ６０年
的历史开河日期序列，采用完全自适应集合经验模态分解（ ＣＥＥＭＤＡＮ）技术和深度学习长短期记忆模型（ＬＳＴＭ）
方法构建河流开河日期预报的耦合模型，以期提高河流开河日期预报的精度。结果表明：本研究构建的开河日期
预报耦合模型（ ＣＥＥＭＤＡＮ － ＬＳＴＭ）预测精度明显优于单一深度学习方法（ＬＳＴＭ）计算结果；与 ＬＳＴＭ 相比，ＣＥＥＭ
ＤＡＮ － ＬＳＴＭ可将开河日期预报的平均绝对误差从 ２．５１ｄ降低至 １．２０ｄ，合格率从 ９１．５９％提高至 １００％。验证期平
均绝对误差从 ３．８５ｄ降低至 １．６５ｄ，合格率从 ８８％提高至 ９６％。因此，所构建的开河日期预报耦合模型具有较高
的预报精度，可为我国北方寒区春季防凌指挥和调度提供技术支持。
关键词：河流开河日期；信号分解技术；深度学习；预报方法；北方寒区
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文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０５４９
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１ 研究背景
开河是中国北方寒区河流重要的季节性水文事件 ［１］ 。开河时可能产生的冰凌冲击水工建筑物，威
胁人民生命财产安全。开河日期的预报是冰情预报的重要内容，可为防凌指挥决策提供重要冰情信
息 ［２ － ４］ 。当前，开河日期预报的研究方法主要是通过数值模拟方法模拟冰的破裂过程或采用数理统计
方法来实现 ［５］ 。其中，数值模拟方法多采用一维和二维数学物理方程描述开河时冰的破裂过程 ［６ － ７］ ，
但由于数值模拟方法中所需物理参数及边界条件的确定难度较大，致使数值模拟方法在开河日期预报
的推广应用中受到一定程度限制 ［３，８］ ；数理统计方法多是基于河流冰情事件发生日期与气象（温度、湿
度和风速等）、水文要素（河道坡度和上下游流速等）间的相关性及河流冰情事件发生日期序列的自相
关性进行开河日期预测 ［５，９ － １０］ 。数理统计方法可避免数值模拟方法中物理参数和边界条件难以确定的
不足，有其独特的优势，但因不同水文站的河流开河事件关键影响要素不尽相同，利用气象水文要素
相关性进行河流开河日期预测时需事先根据各水文站的水文气象和开河事件特点进行有针对性分析并
筛选关键要素，建模者需具备较强的水文专业背景和统计学基础，且数据量要求较大。此外，中国北
方寒区河流封江后水文要素、水力要素的测量受冰盖影响较大，其测量数据精度难以得到保障，使得
上述基于因果关系的数理统计方法的开河日期预报精度受到影响。因此，本文拟基于河流开河发生日
期序列的自身规律，构建一种河流开河日期预报模型，以期降低开河日期预报模型构建的难度，同时
获得较高的预测精度。

收稿日期：２０２３ － ０９ － ０８；网络首发日期：２０２４ － ０５ － ２８
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０５２４．１４４２．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家重点研发计划课题（２０２２ＹＦＦ１３００９０２）；国家自然科学基金项目（５２１２２９０２，４２００１０４０）；流域水循环模拟与调控国家重
点实验室自主研究课题（ ＳＫＬ２０２２ＺＤ０１）；中国水利水电科学研究院基本科研业务费项目（ＷＲ０１４５Ｂ０２２０２１）
作者简介：丁红（ １９８２ － ），博士生，高级工程师，主要从事水文预报和水循环模拟研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｄｉｎｇｈｏｎｇ４２８＠１２６．ｃｏｍ
通信作者：胡鹏（１９８５ － ），博士，正高级工程师，主要从事生态水文学和生态水力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｈｐ５４２６＠１２６．ｃｏｍ

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