多模型下的流域水文變異綜合診斷分析

信 亮

(遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，沈陽 110001)

0 前 言

國內目前對水文系統變異診斷研究方法除均值和方差變異外，熵值和生態水文指標也被較多利用，綜合評判流域真實變異點及特征。水文界學者利用樣本熵、多尺度熵、滑動秩和檢驗法深入研究熵值變異和生態水文指標變異的時間及變異程度，指出表征河流水文演變的可能生態環境問題，及二者間的良性維持關系和流域生態系統影響[1]。

1 熵值變異診斷模塊

樣本熵主要特點為：和時間序列長度無關，序列數據缺失不影響診斷[2]。其改進模型診斷模塊見圖1。

圖1 熵值變異診斷模塊

具體計算原理如下：

1)已知序列{xi}，定義某一維度m的向量群：

Xm(i)=[x(i),x(i+1),…x(i+m-1)]，

i=1，2，…，N-m+1

(1)

2)定義d[Xm(i),Xm(j)],i≠j是Xm(i)與Xm(j)對應數據點中距離最大值：

d[Xm(i),Xm(j)]=max|x(i+k)-

x(j+k)|,k=0,…,m-1

(2)

3)記錄d[Xm(i),Xm(j)]

Cim(r)=num(d[Xm(i),Xm(j)]

(3)

4)求序列Cim(r)均值得：

(4)

5)依次類推，計算向量維度是m+1的Cm+1(r)；

6)綜上，可得樣本熵：

SampEn(m,r,N)=-In[Cm+1(r)/Cm(r)]

(5)

式中：r為相似容限；N為序列長度；m為嵌入維度。

2 水文變異綜合診斷

2.1 流域概況

渭河流域總面積13.84×104km2，分為上、中、下游三段，河源至陜西省寶雞林家村水文站為上游，區間河長約180km，平均比降0.7‰；林家村至陜西省咸陽水文站是中游段，全長430km；咸陽站至河口河段為下游，河長約208km。流域水系圖見圖2。

圖2 渭河流域水系分布圖

2.2 熵值變異診斷

熵值變異診斷檢測序列為月徑流序列，采用3a、5a、10a、20a作為典型尺度，滑動移除選取窗口長度100，識別月徑流不同時間尺度下的熵值變異點，計算結果如圖3-6和表1[4]。

表1 月徑流不同尺度下的熵值變異點

圖3 月徑流尺度為3的熵值時間序列變異點(橙色為均值跳躍變異點，灰色是方差變異點)

圖4 月徑流尺度為5的熵值時間序列變異點

圖5 月徑流尺度為10的熵值時間序列變異點

圖6 月徑流尺度為20的熵值時間序列變異點

2.3 分析結果

1)尺度是3、5的熵值時間時間序列變化相似，均值突變點均處于20世紀70和90年代，方差變異時間為20世紀70、80和90年左右，平均時間間隔為10年。自該時間點起，渭河流域月徑流序列的熵值偏高，復雜度增大，規律性不明顯，尤其在90年代后期有效性逐漸變差。

2)尺度是10、20的熵值時間序列在70年后都反應出異常特征，但未診斷出明顯的變異點。尺度10年的中周期和20年的大周期的熵值序列表現出穩定發展的趨勢。

2.4 生態水文關系變異診斷結果

1)生態流量閾值的計算：

文章選擇咸陽水文站的豐、平、枯水平年的相同大斷面作為水位流速法的研究對象，斷面圖見圖7-9，河道糙率為0.029，水力坡度為4.41×10-4，水位流速法計算結果見表3[5]。

圖7 咸陽水文站豐水年斷面圖(1985年) 圖8 咸陽水文站平水年斷面圖(1987年)

圖9 咸陽水文站枯水年斷面圖(1994年)

表2 咸陽站水位流速法計算結果

2)生態流量燈號預警圖：

咸陽站生態流量燈號分布見圖10。由圖可知1970年左右該站斷面生態流量變化明顯，體現為①號燈時域變化消失；⑤號燈流量值小于生態流量下限值，亮燈頻率極大提高，特別在每年1-3月和11-12月，成為枯水期的主導燈號，低流量的頻繁出現對河流生物生態環境造成嚴重破壞，需重點關注；④燈號頻率明顯增長；②和③燈號分布在4-11月份，特征變異不顯著。

圖10 咸陽水文站生態流量燈號預警圖

3)水文臨界值的計算結果：

采用模糊C均值聚類模型，根據年內各燈號的具體分布，將生態流量預警燈號在年尺度上分為兩類(表示為1、2)，聚類結果見圖11。結果再次驗證咸陽站秩次序列的均值跳躍突變點為1971年。

圖11 咸陽水文站模糊C均值聚類的秩次時間序列變異點

4)各生態水文指標變異診斷對比結果：

綜合生態水文指標對比分析認為：①咸陽水文站生態水文指標均值跳躍突變點集中在1970年和1990年附近；②方差顯著變異指標包括：1日、3日、7日、30日最小流量，其變異點與實測徑流序列變異點相同為1970年左右。

3 結 論

文章根據渭河流域水文氣象、系統演化參數、診斷模塊原理，基于熵值和生態水文指標不同變異模塊進行檢驗，結合咸陽站點對流域水文變異進行綜合診斷，得出水文系統的真實變異區和時間序列點，同時對比驗證程序及方法適宜性，結論可為區域水資源綜合管理及水文預測提供一定的的參考信息。