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(wù)中心(遼寧省水文局)，沈陽 110001)

0 前 言

國內(nèi)目前對水文系統(tǒng)變異診斷研究方法除均值和方差變異外，熵值和生態(tài)水文指標(biāo)也被較多利用，綜合評判流域真實變異點及特征。水文界學(xué)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(tài)水文指標(biāo)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(tài)環(huán)境問題，及二者間的良性維持關(guān)系和流域生態(tài)系統(tǒng)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(guān)，序列數(shù)據(jù)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(yīng)數(shù)據(jù)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(qū)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(jié)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(jié)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(jì)70和90年代，方差變異時間為20世紀(jì)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(fù)雜度增大，規(guī)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(yīng)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(xiàn)出穩(wěn)定發(fā)展的趨勢。

2.4 生態(tài)水文關(guān)系變異診斷結(jié)果

1)生態(tài)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(jié)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(jié)果

2)生態(tài)流量燈號預(yù)警圖：

咸陽站生態(tài)流量燈號分布見圖10。由圖可知1970年左右該站斷面生態(tài)流量變化明顯，體現(xiàn)為①號燈時域變化消失；⑤號燈流量值小于生態(tài)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(dǎo)燈號，低流量的頻繁出現(xiàn)對河流生物生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，需重點關(guān)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(tài)流量燈號預(yù)警圖

3)水文臨界值的計算結(jié)果：

采用模糊C均值聚類模型，根據(jù)年內(nèi)各燈號的具體分布，將生態(tài)流量預(yù)警燈號在年尺度上分為兩類(表示為1、2)，聚類結(jié)果見圖11。結(jié)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(tài)水文指標(biāo)變異診斷對比結(jié)果：

綜合生態(tài)水文指標(biāo)對比分析認(rèn)為：①咸陽水文站生態(tài)水文指標(biāo)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(biāo)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(jié) 論

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