流域水資源分析與預(yù)測(cè)

流域水資源分析與預(yù)測(cè)

流量變化對(duì)整個(gè)水文系統(tǒng)的變化起到了主導(dǎo)作用，對(duì)合理有效地開發(fā)和利用該地區(qū)的水資源具有深遠(yuǎn)的影響。因此準(zhǔn)確地分析和研究流域徑流的變化特征,并建立正確的預(yù)測(cè)模型對(duì)流域徑流進(jìn)行科學(xué)合理地預(yù)測(cè),可以為流域水量的合理調(diào)度、水資源保護(hù)與規(guī)劃、水資源有效管理等工作提供比較合理的水量時(shí)空分布依據(jù),并為流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)提供重要保障。對(duì)徑流序列中周期成分識(shí)別判斷常用的傳統(tǒng)方法有滑動(dòng)平均法、Fourier分析法和濾波分析法等,但這些方法具有在時(shí)域和頻域上不能顯示局部化,對(duì)于徑流序列是否存在突變點(diǎn)的診斷上缺乏數(shù)學(xué)上的邏輯性與嚴(yán)謹(jǐn)性等缺點(diǎn)。小波分析是20世紀(jì)80年代初在泛函分析、傅里葉分析和調(diào)和分析等基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,它可以幫助解決以上問(wèn)題。小波分析的核心是多分辨率分析,它優(yōu)于傅立葉變換的地方在于它可以通過(guò)伸縮和平移等運(yùn)算功能對(duì)函數(shù)或信號(hào)序列進(jìn)行多尺度細(xì)化分析,使信號(hào)在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì),即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率,在高頻部分具有較低的頻率分辨率和較高的時(shí)間分辨率,很適合于探測(cè)正常信號(hào)中夾帶的瞬變反常信號(hào)并分析其成分,使小波變換具有對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)能力。對(duì)禿尾河流域高家川站年徑流的預(yù)測(cè)采用具有強(qiáng)大的非線性處理能力的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文以禿尾河流域高家川站年徑流資料為基礎(chǔ),首先運(yùn)用Mann-kendall秩次檢驗(yàn)法和小波分析法分析研究該流域年徑流的基本變化特征和演變規(guī)律,然后建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)禿尾河流域高家川站年徑流進(jìn)行預(yù)測(cè),從而為該流域水資源的合理開發(fā)、水利工程的建設(shè)和水庫(kù)調(diào)度等提供大量準(zhǔn)確而可靠的水文信息。1文學(xué)分析方法在水文序列變化的應(yīng)用Mann-kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的方法,經(jīng)常用于對(duì)時(shí)間系列中的趨勢(shì)成分進(jìn)行檢驗(yàn),由于其變量可以不具有正態(tài)分布的特征,因此該方法在水文序列變化趨勢(shì)的分析上得到了廣泛的應(yīng)用。運(yùn)用Mann-kendall檢驗(yàn)法對(duì)禿尾河流域1956-2005年的年徑流序列進(jìn)行分析,得徑流序列的統(tǒng)計(jì)量uc=-6.76,由于統(tǒng)計(jì)量小于零,所以禿尾河流域年徑流序列有下降的趨勢(shì),又|uc|=6.76>1.96,所以下降趨勢(shì)明顯,由此可見近50年來(lái)禿尾河流域年徑流序列總體上呈現(xiàn)出明顯下降的趨勢(shì)。2年徑流序列變化特征在對(duì)1956-2005年禿尾河高家川站的年徑流量序列進(jìn)行小波變換之前,首先需對(duì)資料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后對(duì)徑流序列進(jìn)行Morlet小波變換,以揭示禿尾河流域年徑流序列的多時(shí)間尺度變化特征。2.1年徑流序列特征分布小波變換系數(shù)實(shí)部圖能夠反映年徑流量隨時(shí)間豐枯交替變化的特性以及其突變點(diǎn)的位置。圖1是禿尾河年徑流標(biāo)準(zhǔn)化序列小波變換實(shí)部等值線圖,圖中橫坐標(biāo)為年份,縱坐標(biāo)為時(shí)間尺度,等值線間隔為0.5。圖的上半部分為低頻,對(duì)應(yīng)較大尺度周期的振動(dòng);下半部分為高頻,對(duì)應(yīng)較小尺度周期的振動(dòng)。圖1中小波系數(shù)為正值用實(shí)線表示,反映徑流量的豐水期;小波系數(shù)為負(fù)值用虛線表示,反映徑流量的枯水期;小波系數(shù)為零的值用粗實(shí)線表示,反映徑流量多少的轉(zhuǎn)折。小波系數(shù)值的大小反應(yīng)出信號(hào)的強(qiáng)弱。由圖1可以看出禿尾河流域年徑流具有明顯的年際及年代際變化,10年以上的尺度表現(xiàn)出一個(gè)主要的周期,為主周期15~22年,這一周期表現(xiàn)非常穩(wěn)定,在整個(gè)研究期內(nèi)始終存在,這一周期主要經(jīng)歷了5個(gè)時(shí)期枯、豐、枯、豐、枯的交替性變化。在10年以下的尺度上,主要存在兩個(gè)明顯的振蕩周期,分別為5~10年和1~3年。其中5~10年左右尺度的振蕩周期比較明顯,豐枯交替變化比較清晰,波動(dòng)極值點(diǎn)分布規(guī)律明顯;1~3年左右尺度的振蕩周期豐枯交替在1978年以前的變化比較明顯,1978年以后尺度波動(dòng)的極值點(diǎn)分布相對(duì)比較散亂。小波系數(shù)模平方相當(dāng)于小波能量譜,用年徑流量小波變換系數(shù)模平方的時(shí)頻分布圖來(lái)分析年徑流在小波變化域中波動(dòng)能量強(qiáng)弱的變化特性,從而反映出能主導(dǎo)年徑流在時(shí)間域上發(fā)生波動(dòng)變化的能量聚集中心有哪些。小波變換系數(shù)Wf(a,b)的模平方越大,其對(duì)應(yīng)時(shí)段和尺度的周期性越顯著。圖2是禿尾河年徑流標(biāo)準(zhǔn)化序列小波變換模平方時(shí)頻分布圖,圖中橫坐標(biāo)表示年份,縱坐標(biāo)表示時(shí)間尺度,等值線間隔為0.5,小波系數(shù)模平方值的大小代表波動(dòng)能量的強(qiáng)弱。從圖2可以明顯地看出各時(shí)間尺度在不同時(shí)段上的強(qiáng)弱分布?？梢钥闯?956-2005年禿尾河流域年徑流序列存在3個(gè)比較明顯的年際尺度變化特征。其中周期為16~22年的低頻振蕩在整個(gè)研究期內(nèi)均表現(xiàn)的非常明顯,中心時(shí)間尺度為18年左右,波動(dòng)能量在1960-1971年、1975-1985年、1987-1998年和1999-2005年期間的信號(hào)表現(xiàn)的最為強(qiáng)烈,4個(gè)振蕩中心分別在1965、1979、1991和2002年。以5~11年尺度的高頻振蕩其周期變化具有局部性,中心時(shí)間尺度為8年左右,波動(dòng)能量在1957-1961年、1962-1966年、1968-1972年、1973-1977年期間的信號(hào)表現(xiàn)最為強(qiáng)烈,振蕩中心分別在1960、1965、1970、1975年;以1~3年尺度的高頻振蕩其周期變化同樣具有局部性,中心時(shí)間尺度為2年左右,波動(dòng)能量在1965-1967年、1968-1970年期間的信號(hào)表現(xiàn)的最為強(qiáng)烈,振蕩中心分別在1966、1969年。采用小波方差圖進(jìn)一步分析和確定禿尾河流域年徑流量時(shí)間序列中存在的主周期。圖3為禿尾河流域年徑流標(biāo)準(zhǔn)化序列的小波變換方差圖,圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間尺度(a),縱坐標(biāo)為小波方差。由圖3可以看出,禿尾河流域年徑流標(biāo)準(zhǔn)化序列的小波方差圖顯示了3個(gè)明顯的峰值,它們分別對(duì)應(yīng)著2、8和19年時(shí)間尺度,其中19年尺度的周期對(duì)應(yīng)著最大的峰值,表明19年周期振蕩最為強(qiáng)烈,所以是禿尾河流域年徑流量變化的第一主周期,8和2年分別是禿尾河流域年徑流量變化的第二主周期和第三主周期。2.2年徑流序列演變?yōu)榱诉M(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明年徑流量豐枯交替變化的波動(dòng)特性,選取固定尺度(a=4、8、22),做小波變換系數(shù)Wf(a,b)實(shí)部隨時(shí)間的變化過(guò)程線,見圖4。由圖4可以看出,禿尾河流域年徑流量的變化在不同的時(shí)間尺度上存在不同的突變點(diǎn),并且隨著尺度的不同突變點(diǎn)的位置也會(huì)發(fā)生不同程度的偏移,揭示了禿尾河流域年徑流量的變化含有各種時(shí)間尺度,具有多層次結(jié)構(gòu)的變化特點(diǎn)。在22年尺度上,禿尾河流域年徑流序列經(jīng)歷了接近兩個(gè)振蕩周期,其中1958-1973年、1986-1996年為豐水期;1958年以前、1973-1985年、1997-2005年為枯水期。存在4個(gè)突變點(diǎn),突變性質(zhì)依次是由枯變豐(1958)-由豐變枯(1973)-由枯變豐(1986)-由豐變枯(1997)。目前年徑流處在枯水期,未來(lái)水量還會(huì)持續(xù)一段較少期,但水量有增加的趨勢(shì)。在8年尺度上,禿尾河流域年徑流序列經(jīng)歷了四個(gè)振蕩周期,其中1957-1962年、1968-1972年、1979-1986年、1995-1999年為豐水期;1956年以前、1963-1967年、1973-1978年、1987-1993年、2000-2005年為枯水期,存在8個(gè)突變點(diǎn),突變性質(zhì)依次是由枯變豐(1956)-由豐變枯(1962)-由枯變豐(1967)-由豐變枯(1973)-由枯變豐(1978)-由豐變枯(1987)-由枯變豐(1993)-由豐變枯(1999)。目前年徑流處在枯水期后期,未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)禿尾河流域水量將會(huì)增加。在4年尺度上,禿尾河流域年徑流序列的周期振蕩更為頻繁,經(jīng)歷了7個(gè)振蕩周期,突變點(diǎn)增加為14個(gè),徑流序列存在更多層次的演變。目前年徑流處在枯水期,未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)水量將會(huì)持續(xù)變少。3bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),它是目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中應(yīng)用最為廣泛的一種模型,它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作狀態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),并且有較強(qiáng)的記憶、聯(lián)想和推廣能力,可以任意精度逼近非線性連續(xù)函數(shù)。前面用小波分析法分析禿尾河流域年徑流周期時(shí),得出禿尾河流域高家川站1956-2005年的年徑流序列存在一個(gè)年數(shù)為2的周期,另外,當(dāng)年降水量也對(duì)徑流序列有著明顯的影響。根據(jù)禿尾河流域高家川站1958-2005年的年徑流資料、降水資料和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本原理,來(lái)建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,模型訓(xùn)練和模型檢驗(yàn)分別采用1958-2000年和2001-2005年的資料。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試,最終確定采用3層BP網(wǎng)絡(luò)模型,輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為3個(gè),即前兩年的年徑流量和當(dāng)年的降水量,輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1個(gè),即當(dāng)年的徑流量,當(dāng)隱含層神經(jīng)元數(shù)為3個(gè)時(shí),訓(xùn)練效果最好。輸入層到隱含層、隱含層到輸出層的傳遞函數(shù)分別采用tansig函數(shù)和purelin函數(shù)。禿尾河流域1958-2000年年徑流的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果如表1。然后將禿尾河流域高家川站2001-2005年的年徑流與年降水資料導(dǎo)入訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi),得到預(yù)測(cè)結(jié)果如表2。由表2可以看出,用所建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)禿尾河流域2001-2005年的徑流進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果平均相對(duì)誤差僅為5.92%,小于10%,預(yù)測(cè)精度較高,因此,所建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可用于禿尾河流域進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào)。4年徑流過(guò)程變化周期(1)禿尾河流域高家川站1956-2005年年徑流呈現(xiàn)出明顯下降的趨勢(shì)。(2)禿尾河流域高家川站年徑流具有多時(shí)間尺度的周期性變化特征,發(fā)現(xiàn)該年徑流過(guò)程在這48