多模型下的流域水文变异综合诊断分析

信 亮

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，沈阳 110001)

0 前 言

国内目前对水文系统变异诊断研究方法除均值和方差变异外，熵值和生态水文指标也被较多利用，综合评判流域真实变异点及特征。水文界学者利用样本熵、多尺度熵、滑动秩和检验法深入研究熵值变异和生态水文指标变异的时间及变异程度，指出表征河流水文演变的可能生态环境问题，及二者间的良性维持关系和流域生态系统影响[1]。

1 熵值变异诊断模块

样本熵主要特点为：和时间序列长度无关，序列数据缺失不影响诊断[2]。其改进模型诊断模块见图1。

图1 熵值变异诊断模块

具体计算原理如下：

1)已知序列{xi}，定义某一维度m的向量群：

Xm(i)=[x(i),x(i+1),…x(i+m-1)]，

i=1，2，…，N-m+1

(1)

2)定义d[Xm(i),Xm(j)],i≠j是Xm(i)与Xm(j)对应数据点中距离最大值：

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

x(j+k)|,k=0,…,m-1

(2)

3)记录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)依次类推，计算向量维度是m+1的Cm+1(r)；

6)综上，可得样本熵：

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

(5)

式中：r为相似容限；N为序列长度；m为嵌入维度。

2 水文变异综合诊断

2.1 流域概况

渭河流域总面积13.84×104km2，分为上、中、下游三段，河源至陕西省宝鸡林家村水文站为上游，区间河长约180km，平均比降0.7‰；林家村至陕西省咸阳水文站是中游段，全长430km；咸阳站至河口河段为下游，河长约208km。流域水系图见图2。

图2 渭河流域水系分布图

2.2 熵值变异诊断

熵值变异诊断检测序列为月径流序列，采用3a、5a、10a、20a作为典型尺度，滑动移除选取窗口长度100，识别月径流不同时间尺度下的熵值变异点，计算结果如图3-6和表1[4]。

表1 月径流不同尺度下的熵值变异点

图3 月径流尺度为3的熵值时间序列变异点(橙色为均值跳跃变异点，灰色是方差变异点)

图4 月径流尺度为5的熵值时间序列变异点

图5 月径流尺度为10的熵值时间序列变异点

图6 月径流尺度为20的熵值时间序列变异点

2.3 分析结果

1)尺度是3、5的熵值时间时间序列变化相似，均值突变点均处于20世纪70和90年代，方差变异时间为20世纪70、80和90年左右，平均时间间隔为10年。自该时间点起，渭河流域月径流序列的熵值偏高，复杂度增大，规律性不明显，尤其在90年代后期有效性逐渐变差。

2)尺度是10、20的熵值时间序列在70年后都反应出异常特征，但未诊断出明显的变异点。尺度10年的中周期和20年的大周期的熵值序列表现出稳定发展的趋势。

2.4 生态水文关系变异诊断结果

1)生态流量阈值的计算：

文章选择咸阳水文站的丰、平、枯水平年的相同大断面作为水位流速法的研究对象，断面图见图7-9，河道糙率为0.029，水力坡度为4.41×10-4，水位流速法计算结果见表3[5]。

图7 咸阳水文站丰水年断面图(1985年) 图8 咸阳水文站平水年断面图(1987年)

图9 咸阳水文站枯水年断面图(1994年)

表2 咸阳站水位流速法计算结果

2)生态流量灯号预警图：

咸阳站生态流量灯号分布见图10。由图可知1970年左右该站断面生态流量变化明显，体现为①号灯时域变化消失；⑤号灯流量值小于生态流量下限值，亮灯频率极大提高，特别在每年1-3月和11-12月，成为枯水期的主导灯号，低流量的频繁出现对河流生物生态环境造成严重破坏，需重点关注；④灯号频率明显增长；②和③灯号分布在4-11月份，特征变异不显著。

图10 咸阳水文站生态流量灯号预警图

3)水文临界值的计算结果：

采用模糊C均值聚类模型，根据年内各灯号的具体分布，将生态流量预警灯号在年尺度上分为两类(表示为1、2)，聚类结果见图11。结果再次验证咸阳站秩次序列的均值跳跃突变点为1971年。

图11 咸阳水文站模糊C均值聚类的秩次时间序列变异点

4)各生态水文指标变异诊断对比结果：

综合生态水文指标对比分析认为：①咸阳水文站生态水文指标均值跳跃突变点集中在1970年和1990年附近；②方差显著变异指标包括：1日、3日、7日、30日最小流量，其变异点与实测径流序列变异点相同为1970年左右。

3 结 论

文章根据渭河流域水文气象、系统演化参数、诊断模块原理，基于熵值和生态水文指标不同变异模块进行检验，结合咸阳站点对流域水文变异进行综合诊断，得出水文系统的真实变异区和时间序列点，同时对比验证程序及方法适宜性，结论可为区域水资源综合管理及水文预测提供一定的的参考信息。