基于EEMD方法的密云水库径流量时间序列变化特征研究.pdf

理论研究水利技术监督 年第 期:/基于 方法的密云水库径流量时间序列变化特征研究李新生(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京)摘要:根据密云水库 年入库径流量资料 利用线性趋势、指数和 分解算法 文章研究了水库径流量变化特征 结果显示:密云水库近 年来的入库径流量在 年间呈现波动变化 在 年呈平缓减少趋势 其径流量总体以函数为:的形式变化 并且达到统计显著性/法分析发现入库径流量的 指数为 表明未来一定时期内的径流量仍有持续下降趋势 分解得到其径流量变化存在 个变化周期 其主周期为 次周期为 、关键词:入库径流量 分解法 密云水库 时间变化中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:李新生(年)男 工程师:方法概述密云水库是北京市重要的水源地之一 对于保障城市饮用水安全具有重要意义 密云水库径流量的时空变化对水资源的可持续利用和水环境的保护具有重大影响 因此 对密云水库径流量时间变化的研究具有极其重要的实际意义 随着气候和环境变化的加剧 密云水库径流量时间变化的复杂性和不确定性也越来越明显 为了探究径流量时间变化的规律性和机理 研究者们普遍采用传统的时间序列方法或神经网络模型来分析水文数据 但是这些方法往往依赖于人为设定的参数或模型假设 在研究微弱信号方面存在着一定的局限性 近年来 一种新型的信号分解方法 经验模态分解()得到了广泛的应用 与传统信号分解方法相比 不需要假设信号的结构或确定其频率 而是 将 信 号 分 解 为 不 同 的 本 征 模 态 函 数()和噪声 通过增加噪声的强度可以消除局部噪声和人为偏差 同时保持真实信号信噪比较高的特点 本研究利用 方法对径流量时间序列进行分解 获取 分量和噪声分量 并分析各分量的频谱特征 以探究密云水库径流量时间变化规律 密云水库概况密云水库位于北京市密云区北 处 位于燕山群山丘陵之中 总库容 亿 最大水面面积 控制流域面积 是北京市主要的供水源之一 年供水能力达到 亿 但地表径流常年较差 多为枯水状态 因大气环境中煤炭、汽车排放等毒害物质增加、城市化工业化快速发展和生活用水需求的长期增长等原因 密云水库水资源供需情势十分严峻图 北京市地形和水文分布特征 年第 期水利技术监督理论研究 算法原理()是一种常用的信号分解方法 是在 基础上发展出来的一种新的方法 其在不断加入噪声情况下对一组非线性或非稳定信号通过计算其概率分布实现去噪干扰的模态信号()的提取 得到各 的信号频率、幅值及相位特征 设()是一个径流量序列信号 将其分解为 个固有模态函数()和一余留的高频部分()()()其中()本质是通过信噪比不断在 的过程中被更大的噪声所干扰 进行傅里叶变换得到如下:()()()()()()式中、径流序列长度、随机模拟信号、傅里 叶 变 换 频 率()能 量 有 限 信 号()傅里叶变换的频域值 数据资料本研究数据从高训宇等人的研究以及北京水文局获取得到 数据处理方法本研究采用 开源平台实现/分析和基于 的信号分解算法 在分析之前 利用 函数进行归一化处理 其中 方法则是通过 程序包设计 语言程序进行实现借鉴前人研究经验 将白噪声数值设置为 集合平均次数设置为 次 密云水库径流量特征 密云水库入库径流量时序变化特征密云水库 年入库径流量时序变化如图 所示 观察到 年间最大径流量值出现在 年 可达 亿 最小值为 年的 亿 最大、最小值差距为 亿 平均值达 亿 离差系数达 意味着区域入库径流量年际波动性强烈而具有较大不确定性 这对北京市稳定供水带来巨大压力 线性拟合分析发现 其径流量年际变化趋势为 且通过了 水平信度检测 说明该水库入库径流量减少趋势十分显著 不难发现 密云水库入库径流量呈现 个阶段性特征:自 年间表现出强烈波动性 其丰枯年份交替变化 自 年均呈现枯水状态 但径流量变化平稳 说明当前密云水库流域有效入库补给匮乏 且生态蓄水量逐渐趋于极限 这一分析结果与前人的研究基本一致 其入库径流量逐渐减少的原因归因以下:区域气温和蒸散发呈显著升高 而降雨量呈减少趋势密云水库流域降水量与径流量特征分析 迅速的城镇化和工业化进程频繁扰动土地利用、压缩径流面积、破坏水源涵养能力图 密云水库径流量年际序列变化 密云水库入库径流量 特征利用密云水库年入库径流数据进行/分析 得到其(/)()双曲线线性关系 如图 所 示 其 线 性 拟 合 形 式 为 表明其径流量年际变化具有显著 现象 具体而言 该区 年间入库径流量序列的 指数大于 具有强烈持续性 表明在未来一段时期内其年入库流量变化趋势与过去基本相同 即仍然处于枯水期因此改善密云水库流域范围水源涵养能力显得极为迫切 需指出的是 其变化趋势的持续性特征对未来水库水资源调度、供水规划有着一定预见性指导图 密云水库入库径流量 指数理论研究水利技术监督 年第 期 密云水库径流量的年际变化周期性规律 方法不仅可直观揭示时间序列径流量随时间尺度变化特征 还能通过趋势项得到其长期演进规律 如图 所示 该方法将密云水库径流量时间序列分解成 个 分量和 项独立趋势项 可见 图中不同 分量呈现了径流量多重变化振幅 在此基础上进行频谱分析得到各分量的周期与方差贡献率 见表图 密云水库 分解的 分量表 密云水库 年入库径流量 分解后各分量的方差贡献率与相关性分量周期/方差贡献率/相关系数 注:图中、分别表示在 、水平上达到极显著、显著水平通常可能存在虚假 分量 只有相关性强、相似性好的 才是主要分量 本研究表明 第一个 分量与径流量序列之间 相关性均达到极显著性水平 表明文中 分解结果相对可靠 具体 而 言 显 示 其 入 库 径 流 量 存 在 的震荡周期 与原序列的相关性系数达 达到 水平上显著性 共解释了 的方差 因此是其变化主周期 而 呈现的方差解释率次之 为 与原序列的相关性为 显示了周期性为 因此是其次周期 而 共解释了原序列的 二者间相关性为 周期尺度位 类似的 的解释方差为 相关系数为 周期达 它们在变化周期中处理边缘地位 结语本研究基于密云水库入库径流量 年近 年的逐年径流量资料 借助线性分析、/分析和 信号分解方法 全面探讨了库区径流量时间变化特征及其年际变化规律 主要结论如下()密云水库径流量在近 年来整体呈现显著减少特征 在 世纪末之前的波动幅度较大在 世纪以来受益于水土保持和三北防护林建设措施 径流量保持平稳态势 但长期处于枯水状态()该水库径流量存在典型 现象 未来一定时期内的入库径流量仍处于减少特征 这对区域供水产生一定压力()分解了区域径流量变化频谱特征并量化了其周期性 主周期为 本研究结果为 方法在径流量时间序列分析中的应用提供了新的思路和方法 具有一定实用价值参考文献 杨倩 秦莉 高培 等.基于 模型的天山北坡经济带年降水量预测.干旱区研究 ():.黄春艳 韩志伟 畅建霞 等.基于 和 的降水量序列预测研究.人民黄河 ():.胡虎 杨侃 朱大伟 等.基于 的降水量预测分析.水电能源科学 ():.唐洁.基于 的陕西降水量与太阳黑子活动关系分析.干旱区资源与环境 ():.郭家力 祝薄丽 李英海 等.基于 的鄱阳湖流域年降水量周期预测.水电能源科学 ():.高训宇 刘卫东 郝丽娟.密云水库流域径流量衰减情况分析.北京水务():.陈超 李鹏飞 陈尚云 等.基于 的盐城大丰区降水量时间序列多尺度分析.安徽农业科学 ():.:.:.韩佳昊 张琪 沈玲玲.基于 方法的区域降水事件特征分析:以京津冀地区为例.长江科学院院报 ():.王姣妍.气候变化影响下的新疆降水量演变规律.水利规划与设计():.