CN113780829B - 一种水文情势影响的评价方法、系统及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水文情势影响的评价方法、系统及存储介质，涉及水文情势评价技术领域，具体步骤包括如下：获取水利建筑设施建设前后下游河道的水文序列数据；根据所述水文序列数据计算水利建筑设施建设前后水文序列的盒维数；基于所述盒维数计算水文序列的分形维数；通过所述分形维数得到水文序列的变异度和变异率；依据所述变异度和变异率评价水利建筑设施调度对水文情势的影响。基于分形理论中盒维数描述水利建筑设施调度对小尺度水文过程影响的量化方法，构建变异度和变异率两个标识参数；为特征值评价提供了有益的补充，可为水库生态调度，水生态保护，下游河道治理，堤防设计等提供参考。

Description

一种水文情势影响的评价方法、系统及存储介质
技术领域
本发明涉及水文情势评价技术领域，更具体的说是涉及一种水文情势影响的评价方法、系统及存储介质。
背景技术
2018年水利发展统计公报显示，截至2018年底，我国已建成各类水库98822座，总库容达到8953亿立方米，其中：大型水库736座，总库容7117亿立方米，占全部总库容的79.5％；中型水库3954座，总库容1126亿立方米，占全部总库容的12.6％。
大坝工程会导致河流水文情势的变化，特别是为了满足发电需求河流的水文情势变化频繁。河道水文情势的变化会引起水库回水区、水库自身及下游河道的生态系统物理、化学和生物变化。其变化原因主要来自四个方面：水库蓄水、水流阻隔、水流蓄存和水流调节。其中，水流调节是带来大坝下游河道水文时间序列变化的主要因素。水文情势的改变在一定程度上影响着河流生态系统的结构及稳定。径流的年内变化影响着流量的季节变化；极值流量发生时间、频率、洪、旱灾历时；流量日、季、年变化率和变化幅度影响着河流生物物种的分布和构成。维持或恢复河流水文情势自然变化规律也就维持了河流生物多样性和完整性。如果人类活动导致这些水文特征值发生明显的变化，那么将可能影响原有生态系统的健康与稳定。
目前，评价人类活动对河流水文情势的影响，最常用的方法是IHA法(Indicatorsof Hydrologic Alteration)。IHA法以统计分析为基础，从量、时间、频率、延时和变化率5个方面，对工程建设前后的水文特征进行描述，根据河流的日水文资料，计算32个具有生态意义的关键水文特征值，包括集中量数(如中位数、平均值)和离散量数(如范围、标准偏差、变差系数)，以此来判定水文情势受水利工程建设及运行的影响程度。然而，河道流量由于受到降水、下垫面条件、人类调节等因素的影响，其过程往往呈现出不规则性和随机性，基于统计分析的IHA方法难以反应人类调节对年内(年际)水文过程的连续性影响，不能判定人类调节对年内(年际)流量过程复杂性的影响程度。
为了评价人类调节对流量过程复杂性的影响，必须首先建立描述流量过程复杂性的数学方法，而流量过程不规则性和随机性的描述一直是一个难题。随着分形几何的提出，采用分形维数描述时间序列的不规则性和随机性被学者们广泛采用。实践证实，许多随机、无秩序过程的时间序列在某种标度范围内存在分形特征。因此，有必要构建基于分形理论的水电站调度对水文情势影响的评价方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种水文情势影响的评价方法、系统及存储介质，采用分形维数描述时间序列的不规则性和随机性，反应人类调节对水文过程的连续性影响，判定人类调节对年内流量过程复杂性的影响程度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一方面，提供一种基于分形理论的水电站调度对水文情势影响的评价方法，具体步骤包括如下：
获取水利建筑设施建设前后下游河道的水文序列数据；
根据所述水文序列数据计算水利建筑设施建设前后水文序列的盒维数；
基于所述盒维数计算水文序列的分形维数；
通过所述分形维数得到水文序列的变异度和变异率；
依据所述变异度和变异率评价水利建筑设施调度对水文情势的影响。
可选的，所述盒维数的计算公式为：
Figure BDA0003262156980000031
其中，Nδ(F)是采用尺寸为δ的盒子覆盖水文序列F的盒子个数。
可选的，所述分形维数的计算公式为：
Figure BDA0003262156980000032
其中，Mδ(F)为分形维数，c为曲线斜率。
可选的，所述变异度的计算公式为：
Vdeg＝|D1-D0|；
其中，D0为天然序列的水利建筑设施下游水文时间序列的分形维数，D1为水利建筑设施调度后下游水文时间序列的分形维数。
可选的，所述变异率的计算公式为：
Figure BDA0003262156980000033
可选的，所述水文序列数据分为丰、平、枯三个水文代表序列。
另一方面，提供一种基于分形理论的水电站调度对水文情势影响的评价系统，包括数据获取模块、盒维数计算模块、分形维数计算模块、变异度和变异率计算模块、数据分析模块、其中，
所述数据获取模块，用于获取水利建筑设施建设前后下游河道的水文序列数据；
所述盒维数计算模块，用于根据所述水文序列数据计算水利建筑设施建设前后水文序列的盒维数；
所述分形维数计算模块，用于基于所述盒维数计算水文序列的分形维数；
所述变异度和变异率计算模块，用于通过所述分形维数得到水文序列的变异度和变异率；
所述数据分析模块，用于依据所述变异度和变异率评价水利建筑设施调度对水文情势的影响。
还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基于分形理论的水电站调度对水文情势影响的评价方法的步骤。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种水文情势影响的评价方法、系统及存储介质，为了评价人类调节对流量过程复杂性的影响，采用分形维数描述时间序列的不规则性和随机性，建立了描述流量过程复杂性的数学方法，基于分形理论进行水电站调度对水文情势影响的评价，可以改进描述时间序列的不规则性和随机性精确度，进而为下游河道保护提供参考依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的系统结构图；
图3为本发明的盒维数法计算计算分形维数的示意图；
图4为本发明的求解分形维数的对数回归计算示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例1公开了一种基于分形理论的水电站调度对水文情势影响的评价方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
S1、获取水利建筑设施建设前后下游河道的水文序列数据。
S2、根据水文序列数据计算水利建筑设施建设前后水文序列的盒维数。
水利建筑设施包括水电站、堤坝、水闸、泵站等。在本实施例中，水利建筑设施为水电站。收集并整理水电站建成运行前后下游河道水文序列数据，将其划分为丰、平、枯三个水文代表序列；基于分形理论计算水文序列的盒维数，具体计算方法如下：
Figure BDA0003262156980000051
其中，Nδ(F)是采用尺寸为δ的盒子覆盖水文序列F的盒子个数。通过采用不同尺寸的盒子测量，估算盒子覆盖水文时间序列的个数，然后进行对数回归可得到计盒维数D。
S3、基于盒维数计算水文序列的分形维数。
如图3、图4所示，采用下式估算水文时间序列的分形维数：
Figure BDA0003262156980000052
其中，Mδ(F)为分形维数，c为曲线斜率。
S4、通过分形维数得到水文序列的变异度和变异率；
S5、依据变异度和变异率评价水利建筑设施调度对水文情势的影响。
(1)变异度的计算公式为：
Vdeg＝|D1-D0|；
其中，D0为天然序列(未受水电站调度影响)的水电站下游水文时间序列的分形维数，D1为水电站调度后下游水文时间序列的分形维数。
(2)变异率的计算公式为：
Figure BDA0003262156980000053
采用Python语言编程和最小二乘法进行直线拟合，得到相应的直线方程及其分维数。水文过程线的分形维数反映出流量过程线形态复杂程度的变化情况，其值在流量过程线上的反映主要是相邻峰谷差的平均变化，平均峰谷差越大，值越大。
本发明实施例2公开了一种基于分形理论的水电站调度对水文情势影响的评价系统，如图2所示，包括数据获取模块、盒维数计算模块、分形维数计算模块、变异度和变异率计算模块、数据分析模块、其中，
数据获取模块，用于获取水利建筑设施建设前后下游河道的水文序列数据；
盒维数计算模块，用于根据水文序列数据计算水利建筑设施建设前后水文序列的盒维数；
分形维数计算模块，用于基于盒维数计算水文序列的分形维数；
变异度和变异率计算模块，用于通过分形维数得到水文序列的变异度和变异率；
数据分析模块，用于依据变异度和变异率评价水利建筑设施调度对水文情势的影响。
此外，还提供一种计算机存储介质，计算机存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现基于分形理论的水电站调度对水文情势影响的评价方法的步骤。
具体的，以刘家峡及盐锅峡为研究对象采用本发明方法研究水电站调度对水文情势影响，技术方案如下：
1、选取典型水文年
选择刘家峡及盐锅峡为研究对象，循化、小川和上诠三个水文站为研究站点，选择电站建成后丰(25％，1976年)、平(50％，1985年)、枯(75％，1988年)三个代表性水文年的日流量数据作为研究对象。
2、计算调度前后水文序列分形维数
基于选择的循化、小川和上诠三个水平年的水文序列，计算不同水平年刘家峡及盐锅峡水库水文情势的分维数。如表1所示：分析得出三个水文站各代表年的日流量过程线的枯水年分维数值均大于丰水年和平水年，丰水年和平水年的分维数值比较接近。
表1
Figure BDA0003262156980000071
3、计算水文序列的变异度及变异率
基于前述定义的水文序列变异度及变异率，计算刘家峡及盐锅峡水库调度后较天然状态的变异度和变异率，如表2所示。
表2
Figure BDA0003262156980000072
4、基于评价结果，分析调度对水文情势的影响
从分维数与水文过程线的对应关系上看，刘家峡水电站调度使丰水年和平水年的水文过程变化更加剧烈，而使枯水年的水文过程趋于平缓。从表2可以看出，对丰水年、平水年和枯水年日流量水文过程线影响的变异度分别为0.22、0.22、-0.16，对应的变异率分别为：15.31％、15.92％、8.58％。主要原因由于在丰水年和平水年时，刘家峡电站发电量加大，由此导致机组的频繁开停，致使电站下游流量频繁变化；而在枯水年时，刘家峡电站为满足供水要求，要适当降低发电量，机组调度不如丰水年和平水年频繁，电站下游流量相对稳定，故分维数值降低。
与不完全年调节的刘家峡水电站日流量水文过程线对比可见，日调节的盐锅峡水电站的影响相对较小，变异率均在5％以下。盐锅峡水电站对丰水年、平水年和枯水年日流量水文过程线影响的变异度分别为-0.04、-0.01、-0.06，对应的变异率分别为：2.22％、0.69％、3.54％；分析原因，由于盐锅峡水电站调节库容只有2.22亿m3，对径流的调节能力有限，不会对水文过程线造成太大的扰动，因此表现在日流量过程线分维数值变动不明显；但有限的调节能力仍能够在相对小尺度(如日尺度)的水文过程线表现出来，使小尺度过程线趋于平缓，从而出现盐锅峡调度后日流量过程线分形维数略有降低。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种基于分形理论的水电站调度对水文情势影响的评价方法，其特征在于，具体步骤包括如下：
获取水利建筑设施建设前后下游河道的水文序列数据；所述水文序列数据分为丰、平、枯三个水文代表序列；
根据所述水文序列数据计算水利建筑设施建设前后水文序列的盒维数，所述盒维数的计算公式为：；其中，是采用尺寸为的盒子覆盖水文序列的盒子个数；
基于所述盒维数计算水文序列的分形维数，所述分形维数的计算公式为：；其中，为分形维数，为曲线斜率；
通过所述分形维数得到水文序列的变异度和变异率；
依据所述变异度和变异率评价水利建筑设施调度对水文情势的影响；
所述变异度的计算公式为：
；
其中，为天然序列的水利建筑设施下游水文时间序列的分形维数，为水利建筑设施调度后下游水文时间序列的分形维数；
所述变异率的计算公式为：
。
2.一种基于分形理论的水电站调度对水文情势影响的评价系统，其特征在于，包括数据获取模块、盒维数计算模块、分形维数计算模块、变异度和变异率计算模块、数据分析模块，其中，
所述数据获取模块，用于获取水利建筑设施建设前后下游河道的水文序列数据；所述水文序列数据分为丰、平、枯三个水文代表序列；
所述盒维数计算模块，用于根据所述水文序列数据计算水利建筑设施建设前后水文序列的盒维数，所述盒维数的计算公式为：；其中，是采用尺寸为的盒子覆盖水文序列的盒子个数；
所述分形维数计算模块，用于基于所述盒维数计算水文序列的分形维数，所述分形维数的计算公式为：；其中，为分形维数，为曲线斜率；
所述变异度和变异率计算模块，用于通过所述分形维数得到水文序列的变异度和变异率；
所述数据分析模块，用于依据所述变异度和变异率评价水利建筑设施调度对水文情势的影响；
所述变异度的计算公式为：
；
其中，为天然序列的水利建筑设施下游水文时间序列的分形维数，为水利建筑设施调度后下游水文时间序列的分形维数；
所述变异率的计算公式为：
。
3.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1中所述的基于分形理论的水电站调度对水文情势影响的评价方法的步骤。
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