一種人類活動(dòng)影響分離的二維徑流還原方法
【專利摘要】一種人類活動(dòng)影響分離的二維徑流還原方法，包括：步驟一：構(gòu)建界殼-泛系二元自動(dòng)機(jī)模型；步驟二：確定人類活動(dòng)-流域下墊面系統(tǒng)的輸入、輸出和內(nèi)部狀態(tài)要素；步驟三：計(jì)算人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面條件的影響量；步驟四：獲得人類活動(dòng)對(duì)徑流的間接影響量；步驟五：確定滿足下墊面條件一致性要求的人類活動(dòng)-徑流系統(tǒng)的輸入、輸出和內(nèi)部狀態(tài)要素；步驟六：基于已構(gòu)建的人類活動(dòng)對(duì)徑流直接影響分離的系統(tǒng)分析法，求出人類活動(dòng)對(duì)徑流的直接影響量；以及步驟七：根據(jù)計(jì)算出來(lái)的人類活動(dòng)對(duì)徑流的間接影響量和人類活動(dòng)對(duì)徑流的直接影響量，計(jì)算出在滿足流域下墊面條件一致性的天然徑流量。該方法簡(jiǎn)單易操作，計(jì)算速度快、精度高，計(jì)算成果更全面、更科學(xué)。
【專利說(shuō)明】一種人類活動(dòng)影響分離的二維徑流還原方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及徑流還原方法領(lǐng)域，尤其涉及一種人類活動(dòng)影響分離的二維徑流還原方法。
【背景技術(shù)】
[0002]實(shí)測(cè)徑流的還原計(jì)算，是目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行水資源評(píng)價(jià)和工程設(shè)計(jì)時(shí)首先要做的工作，還原的目的，是為了使河川徑流計(jì)算成果能夠基本上反映天然情況，使資料系列具有一致性，以便采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行頻率分析。水量還原工作，在很長(zhǎng)時(shí)間里，均是通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)水文要素中隱含的人類活動(dòng)影響扣除掉，“還原”到流域水資源的天然“本底”狀態(tài)，即“實(shí)測(cè)一還原”的一元靜態(tài)模式。但傳統(tǒng)的還原方法僅考慮人類活動(dòng)對(duì)徑流的直接影響量，沒(méi)有考慮由于人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面條件的改變而對(duì)徑流的間接影響，導(dǎo)致還原成果精度不高、可靠性較低。為應(yīng)對(duì)日益強(qiáng)烈的人類活動(dòng)對(duì)流域的直接和間接影響，保護(hù)水資源安全和促進(jìn)流域水資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用，開(kāi)發(fā)一種耦合人類活動(dòng)對(duì)徑流的直接和間接影響的二維徑流還原方法是十分必要的。
[0003]綜合目前的徑流還原方法，從評(píng)價(jià)的理論和考慮的因素來(lái)看主要有分項(xiàng)還原法、氣象因子關(guān)系法(徑流雙曲線法、流域蒸發(fā)差值法、降雨徑流關(guān)系法)、綜合修正法、向后還原法、水文模擬法、投影尋蹤回歸分析法、二元?jiǎng)討B(tài)水資源演化法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。
[0004](I)分項(xiàng)還原法:分項(xiàng)還原法是生產(chǎn)中最常用的方法。該方法通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉耗水量、工業(yè)用水耗損量、生活用水耗損量、水庫(kù)滲漏量、分洪量以及跨流域調(diào)水量等各項(xiàng)水量進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)水量平衡原理，把控制斷面實(shí)測(cè)徑流量與控制斷面以上各項(xiàng)還原水量之和認(rèn)為是控制斷面的天然年徑流量。分項(xiàng)還原法其需要對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水、城鎮(zhèn)生活用水、水利工程等方面進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查的年份較長(zhǎng)，需要的資料太多，工作量巨大，調(diào)查的數(shù)據(jù)和涉及的參數(shù)繁多，且這些參數(shù)大多是各地實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)值，在不同的時(shí)間或空間尺度上是變化的，在還原時(shí)會(huì)引起累積誤差，還原精度不高。同時(shí)該方法只能用于人類活動(dòng)影響較小的流域，在人類活動(dòng)影響比較強(qiáng)烈的流域，該法計(jì)算得到的天然水量，不能代表水資源的演化、發(fā)展趨勢(shì)，不能用于實(shí)踐。
[0005](2)氣象因子關(guān)系法:該法主要通過(guò)蒸發(fā)量、降水量等因子建立與徑流量關(guān)系，基于該關(guān)系進(jìn)行天然徑流計(jì)算。該法計(jì)算精度較差，且要進(jìn)行外延時(shí)，外延部分的精度不易控
制等等。
[0006](3)綜合修正法:該法對(duì)操作人員要求很高，既要求熟悉研究區(qū)域的水文情勢(shì)，又要具有豐富的水文工作經(jīng)驗(yàn)，故該法在實(shí)際中的應(yīng)用并不多。
[0007](4)向后還原法:該法將區(qū)域內(nèi)各代表站的天然年徑流量系列折算(換算)為現(xiàn)狀條件下的年徑流系列。但由于實(shí)際當(dāng)中“現(xiàn)狀條件”的不斷變化，“向后還原”方法在實(shí)際應(yīng)用中較難操作。
[0008](5)水文模擬法:該法需要確定一定的模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)，這些結(jié)構(gòu)與參數(shù)代表了流域的水文規(guī)律與水文特性，通過(guò)對(duì)這些結(jié)構(gòu)與參數(shù)進(jìn)行率定，實(shí)現(xiàn)對(duì)水文過(guò)程的模擬。但該方法需要確定模型的結(jié)構(gòu)，率定與檢驗(yàn)各種參數(shù)，模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)的確定受制于一定的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，模型存在著一定的結(jié)構(gòu)誤差與參數(shù)誤差，使得該方法的應(yīng)用受到一定的限制。
[0009](6)投影尋蹤回歸分析法:該方法是把影響產(chǎn)流量的因素如降水(也包括前期降水)、蒸發(fā)、氣溫、融雪等與徑流量之間的非線性關(guān)系用投影尋蹤法進(jìn)行降維(降到1-3維空間上)，找出徑流量與這些影響因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，確定徑流序列的突變點(diǎn)，獲得還原水量。但該法受制于投影方向、嶺函數(shù)和突變點(diǎn)，隨意性較大，計(jì)算成果精度較低。
[0010](7)二元?jiǎng)討B(tài)水資源演化法:該法基于二元?jiǎng)討B(tài)水資源演化模式的“實(shí)測(cè)一分離一耦合一建模一調(diào)控”思想和天然狀態(tài)下的降雨P(guān)—徑流R函數(shù)關(guān)系式R=f⑵，利用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法，找出影響徑流形成的主要因子，利用實(shí)測(cè)徑流量與人工耗水量之和建立與這些影響因子之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，從而獲得受人類活動(dòng)影響后的流域下墊面條件的降水徑流函數(shù)關(guān)系f ;。但該方法考慮的人工耗水量與水庫(kù)蓄水量的變化量相當(dāng)于分項(xiàng)還原法中的分項(xiàng)還原量，因此，該法本質(zhì)上講屬于分項(xiàng)還原法范疇，仍無(wú)法克服分項(xiàng)還原法的不足。
[0011](8)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法:應(yīng)用BP網(wǎng)絡(luò)，以影響因子如農(nóng)業(yè)灌溉地表水凈耗水量、工業(yè)引用地表水凈耗水量、林牧漁業(yè)引用地表水凈耗水量、水庫(kù)蓄水變量、水庫(kù)附加蒸發(fā)損失量、跨流域調(diào)水量、城鎮(zhèn)生活凈耗水量、農(nóng)村人畜吃水凈耗水量和水庫(kù)滲漏損失量、降雨量、下滲系數(shù)、年平均溫度等作為輸入層，中間層為隱含層，輸出層為天然徑流量或還原水量，通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的訓(xùn)練和擬合，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)滿足精度要求后，可用于預(yù)測(cè)天然徑流量或還原水量。但該法需要考慮大量的影響因子和歷史數(shù)據(jù)序列，這些值的確定，需要耗費(fèi)大量的工作量，具有較大的難度和不確定性，當(dāng)引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后，可能會(huì)加重還原計(jì)算的工作量和不確定性。
[0012]上述還原方法各有特色，總的來(lái)說(shuō)，其主要還是離不開(kāi)分項(xiàng)還原法所要求的對(duì)人類消耗水和流域蓄水變化、引水、分洪等的還原和對(duì)影響徑流的氣象因素的分析。但在強(qiáng)烈人類活動(dòng)影響的流域，由于人類活動(dòng)的影響改變了流域下墊面條件，在這種下墊面條件改變前后測(cè)得的實(shí)測(cè)徑流值，其形成機(jī)理是不一致的，但上述方法均未考慮人類活動(dòng)對(duì)徑流的這種間接影響。因此，在強(qiáng)烈人類活動(dòng)影響的流域，為有效、準(zhǔn)確計(jì)算天然徑流量和評(píng)價(jià)區(qū)域水資源可利用量，有必要尋求一種有效的強(qiáng)烈人類活動(dòng)影響下的徑流還原方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種人類活動(dòng)影響分離的二維徑流還原方法，它以界殼理論-泛系方法為基礎(chǔ)，巧妙結(jié)合系統(tǒng)分析法與水保措施計(jì)算法，從人類活動(dòng)對(duì)徑流的間接影響和直接影響角度，提出一種新的人類活動(dòng)影響分離的二維徑流還原方法。本發(fā)明首先建立界殼-泛系二元自動(dòng)機(jī)模型，界定人類活動(dòng)-流域下墊面系統(tǒng)的輸入、輸出和內(nèi)部狀態(tài)要素，然后提出人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面條件影響分離的系統(tǒng)分析法，計(jì)算人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面條件的影響量；進(jìn)而提出水保措施計(jì)算法來(lái)量化該下墊面條件的變化量對(duì)徑流的影響，確定人類活動(dòng)對(duì)徑流的間接影響量；同時(shí)界定下墊面條件滿足一致性要求的人類活動(dòng)-徑流系統(tǒng)的輸入、輸出和內(nèi)部狀態(tài)要素，基于構(gòu)建的人類活動(dòng)對(duì)徑流直接影響分離的系統(tǒng)分析法，求出人類活動(dòng)對(duì)徑流的直接影響量；最后結(jié)合人類活動(dòng)對(duì)徑流的間接影響量和直接影響量，得到人類活動(dòng)對(duì)徑流的總影響量，獲得還原后的天然徑流量。
[0014]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:[0015]一種人類活動(dòng)影響分離的二維徑流還原方法，它適用于分析和計(jì)算人類活動(dòng)影響下的人類活動(dòng)對(duì)徑流的間接影響和直接影響，該方法具體步驟如下:
[0016]步驟一:構(gòu)建界殼-泛系二元自動(dòng)機(jī)模型?；诮鐨だ碚摵头合捣椒?，構(gòu)建水資源系統(tǒng)的界殼-泛系二元自動(dòng)機(jī)模型，如下所示:
【權(quán)利要求】
1.一種人類活動(dòng)影響分離的二維徑流還原方法，包括以下步驟: 步驟一:構(gòu)建界殼-泛系二元自動(dòng)機(jī)模型； 步驟二:確定人類活動(dòng)-流域下墊面系統(tǒng)的輸入、輸出和內(nèi)部狀態(tài)要素； 步驟三:基于建立的人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面條件影響分離的系統(tǒng)分析法，計(jì)算人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面條件的影響量； 步驟四:利用提出的水保措施計(jì)算法計(jì)算由于人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面的影響而導(dǎo)致的徑流變化量，從而獲得人類活動(dòng)對(duì)徑流的間接影響量； 步驟五:在分離出人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面條件的影響量之后，確定滿足下墊面條件一致性要求的人類活動(dòng)-徑流系統(tǒng)的輸入、輸出和內(nèi)部狀態(tài)要素； 步驟六:基于已構(gòu)建的人類活動(dòng)對(duì)徑流直接影響分離的系統(tǒng)分析法，求出人類活動(dòng)對(duì)徑流的直接影響量；以及 步驟七:根據(jù)計(jì)算出來(lái)的人類活動(dòng)對(duì)徑流的間接影響量和人類活動(dòng)對(duì)徑流的直接影響量，計(jì)算出在滿足流域下墊面條件一致性的天然徑流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人類活動(dòng)影響分離的二維徑流還原方法，其特征在于步驟一中:基于界殼理論和泛系方法，構(gòu)建水資源系統(tǒng)的界殼-泛系二元自動(dòng)機(jī)模型，如下所示:

S = (A1B)< A^{h\h:(X,K)^Y}(I)
Β^(Χ,Κ,Υ) 式中，S為水資源系統(tǒng);A為水資源系統(tǒng)周界；B為水資源系統(tǒng)的系里；X為水資源系統(tǒng)的輸入；K為水資源系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)；Υ為水資源系統(tǒng)的輸出；f為水資源系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)與輸入之間的表里、因果關(guān)系，體現(xiàn)的是系里的可控性功能；g為水資源系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的外部表現(xiàn)，體現(xiàn)的是系里的一種觀測(cè)效果；h為水資源系統(tǒng)輸入輸出的轉(zhuǎn)換機(jī)制，即系統(tǒng)周界作用。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的人類活動(dòng)影響分離的二維徑流還原方法，其特征在于步驟二中:當(dāng)不存在人類活動(dòng)對(duì)流域的下墊面條件影響時(shí)，流域下墊面系統(tǒng)在系統(tǒng)輸入及其自身的作用下發(fā)生著演化；當(dāng)受人類活動(dòng)影響時(shí)，形成人類活動(dòng)-流域下墊面系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)取為流域的梯田、林地、草地和壩地四種水保措施面積，輸入取為流域年平均降水量、氣溫和日照小時(shí)數(shù)，系統(tǒng)輸出取為下一年度的流域的梯田、林地、草地和壩地四種水保措施面積。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的人類活動(dòng)影響分離的二維徑流還原方法，其特征在于步驟三中:設(shè)沒(méi)有人類活動(dòng)影響的流域下墊面系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的時(shí)間序列為IK1, K2，…，Ki, &，…}，由系統(tǒng)周界A的關(guān)系式有:
Kj=f(X, Ki) (2) 式中，Ki是i時(shí)段初的狀態(tài)量；&是i時(shí)段末(即j時(shí)段初)的狀態(tài)量；X是系統(tǒng)輸入；輸入、狀態(tài)和輸出均是時(shí)間t的函數(shù)； 設(shè)人類活動(dòng)-流域下墊面系統(tǒng)中的人類活動(dòng)在i時(shí)段對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的影響作用為Mi,由于在當(dāng)前條件下人類很難對(duì)系統(tǒng)輸入施加影響，故系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)在天然的系統(tǒng)輸入和人類活動(dòng)的影響下發(fā)生著演化，故有:
Kj=f(X, MiKi) (3)令U=MiKi,對(duì)式(3)兩邊求時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)，有:
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的人類活動(dòng)影響分離的二維徑流還原方法，其特征在于步驟四中:采用梯田、林地、草地和壩地四種水保措施面積變化量來(lái)表征人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面條件的影響，由上述式(6)可確定，從而由下式可求出這幾種水保措施對(duì)徑流的影響量，確定i時(shí)段人類活動(dòng)對(duì)徑流的間接影響量Wki ；
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的人類活動(dòng)影響分離的二維徑流還原方法，其特征在于步驟五中:由上述式(7)求出獲得分離人類活動(dòng)影響后的天然下墊面條件Kni后，系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)量就在自然狀態(tài)下演化，如果此時(shí)沒(méi)有人類活動(dòng)對(duì)徑流進(jìn)行直接影響時(shí)，系統(tǒng)的輸入在這種天然狀態(tài)值情況下會(huì)有一個(gè)輸出，設(shè)為Wn;當(dāng)有人類活動(dòng)對(duì)徑流施加直接影響時(shí)，形成人類活動(dòng)-徑流影響系統(tǒng)；此時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)取為剔除人類活動(dòng)影響后的梯田面積、林地面積、草地面積和壩地面積；系統(tǒng)輸入取為流域的年平均降水量、年平均蒸發(fā)量和年平均氣溫；系統(tǒng)輸出取為流域出口水文站的實(shí)測(cè)年徑流量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的人類活動(dòng)影響分離的二維徑流還原方法，其特征在于步驟六中:設(shè)人類活動(dòng)-徑流系統(tǒng)中的人類活動(dòng)對(duì)系統(tǒng)輸出(徑流)的直接影響系數(shù)為Md，系統(tǒng)的輸出取為實(shí)測(cè)徑流(用Wm表示)，系統(tǒng)的輸入取為降水量、氣溫和蒸發(fā)氣象要素(用&表示)，系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)取為分離人類活動(dòng)影響后的梯田面積、林地面積、草地面積和壩地面積(用Kn表示)，則有Wm=MdWn (I，Kn)，經(jīng)分析可有:
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的人類活動(dòng)影響分離的二維徑流還原方法，其特征在于步驟七中:據(jù)計(jì)算出來(lái)的人類活動(dòng)對(duì)徑流的間接影響量Wk和人類活動(dòng)對(duì)徑流的直接影響量Wd，從間接影響和直接影響二維角度獲得在滿足流域下墊面條件一致性的天然徑流量W:ff=ffm+ffd+ffk (11)。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103810401SQ201410092691
【公開(kāi)日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月13日
【發(fā)明者】李勛貴, 魏霞 申請(qǐng)人:蘭州大學(xué)