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《基于小波分析的黄河上游径流变化周期研究_张代青.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、灌溉排水学报2007年6月第26卷第3期JournalofIrrigationandDrainage文章编号:16723317(2007)03007504*基于小波分析的黄河上游径流变化周期研究张代青,高军省(郑州大学环境与水利学院,郑州450002)摘要:为了研究黄河上游径流变化周期,在综合评述已用方法的前提下,引入了小波分析法;然后采用Morlet连续小波变换,对兰州和贵德2站84年(1920~2003年)年径流时间序列变化特征进行了多时间尺度分析,揭示出黄河上游年径流在不同时间尺度下的小波变换时频特征及其丰、枯交替变化的周期规律;进一步分析其径流变化规律,发现黄河上游
2、年径流变化具有同步性,现正处于偏枯期;最后对分析结果进行小波系数过程线及方差图检验,得出黄河上游年径流具有32年的主周期变化规律,同时预测2007年后的17年(2008~2024年)时期内,将处于偏丰期。关键词:小波分析;径流变化周期;小波系数图;主周期;黄河上游中图分类号:P333.1文献标识码:A1前言气象水文过程的随机性与人类活动影响的不可避免性,决定了水文时间序列的复杂性。分析和预测水文时间序列,已有多种方法和模型,如传统的时间序列分析及随机水文理论、模糊分析法、灰色系统法、人工神经网络法、混沌理论分析法等。这些方法、模型对解决实际的水文问题起到了非常重要的作用,取
3、得了积极的成果。然而,这些方法和模型要么在时域上,要么在频域上,对信号处理比较粗略,不能反映真实的水文变化过程,有时甚至存在较大偏差。欲有效分析和预测水文过程的变化规律,尚需改进和完善已用方法,并不断探索新方法。黄河径流序列是典型的复杂径流序列,它通常包含随机项、突变项、趋势项和周期项等。为研究其变化规律,研究者们一方面将计算机技术、人工智能技术与预测技术相结合,以开发新的分析与预测工具;另一方[1]面又探索各种分析方法和模型,如王昌高等为揭示黄河径流、洪水及黄泥沙量与太阳活动周期变化关系采[2]用的时间序列分析法,饶素秋等为拟合并预测唐乃亥和花园口2站的天然年径流量使用的
4、灰色系统模型[3]中的GM(1,1)模型,畅明琦等为描述黄河干流上、中、下游径流序列的主周期采用的灰色关联度波谱分[4]析法,楚纯洁等为揭示黄河花园口断面年均径流量变化的分形和混沌特征使用的分形和混沌理论等。上述方法虽然能通过统计分析径流变化与某一影响因素的关系,从某个侧面揭示径流变化的某项特征,或者能从时域角度分析径流序列的变化周期,或者能从频域角度分析径流序列的某项变化特征。但都不能同时从时域和频域上去精细地描述水文信号的任意细节,从而导致模型精度和预测结果可信度低,不能真实评判与有效预测径流变化规律。小波分析法是最近兴起的一种信号分析处理方法。它引入多尺度分析思想,引
5、用多种基本小波函数;它在时域和频域上同时具有良好的局部化特征和多分辨功能,能由粗到精地描述各种复杂信号的任意细节;尤其在处理非平稳水文时间信号中,体现出其它方法不可相比的优越性。该法通过[5]MATLAB编程,计算简单、速度快、图象清晰直观,被誉为数学/显微镜0。[6]由于水文时间序列几乎都是非平稳的。因此,将小波理论和方法应用于水文时间序列的分析和预测,可充分展现小波分析的巨大潜力。应用连续小波变换,对黄河上游非平稳的河川径流实测序列进行多尺度时频分析,试图揭示黄河上游乃至整个流域河川径流的变化规律,为该流域的综合治理、合理开发及其水资*收稿日期:20070104基金项目
6、:郑州大学创新人才工程科研资助项目(000000307032)作者简介:张代青(1974),男,湖南隆回人,硕士研究生,主要从事水文学及水资源研究.75源的优化配置等提供参考。2黄河上游径流变化特征分析2.1资料选取2黄河干流分上、中、下游。贵德站位于黄河上游中部河段,流域面积133,650km;兰州站为黄河上游最2后一水文站,流域面积222,551km。黄河上游段河长、落差以及集水面积所占比例都大于50%。兰州和贵德2站流域面积又分别占上游集水面积的57.7%和34.6%。考虑其地理位置的特殊性,黄河上游区域受人类活动影响较中下游为小。因此,选兰州、贵德2站年径流资料,研
7、究黄河上游径流变化规律,具有较好的代表性。取兰州、贵德2站84年(1920~2003年)年径流为分析资料。为应用方便,先将年平均流量过程进行标准化处理,然后利用Morlet小波变换分析其多时间尺度演变特性。取不同的a(频域尺度,年)和b(时域尺[7]度,年),计算小波变换系数Wf(a,b),绘制小波系数实部图(见图1)。图1黄河上游兰州、贵德2站年径流小波系数图2.2兰州站小波变换实部时频特性分析图1(Ⅰ)小波实部图清晰地显示出实部在(a-b)平面上的变化强弱。图中年径流在小波变化域中,其波动能量清晰可辨的能量聚集
