基于多尺度熵理論的葛洲壩水庫對長江干流徑流影響研究

基于多尺度熵理論的葛洲壩水庫對長江干流徑流影響研究

王遠坤1,李建2,王棟1

(1.南京大學地球科學與工程學院,江蘇 南京210046;2.長江水資源保護科學研究所,湖北 武漢430051)

摘要：為研究葛洲壩水庫對長江水文系統復雜性的影響,采用多尺度熵理論對長江干流宜昌、漢口、大通3個主要控制水文站的徑流量序列進行分析。結果表明:長江干流徑流序列復雜度從上游到下游表現為逐漸增加趨勢;葛洲壩水庫蓄水對長江干流徑流序列結構復雜性產生了一定的影響,改變了天然條件下的系統復雜度,改變程度隨距離的增大而減弱。

關鍵詞：多尺度熵理論;徑流;葛洲壩水庫;長江干流

基金項目:國家自然科學基金(51309131);高等學校博士學科點專項科研基金(20100091120059)

作者簡介:王遠坤(1981—),男,講師,博士,主要從事水文水資源及生態水文研究。E-mail: yuankunw@nju.edu.cn

中圖分類號：P343.9

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2015)05-0014-05

Abstract：In order to ascertain impacts of Gezhouba Reservoir on the complexity of the Yangtze River system,multi-scale entropy theory was applied to analyze the runoff series of main stream of Yangtze River at the three main hydrological stations,which are Yichang,Hankou and Datong. The results show that the complexity of the runoff series of main stream of Yangtze River show increasing trend from upstream to downstream; Gezhouba Reservoir has certain impact on the complexity of the runoff series of main stream of Yangtze River. It changes the level of the complexity of the system under natural conditions,which decreases with the distance getting further.

收稿日期：(2015-01-10編輯：徐娟)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.05.004

Research on impacts of Gezhouba Reservoir on Yangtze River main stream

runoff based on multi-scale entropy theory

WANG Yuankun1,LI Jian2,WANG Dong1

(1.SchoolofEarthScienceandEngineering,NanjingUniversity,Nanjing210093,China;

2.ChangjiangWaterResourcesProtectionInstitute,Wuhan430051,China)

Key words： multi-scale entropy theory; runoff; Gezhouba Reservoir; Yangtze River main stream

河流系統是地球上的大動脈,在維系地球的水循環、能量平衡、氣候變化和生態發展中具有極其重要的作用[1]。水庫修建和河道整治工程等人類活動改變了河流水文情勢,對河流生態系統產生不利影響。由于徑流在維護河流地貌環境、生態系統健康等方面具有不可忽視的作用,徑流序列的擾動會使流域生態系統受到影響[2]。

水利工程對水文情勢的改變具有非線性與復雜性[3]。熵的概念起源于熱力學,是量化系統復雜性的有效方法,熵值越大對應的復雜性越高。然而,傳統熵分析主要集中于定尺度或者單尺度[4-6]。Costa等[7]2002年開創性地提出了多尺度熵的方法,結果顯示健康信號的熵值高于病理信號的熵值。該方法克服了單尺度熵的缺點,適用于評價系統多尺度的復雜性。Li等[8]應用多尺度熵理論評價了大壩影響下密西西比河徑流序列的復雜性變化規律。Zhou等[9]則利用多尺度熵分析理論評估了新豐江水庫和楓樹壩等水利工程對我國東江流域徑流序列的復雜性的影響。

從20世紀60年代開始,長江流域大量修建水庫,在一定程度上改變了長江的徑流特性。隨著經濟社會的發展,人類對長江水資源的消耗進一步增大,對徑流過程的干擾也逐漸增強。徑流的變化使得長江流域內的生態系統進而受到影響,生態系統服務功能減弱[2,10]，對長江流域水資源的變化趨勢及歸因研究是目前水文研究領域的熱點之一[11-13]。為評價長江流域第一個大型水利樞紐工程葛洲壩水庫對長江干流徑流的多尺度影響,采用多尺度熵理論,通過分析不同時間序列的多尺度熵值,評價流域系統復雜性的變化程度。

1研究區域概況

長江發源于青藏高原地區,流經11個省、市(自治區),全長約6 300km,總落差約5400m,流域面積180萬km2,為我國第一大河,世界第三大河。長江干流宜昌以上為上游,長約4500km,流域面積100萬km2。宜昌以下,干流河道進入中下游沖積平原,宜昌至湖口為中游,長約950km,流域面積68萬km2。湖口以下為下游,長約900km,流域面積12萬km2[2]。長江流域水能資源豐富,已經建設了4萬多座水庫,其中大型水庫約120座,中型水庫900多座,小型水庫44550座,總庫容達到2000多億m3,而且新建大中型水庫還在迅速增加[14]。葛洲壩水庫是長江流域第一個大型水利樞紐工程,于1970年12月動工興建,后停建,于1974年底重新動工,1981年完成大江截流,5月開始蓄水,1986年5月投入正式運行,1988年所有工程完工,水庫總庫容為15.8億m3。

2資料與方法

2.1資料選取

選取宜昌、漢口和大通3個控制水文站點作為代表站。宜昌水文站是長江上游的主要控制站,葛洲壩水電站位于其上游6km處；漢口水文站為中游的主要控制站；大通水文站位于長江河口潮區界附近,是長江入海沙量的控制站。選取1954—2008年3個水文站徑流量資料為基礎數據,以1974年葛洲壩水庫開始修建和1988年水庫工程完成為時間節點,對研究時段進行劃分,1954—1973年為工程興建前階段,1989—2008年為工程運行后階段。

2.2研究方法

2.2.1樣本熵理論

樣本熵在計算時不包含自身匹配,計算條件概率時需要一個長度為m的模板向量,然后通過尋找m+1長度匹配的方法來計算熵值。樣本熵的具體計算方法[5-6]為:

(1)

定義B為矢量Xm(j)與矢量Xm(i)距離在容限r范圍內的個數,A為矢量Xm+1(j)與矢量Xm+1(i)距離在容限r范圍內的個數。則樣本熵的計算公式為

(2)

2.2.2多尺度熵方法

Costa等[7]于2002年基于樣本熵,提出了一種分析多尺度的時間序列方法—多尺度熵方法,該方法可用于刻畫時間序列在不同時間尺度上的無規則和復雜程度,已得到廣泛應用[8-9]。筆者采用多尺度熵方法分析人類活動對長江流域干流徑流特性的影響。

多尺度熵的計算步驟如下:

a. 給定一個一維離散時間序列{x1,x2,…,xN},構建連續粗粒化的時間序列{y(τ)},新序列的長度由尺度因子τ(τ=1,2,…,N)決定。粗粒化時間序列的計算公式為

(3)

尺度因子τ=1時,時間序列{y(τ)}變為原始時間序列。每個粗粒化的時間序列的長度等于原始時間序列長度的1/τ。

b. 容限r取原時間序列標準差(SD) 的10%～25%,計算粗粒化后各個尺度對應時間序列的樣本熵值,即為多尺度熵。按參考文獻[8-9]中m和r的選取原則,本文m取值為2,r取值為0.15SD。

2.2.3多尺度熵的應用原理

多尺度熵計算時間序列在多個尺度上的樣本熵值,體現了時間序列在尺度上的無規則性。若熵值在尺度上單調遞減,則序列在尺度上自相似性較低,說明系統復雜度較小;若熵值在尺度上單調遞增,則序列自相似性較大,相應系統復雜度較大。若一個時間序列的熵值在絕大部分尺度上大于另一個時間序列的熵值,則說明前者比后者復雜。

3結果分析與討論

3.1葛洲壩水庫對徑流時間分布特性的影響

分別計算長江干流宜昌、漢口和大通3個站的徑流序列的多尺度樣本熵值。宜昌站徑流序列多尺度熵分布見圖1。由圖1可知,葛洲壩修建后,宜昌站徑流序列樣本熵值在不同尺度上均明顯增大,相對增大幅度從1.3%～23.2%不等。在時間尺度小于17d的情況下，葛洲壩修建后的徑流序列樣本熵值變化幅度均大于10%,其他時間尺度上變化相對較小。在所有尺度上總體平均變幅為11.71%(表1)。可以認為葛洲壩水庫的修建在一定程度上改變了天然狀態下宜昌站徑流序列內部結構的復雜度,在時間序列小于17d時改變程度較大。

圖1　宜昌站徑流序列多尺度樣本熵值

圖2所示為長江干流中游漢口站徑流序列多尺度熵值分布。由圖2可知,在時間尺度小于或等于3d的情況下,葛洲壩修建前后漢口站多尺度熵值并未明顯變化。在時間尺度大于3 d時的對應各尺度樣本熵值,葛洲壩修建后的值增大,相對變化幅度比宜昌站小,相對變化幅度為0.4%～16.0%(表1)。不同尺度下樣本熵值的增加幅度大都在0.1以下,只有在時間尺度為29d和30d時大于0.1。而徑流序列樣本熵值在時間尺度為28d和29d出現了最大和最小值情況,這說明葛洲壩水庫對漢口站的徑流序列結構在此時間尺度下造成了明顯的擾動。

圖2　漢口站徑流序列多尺度樣本熵值

由漢口站徑流序列多尺度熵分析可知,在時間尺度為1d的情況下,即對應傳統的不考慮時間尺度的樣本熵,葛洲壩水庫修建前后,樣本熵值無明顯變化,不能評估葛洲壩水庫對下游徑流序列復雜度的影響程度。多尺度熵分析反映的是不同時間尺度下熵信息的變化情況,由圖2可知,隨著時間尺度的增大,葛洲壩修建前后徑流序列的樣本熵值之差逐漸增大。

大通站是長江下游的入海控制站,距離葛洲壩水庫較遠。徑流序列除了上游來水外,同時接納洞庭湖、鄱陽湖及其他支流等區間入流。由此可知,大通站的徑流序列受影響因素較多,葛洲壩水庫的徑流調節對其影響程度較小。由圖3可知,整體上葛洲壩水庫修建前后多尺度熵值無明顯變化。

表1　長江干流主要控制水文站序列多尺度

圖3　大通站徑流序列多尺度樣本熵值

3.2葛洲壩水庫對徑流空間分布特性的影響

對葛洲壩水庫修建前宜昌、漢口和大通等3站多尺度熵值進行對比(圖4)。在未受葛洲壩水庫影響前,從1～30d的不同尺度上,下游大通站樣本熵值大于中游漢口站值,漢口站樣本熵值大于宜昌站。由于在長江干流上下游所處位置不同,以及控制流域面積的不同使得3站的多尺度熵值不同,即徑流序列的復雜度不同,隨控制流域面積的增大而增大。徑流序列復雜度總體上從上游到下游表現為增大趨勢。

圖4　葛洲壩水庫修建前宜昌、漢口、大通水文站 徑流序列的多尺度熵值對比

圖5所示為葛洲壩水庫修建后宜昌站、漢口站和大通站多尺度熵值對比。在時間尺度為1 d的情況下,3站之間的樣本熵值無明顯差別,不能判斷葛洲壩水庫蓄水對下游徑流序列的影響。隨著時間尺度的增加,各個站之間的樣本熵值差異性明顯變大。與漢口站相比,宜昌站明顯小于大通站樣本熵值。

圖5　葛洲壩水庫修建后宜昌、漢口、大通水文站 徑流序列的多尺度熵值對比

由以上分析可知,徑流序列復雜度在空間上表現出差異性,整體上表現為從上游到下游的增大趨勢。評價結果顯示葛洲壩水庫在一定程度上改變了長江中下游干流徑流序列的復雜度。長江干流徑流序列除了受上游來水量的影響外,區間來水也占據重要作用,本文沒有考慮區間入流的影響。近年來在全球氣候變化大背景下,長江流域降水特性較原來發生了一定的改變[15],在一定程度上影響了長江的徑流序列。氣候變化對長江徑流的影響在本文中沒有考慮,氣候變化和人類活動對長江徑流序列復雜性改變的具體貢獻有待于下一步的研究工作開展。

4結論

利用多尺度熵理論分析了長江干流宜昌、漢口、大通3個主要水文站多年的徑流序列,研究了葛洲壩水庫修建前后長江流域徑流序列復雜性的變化,分析了影響程度以及影響范圍。結果表明,葛洲壩水庫的修建對長江干流徑流的系統內部復雜性產生了一定的影響,宜昌站影響最大,對中游的漢口影響中等,下游的大通站最小,表明葛洲壩水庫對長江干流徑流的輻射影響程度隨著距離的增大而減小。在空間上,長江干流徑流序列結構呈現差異性,從上游到下游表現為逐漸增加趨勢。葛洲壩水庫一定程度上改變了徑流序列的復雜度。多尺度熵理論是一種適合評估大型流域水文系統復雜度的有效手段,可在其他流域推廣試用。

三峽水庫于2009完全投入正常運行,筆者對三峽水庫的影響尚未考慮,為了進一步更準確評估三峽水庫正常運行后帶來的影響,需要進一步積累水文要素數據,開展后續研究工作。

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·簡訊·

中國水利學會2015學術年會將于10月26—28日在河海大學召開

2015年10月26—28日，由中國水利學會主辦，河海大學、南京水利科學研究院、江蘇省水利學會承辦的中國水利學會2015學術年會將在河海大學召開。本次會議主題是水安全與水科技，將邀請水利部、中國科學院、中國工程院等有關方面的知名專家、院士主要圍繞防洪安全、供水安全以及水與糧食安全、經濟安全、生態安全、國家安全等方面作大會特邀報告。會議還將設置5個分會場：中國原水論壇分會場、跨流域調水分會場、地下水分會場、疏浚與泥處理利用分會場、國際分會場。

各分會場主要議題分別是：①中國原水論壇分會場主要議題：原水保護與飲水安全，水資源保護與水生態修復，水資源開發利用與管理，水文化研究與傳播；②跨流域調水分會場主要議題：跨流域調水工程運行調度理論，跨流域調水工程運行調度關鍵技術，跨流域調水工程運行調度方案制定與實施，跨流域調水工程運行調度實踐經驗；③地下水分會場主要議題：地下水環境安全與對策(地下水環境安全現狀、地下水污染理論、地下水污染數值仿真與物理模擬技術、地下水污染安全監測新技術、地下水污染修復)，地下水資源理論與技術創新(地下水資源理論新趨向、地下水監測新技術、地下水科學中的同位素技術、地下水資源計算新理論方法、地下水資源評價與管理)，地下水超采治理技術創新(地下水超采評估、地下水超采治理技術、地下水超采治理評估)；④疏浚與泥處理利用分會場主要議題：河湖健康中的底泥污染及對策，河湖疏浚清淤技術與實踐，淤泥處理技術與管理，淤泥資源化利用技術，其他水環境治理與生態修復的技術與應用實例；⑤國際分會場主要議題：氣候變化與水安全，變化環境下的水文演變，變化環境下水科學的理論與實踐，變化環境下的用水安全及水源保障，變化環境下的用水安全及水災害應對，變化環境下的水能資源利用，變化環境下的大范圍水資源優化配置及調度，變化環境下的水生態環境保護。

(本刊編輯部供稿)