哈尔滨市水文要素复杂性测度与预测研究

发布时间：2017-09-06 20:01

  本文关键词：哈尔滨市水文要素复杂性测度与预测研究

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【摘要】：哈尔滨市是国家重点老工业基地城市、东北地区重要中心城市和黑龙江省的“龙头”,在东北老工业基地振兴战略中,处于重要的战略支撑地位。近年来,随着哈尔滨工业化、城市化进程加快,城市水文系统发生了明显变化,诱发了地下水超采、地表水水质恶化、地面沉降等一系列相关水资源问题。因此,对哈尔滨市水文要素复杂性进行深入研究,揭示哈尔滨市各区域水文要素时空变化规律,分析水文要素发展,进而实现哈尔滨市水资源合理、科学优化配置,水文预报科学严谨,相关部门决策更加稳健高效等具有重大的理论及现实意义。传统的多重分形消除波动分析方法(Multifractal Detrended Fluctuation Analysis,MF-DFA)在进行广义Hurst指数拟合过程中使用多项式拟合,并逐步尝试从而选取适合的阶数。过程较为繁琐且仅能拟合多项式趋势。本文运用经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)方法对MF-DFA方法进行优化,提高MF-DFA方法效率与性能。本文运用改进后的多重分形谱分析法(Multifractal Spectra Empirical Mode Decomposition Detrended Fluctuation Analysis,MFS-EMD-DFA)测度哈尔滨市11个辖区的降水、地下水埋深和蒸发量的复杂性时空变化规律。水文序列常含有多种噪声,在以往的水文序列复杂性测度方法的选择上,对于测度方法抗噪性能的分析常被忽略。本文通过分析MFS-EMD-DFA方法与符号动力学(LZC)和近似熵(Ap En)等传统复杂性测度方法对抗白噪声和有色噪声的鲁棒性,得出LZC和Ap En量测度方法在对抗白噪声上都具有一定的鲁棒性,但是对抗有色噪声上则容易出现崩溃现象。测试结果显示:MFS-EMD-DFA方法在对抗噪声更具鲁棒性。MFS-EMD-DFA方法是一种改进的多重分形测度序列复杂性程度方法,MFS-EMD-DFA方法促进了多重分形研究,并对序列复杂性测度提供了一种新的思路。在哈尔滨市水文要素复杂性时空规律的基础上,建立复杂性视角下的哈尔滨市水文要素预测模型,BP神经网络预测模型和ARIMA时间序列预测模型。并通过对两个经典预测模型的拟合和试报效果进行对比分析。两模型的拟合、试报效果均表现较好。通过对比试报过程的平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)结果,最终双城和木兰降水序列,双城和木兰地下水埋深序列以及五常的蒸发量序列选择预测模型为BP模型,市区的蒸发量序列选择ARIMA模型。分别运用对应的模型预测长度为60的水文要素未来序列。复杂性随时间的变化情况可以反映之前时间段的相关决策对该水文要素的影响,为进一步实现哈尔滨水资源优化配置,水文环境监控与治理提供坚实基础,同时也为其它相关部门决策提供科学依据。
【关键词】：哈尔滨 水文要素 复杂性 多重分形 预测
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV213.4
【目录】：

• 摘要8-9
• 英文摘要9-11
• 1 绪论11-18
• 1.1 立题依据11
• 1.2 研究的目的与意义11-12
• 1.3 国内外研究进展12-16
• 1.3.1 复杂性科学研究进展12-13
• 1.3.2 多重分形的研究进展13-15
• 1.3.3 水文预测研究进展15-16
• 1.4 研究中存在的问题16
• 1.5 研究内容16
• 1.6 技术路线16-18
• 2 哈尔滨市水文要素复杂性多重分形测度18-38
• 2.1 研究区域18
• 2.2 多重分形方法简介18-20
• 2.2.1 EMD方法18
• 2.2.2 EMD-DFA18-19
• 2.2.3 多重分形谱19-20
• 2.3 哈尔滨市降水多重分形测度20-25
• 2.4 哈尔滨市地下水埋深多重分形测度25-31
• 2.5 哈尔滨市蒸发量多重分形测度31-37
• 2.6 本章小结37-38
• 3 复杂性测度方法对比38-45
• 3.1 Lempel-Ziv复杂性测度法38-39
• 3.2 近似熵39
• 3.3 复杂性测度方法抗噪性能对比39-44
• 3.4 本章小结44-45
• 4 哈尔滨市水文要素序列复杂性时间变化规律45-53
• 4.1 降水序列复杂性变化特征45-48
• 4.2 地下水埋深复杂性变化特征48-50
• 4.3 蒸发量序列复杂性变化特征50-52
• 4.4 本章小结52-53
• 5 哈尔滨市水文要素发展态势研究53-66
• 5.1 BP神经网络预测模型简介53
• 5.2 ARIMA预测模型简介53-54
• 5.3 哈尔滨市水文要素试预报检验54-63
• 5.3.1 哈尔滨市复杂降水序列变化特征54-57
• 5.3.2 哈尔滨市复杂地下水埋深序列变化特征57-60
• 5.3.3 哈尔滨市复杂蒸发量序列变化特征60-62
• 5.3.4 水文要素预测模型分析与选择62-63
• 5.4 复杂性视角下的哈尔滨市部分区域水文要素变化特征63-65
• 5.5 本章小结65-66
• 6 结论与展望66-68
• 6.1 结论66-67
• 6.2 展望67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-74
• 攻读硕士期间发表的学术论文74

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本文编号：805142