劉祖發(fā),譚銘欣,查悉妮,卓文珊,周月英,陳記臣,姚寒梅
(1.中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心∥華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510275;2.中山大學(xué)新華學(xué)院, 廣東 廣州 510520)
基于WD-RSPA模型的水文時(shí)間序列預(yù)測(cè)
——以馬口站和深圳市為例
劉祖發(fā)1,譚銘欣1,查悉妮1,卓文珊1,周月英2,陳記臣1,姚寒梅1
(1.中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心∥華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510275;2.中山大學(xué)新華學(xué)院, 廣東 廣州 510520)
水文時(shí)間序列;小波消噪;秩次集對(duì)分析;年徑流量預(yù)測(cè);年降雨量預(yù)測(cè)
近年來(lái),全球多處發(fā)生強(qiáng)降雨和洪澇災(zāi)害等水文不確定事件,嚴(yán)重威脅到人類的生命健康和財(cái)產(chǎn)安全。尤其在人類活動(dòng)和氣候變化的背景下,流域降雨徑流特征更為復(fù)雜,規(guī)律更為不確定。為了更好地實(shí)施地區(qū)防洪抗汛,減少損失與傷亡,實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置以及水資源的規(guī)劃管理,對(duì)水文時(shí)間序列進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)顯得十分必要。
珠江流域是一個(gè)復(fù)合型流域,洪澇旱咸等自然災(zāi)害頻繁[1]。馬口水文站是西、北江洪水經(jīng)思賢滘注入珠江三角洲的重要控制水文站,其流量受西、北兩江的影響,水流情況復(fù)雜[2]。深圳市是珠三角地區(qū)快速城市化的典型區(qū)域,頻繁的人類活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)氐慕涤晏卣饔兄匾绊憽?/p>
降雨量和徑流量是衡量流域水文情勢(shì)的兩個(gè)重要因素。目前常用的水文序列分析方法主要有傳統(tǒng)時(shí)間序列分析方法[3]、信息熵分析法[4-5]、灰色系統(tǒng)法[6-7]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[8-9]、小波分析方法[10-11]等。采用傳統(tǒng)單一模型的預(yù)測(cè)精度往往不高,使用多種方法耦合的預(yù)測(cè)模型往往能獲得更理想的結(jié)果。
實(shí)測(cè)水文序列存在的噪聲破壞了水文時(shí)間序列原本的自相關(guān)結(jié)構(gòu),改變其真實(shí)變化特性。如果對(duì)含噪聲的水文序列進(jìn)行分析預(yù)測(cè)將不能完整地反映其本質(zhì)規(guī)律,甚至得出錯(cuò)誤的結(jié)論[12]。在進(jìn)行水文序列分析計(jì)算前進(jìn)行小波消噪處理有利于反映其真實(shí)變化特征[13]。另外,趙克勤[14]基于對(duì)立統(tǒng)一觀點(diǎn)提出了集對(duì)分析法,通過(guò)建立同異反聯(lián)系度來(lái)表征集對(duì)的關(guān)系。
本文在小波分析和集對(duì)分析的基礎(chǔ)上,建立基于小波消噪的秩次集對(duì)分析預(yù)測(cè)模型(WD-RSPA)。WD-RSPA模型結(jié)合了小波分析多分辨率分析的特點(diǎn)和集對(duì)分析原理簡(jiǎn)單、計(jì)算簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì),同時(shí)彌補(bǔ)了單一模型預(yù)測(cè)精度不高的問(wèn)題。
為了對(duì)該模型的適用性和可行性做出檢驗(yàn),本文將WD-RSPA模型應(yīng)用于馬口站和深圳市的水文時(shí)間序列預(yù)測(cè)。
小波分析(WA)是一種時(shí)頻分析方法,利用小波變換可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)時(shí)頻兩域分析,從而表征信號(hào)的局部特征,具有多分辨率分析的特點(diǎn)。Kumar和Foufoula-Georgiou[15]最早將小波分析方法應(yīng)用到水文學(xué)領(lǐng)域,隨后,小波分析方法被廣泛應(yīng)用于水文分析、水文序列消噪、水文序列模擬預(yù)報(bào)等方面[16-19]。
小波消噪(Wavelet De-noise,WD)就是通過(guò)小波分析將高頻成分和低頻成分有效分離出來(lái),根據(jù)不同信號(hào)在小波變換后表現(xiàn)出的不同特性,對(duì)小波分解序列進(jìn)行處理,對(duì)處理后的序列加以重構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)原始信號(hào)的降噪處理[20]。
設(shè)含噪聲的實(shí)測(cè)序列為S(n),有用低頻序列為f(n),噪聲序列為e(n),k為噪聲強(qiáng)度,可以得到:
S(n)=f(n)+ke(n)
(1)
小波消噪中,小波函數(shù)的選擇、分解層數(shù)的確定、如何選取閾值及如何進(jìn)行閾值量化都直接關(guān)系到信號(hào)消噪的質(zhì)量。本文對(duì)小波函數(shù)的選擇采用文獻(xiàn)[21]提出的方法,閾值的選擇采用Stein無(wú)偏似然估計(jì),對(duì)閾值進(jìn)行軟閾值去噪。
秩次集對(duì)預(yù)測(cè)模型(RSPA)將秩次分析與集對(duì)分析結(jié)合起來(lái),利用歷史樣本與當(dāng)前樣本構(gòu)造集對(duì),選擇歷史樣本中與當(dāng)前狀態(tài)相似的樣本,可實(shí)現(xiàn)當(dāng)前狀態(tài)的模擬。
設(shè)有聯(lián)系的集合X和Y。若要探討X-Y的關(guān)系,可對(duì)兩集合作同一性、差異性和對(duì)立性分析,計(jì)算聯(lián)系度μX~Y,公式為[14]
(2)
式中,S為兩集合所共有的特性(同一性)個(gè)數(shù),F(xiàn)為兩集合表現(xiàn)為既不對(duì)立又不同一的特性(差異性)個(gè)數(shù),P為兩集合所相對(duì)立的特性(對(duì)立性)個(gè)數(shù);S+F+P=n;I為差異不確定系數(shù),在[-1,1]區(qū)間視情況取值,有時(shí)僅起差異標(biāo)記作用;J為對(duì)立系數(shù),且J≡-1,有時(shí)起對(duì)立標(biāo)記的作用。μX~Y稱為集對(duì)H(X,Y)的聯(lián)系度。
秩次集對(duì)分析預(yù)測(cè)模型只需要?dú)v史水文序列資料,省去了參數(shù)率定的復(fù)雜過(guò)程,具有原理簡(jiǎn)單,計(jì)算簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)。但由于該模型沒(méi)有考慮到某些因素(如氣候異常變化)帶來(lái)的水文序列變異,為了提高預(yù)測(cè)精度,引入小波消噪的思想,對(duì)秩次集對(duì)預(yù)測(cè)模型作出改進(jìn),將兩種方法耦合,提出基于小波消噪的秩次集對(duì)分析預(yù)測(cè)模型(WD-RSPA)。
選擇合適的小波函數(shù)對(duì)實(shí)測(cè)序列進(jìn)行小波消噪,削減原序列的噪聲,再對(duì)消噪序列按照秩次集對(duì)分析預(yù)測(cè)的方法建模,從而預(yù)測(cè)未知序列。具體步驟如下:
1)以某地連續(xù)n年的實(shí)測(cè)水文時(shí)間序列實(shí)測(cè)值{Xi}(i=1,2,…,n)作為模型的輸入數(shù)據(jù)。
2)選取合適的小波函數(shù)并確定分解層數(shù)、閾值選取方法及閾值量化方法,對(duì)實(shí)測(cè)水文序列{Xi}進(jìn)行小波消噪,消噪后得到消噪序列{xi}(i=1,2,…,n)。
3)對(duì)消噪序列{xi}構(gòu)建秩次集對(duì)預(yù)測(cè)模型:設(shè)消噪序列中xt與其前T個(gè)歷史值xt-1,xt-2,…,xt-T存在相依性,確定集合維數(shù)T的取值(水文序列中T值一般選取4~6),按表1構(gòu)建n-T個(gè)歷史集合Ai(i=1,2,…,n-T)和一個(gè)當(dāng)前集合B及其對(duì)應(yīng)的后續(xù)值。
(3)
表1 時(shí)間序列秩次集對(duì)分析表Table 1 Rank set pairs analysis of time series
本文根據(jù)中國(guó)氣象局網(wǎng)站提供的數(shù)據(jù),以1959-2010年馬口站年徑流序列和1964-2013年深圳市年降雨序列作為基礎(chǔ)資料,對(duì)建立的WD-RSPA模型做出驗(yàn)證,分別預(yù)測(cè)2001-2010年馬口站年徑流量以及2004-2013年深圳市年降雨量。
選用coif3和rbio5.5小波作為小波消噪函數(shù),為了保留足夠的有效成分,分解層數(shù)為一層,由Stein的無(wú)偏似然估計(jì)得到閾值并進(jìn)行軟閾值消噪,選擇集對(duì)分析維數(shù)T=4,5,6,取i=0,j=-1,分別建立WD-RSPA模型,預(yù)測(cè)2001-2010年年徑流量。
為了檢驗(yàn)該模型的預(yù)測(cè)效果,用相同資料建立傳統(tǒng)時(shí)間序列模型AR(1)模型和單一RSPA模型,T=4,5,6時(shí)得到結(jié)果如表2-4,結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖1。
圖1 2001-2010年馬口站年徑流預(yù)報(bào)對(duì)比圖Fig.1 A contrast of the annual runoffs prediction in Makou Station during 2001-2010
年份Qo/108m3AR(1)Qp/108m3e/%RSPAQp/108m3e/%coif3-RSPAQp/108m3e/%rbio5.5-RSPAQp/108m3e/%20012489.782197.28-11.752446.65-1.732704.998.642090.40-16.0420022449.052199.01-10.212498.182.012733.3611.612326.34-5.0120031851.872198.8818.742555.5538.001903.742.802376.2828.3220041547.852196.9341.932312.3649.391930.1124.701802.0916.4320051930.932195.9513.722174.4112.611893.04-1.961895.24-1.8520062188.672197.190.392116.58-3.292078.31-5.042027.81-7.3520071654.452198.0332.861673.101.131868.7912.961841.4011.3020082653.802196.29-17.241676.54-36.822331.92-12.132269.71-14.4720091703.262199.5429.141903.5611.762345.6337.712467.9644.9020102009.112196.459.321839.57-8.442052.842.181879.05-6.47平均值|e|/%18.5316.5211.9715.21合格率(|e|<10%)0.200.500.500.40合格率(|e|<20%)0.700.700.800.80最大相對(duì)誤差41.9349.3937.7144.90最小相對(duì)誤差0.391.13-1.96-1.85
表3 2001-2010年馬口站年徑流預(yù)報(bào)(T=5)1)
Table 3 The annual runoffs prediction in Makou Station(T=5) during 2001-2010
年份Qo/108m3AR(1)Qp/108m3e/%RSPAQp/108m3e/%coif3-RSPAQp/108m3e/%rbio5.5-RSPAQp/108m3e/%20012489.782197.28-11.751792.58-28.002558.852.772132.41-14.3520022449.052199.01-10.212669.238.992573.725.092304.84-5.8920031851.872198.8818.742221.2519.952080.5212.352418.7030.6120041547.852196.9341.932161.0039.611933.5824.921792.7415.8220051930.932195.9513.721897.00-1.761759.14-8.901935.990.2620062188.672197.190.392208.510.912119.85-3.142094.93-4.2820071654.452198.0332.862004.8521.181927.0216.481933.6616.8820082653.802196.29-17.241977.37-25.492016.34-24.022424.04-8.6620091703.262199.5429.142267.6133.132169.1827.352451.9643.9620102009.112196.459.322389.4018.932193.459.182021.360.61平均值|e|/%18.5319.7913.4214.13合格率(|e|<10%)0.200.300.500.50合格率(|e|<20%)0.700.500.700.80最大相對(duì)誤差41.9339.6127.3543.96最小相對(duì)誤差0.390.912.770.26
表4 2001-2010年馬口站年徑流預(yù)報(bào)(T=6)1)
Table 4 The annual runoffs prediction in Makou Station(T=6) during 2001-2010
年份Qo/108m3AR(1)Qp/108m3e/%RSPAQp/108m3e/%coif3-RSPAQp/108m3e/%rbio5.5-RSPAQp/108m3e/%20012489.782197.28-11.752291.99-7.942235.22-10.222166.92-12.9720022449.052199.01-10.212559.584.512514.612.682297.61-6.1820031851.872198.8818.742508.2135.442611.7641.032246.7821.3220041547.852196.9341.932190.9041.542058.6633.001804.1316.5620051930.932195.9513.722236.7115.841753.74-9.181993.503.2420062188.672197.190.392122.04-3.042095.40-4.262005.45-8.3720071654.452198.0332.861607.85-2.822042.4123.451980.6419.7220082653.802196.29-17.241587.14-40.191950.18-26.512170.33-18.2220091703.262199.5429.142337.3737.232103.4723.502269.7933.2620102009.112196.459.322117.835.412089.424.001982.96-1.30平均值|e|/%18.5319.4017.7814.11合格率(|e|<10%)0.200.500.400.40合格率(|e|<20%)0.700.600.500.80最大相對(duì)誤差41.9341.5441.0333.26最小相對(duì)誤差0.39-2.822.68-1.30
由表2-4和圖1可以看出:
1)選取不同小波函數(shù)和集合維數(shù)會(huì)對(duì)2001-2010年馬口站預(yù)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響,而且WD-RSPA模型預(yù)測(cè)效果要比AR(1)模型和單一的RSPA模型的預(yù)測(cè)效果好,AR(1)模型不能反映真實(shí)序列的變化特征。
Zhu Xi and His Creative Efforts Made to Develop Epigraphy
6)就誤差極大值而言,集合維數(shù)T=4、5時(shí)coif3-RSPA模型預(yù)測(cè)的極大值明顯低于其他3種模型,T=6時(shí)rbio5.5-RSPA模型預(yù)測(cè)的極大值明顯低于其他3種模型。在不同集合維數(shù)下,使用不同預(yù)測(cè)模型對(duì)誤差極小值的影響不大。
7)總的來(lái)說(shuō),在集合維數(shù)T=4的條件下使用coif3-RSPA模型能較好預(yù)測(cè)2001-2010年馬口站徑流量。
選用db5和coif3函數(shù)進(jìn)行小波消噪,由于年降雨序列噪聲不是很強(qiáng),為了避免消噪時(shí)將真實(shí)信號(hào)消除,這里對(duì)年徑流序列進(jìn)行一層小波分解,由Stein的無(wú)偏似然估計(jì)得到閾值并進(jìn)行軟閾值消噪。選擇集對(duì)分析維數(shù)T=6,取i=0,j=-1,建立WD-RSPA模型。
為了檢驗(yàn)該模型的預(yù)測(cè)效果,用相同資料建立AR(1)模型和傳統(tǒng)RSPA模型得到結(jié)果如表5,結(jié)果對(duì)比圖見(jiàn)圖2。
表5 2004-2013年深圳市年降雨預(yù)報(bào)(T=6)1)
Table 5 The annual rainfall prediction in Shenzhen Station(T=6) during 2004-2013
年份Po/mmAR(1)Pp/mme/%RSPAPp/mme/%db5-RSPAPp/mme/%coif3-RSPAPp/mme/%20041299.401855.4242.792092.5761.041921.0747.841803.1938.7720052143.601785.37-16.711999.79-6.711735.14-19.051909.72-10.9120061936.501976.942.091814.94-6.282048.045.761877.19-3.0620071581.501929.9422.031931.2722.121931.7522.152018.2627.6220082710.001849.39-31.761963.63-27.542351.28-13.242044.91-24.5420091611.002105.4730.692253.7739.902151.2833.542035.6226.3620101634.001856.0813.592065.4426.401600.04-2.081759.447.6820111269.701861.3046.591564.6523.231417.1911.621485.1916.9720121554.801778.6314.401380.44-11.211479.42-4.851794.5915.4220132203.601843.33-16.351518.34-31.101825.62-17.151493.08-32.24平均值|e|/%23.7025.5517.7320.26合格率(|e|<10%)0.100.200.300.20合格率(|e|<20%)0.500.300.700.50最大相對(duì)誤差46.5961.0447.8438.77最小相對(duì)誤差2.09-6.28-2.08-3.06
圖2 2004-2013年深圳市年降雨預(yù)報(bào)對(duì)比圖(T=6)Fig.2 A contrast of the annual rainfall prediction in Shenzhen Station during 2004-2013(T=6)
由表5和圖2可以得到:
1)與AR(1)模型和單一RSPA模型相比,基于小波消噪的秩次集對(duì)模型WD-RSPA更能反映真實(shí)序列的變化特性。
2)與傳統(tǒng)RSPA模型相比,基于WD-RSPA組合模型的預(yù)測(cè)結(jié)果誤差均值和誤差極值更小,合格率更高。
3)選用的小波函數(shù)不同,預(yù)報(bào)結(jié)果也會(huì)有所差異。2008,2012和2013年,db5-RSPA模型預(yù)測(cè)結(jié)果明顯優(yōu)于coif3-RSPA的預(yù)測(cè)結(jié)果;2004,2005和2009年coif3-RSPA模型預(yù)測(cè)結(jié)果明顯優(yōu)于db5-RSPA的預(yù)測(cè)結(jié)果。其他年份兩模型的預(yù)測(cè)結(jié)果相差不大??梢?jiàn)不同小波函數(shù)針對(duì)同一時(shí)間序列消噪效果不同,各有優(yōu)勢(shì)。
6)coif3-RSPA模型對(duì)誤差極大值的預(yù)測(cè)效果在4種模型中較好,為38.77%, AR(1)、db5-RSPA和coif3-RSPA模型誤差極小值相差不大,RSPA模型最差,為-6.28%。
7)對(duì)于2008年深圳市發(fā)生的異常強(qiáng)降雨事件,相比另外3個(gè)預(yù)測(cè)模型,db5-RSPA模型更能預(yù)測(cè)該降雨事件的發(fā)生。2008年AR(1)模型、RSPA模型和coif3-RSPA模型的預(yù)測(cè)誤差分別為-31.76%、-27.54%和-24.54%,而db5-RSPA模型預(yù)測(cè)結(jié)果最好,相對(duì)誤差僅為-13.24%。
為了比較集合維數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響,以db5為消噪函數(shù),分別選擇集合維數(shù)T=4,5,6,建立db5-RSPA模型,并與傳統(tǒng)RSPA模型的預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表6。
表6 2004-2013年深圳市年降雨量和預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比(T=4,5,6)1)Table 6 The annual rainfall prediction in Shenzhen station(T=4,5,6) during 2004-2013
由表6可得:
1)對(duì)比不同集合維數(shù)下RSPA模型和db5-RSPA模型的預(yù)測(cè)結(jié)果,當(dāng)T=6時(shí)預(yù)測(cè)效果最好,T=4時(shí)預(yù)測(cè)效果最差,集合維數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)效果有很大影響。
2)對(duì)比同一集合維數(shù)下RSPA模型和db5-RSPA模型的預(yù)測(cè)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)db5-RSPA模型更能模擬真實(shí)序列的變化情況。
5)就誤差極值而言,db5-RSPA模型在T=6時(shí)誤差極大值最小(47.84%),db5-RSPA模型在T=4時(shí)誤差極小值最小(1.68%),而RSPA模型在T=4時(shí)預(yù)報(bào)效果最差,誤差極大值達(dá)73.25%,誤差極小值為16.93%。
6)總的來(lái)說(shuō),對(duì)比各集合維數(shù)RSPA模型和db5-RSPA模型的預(yù)測(cè)結(jié)果,在集合維數(shù)T=6時(shí)的條件下使用db5-RSPA模型預(yù)測(cè)效果最好,其誤差平均值最小,且預(yù)測(cè)合格率最高,最能擬合原序列的變化情況。
本文針對(duì)水文時(shí)間序列的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)問(wèn)題,在小波分析和集對(duì)分析方法的基礎(chǔ)上,將兩種方法耦合,建立基于小波消噪和秩次集對(duì)分析的水文時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型(WD-RSPA),預(yù)測(cè)過(guò)程僅需歷史實(shí)測(cè)資料,不需要復(fù)雜的參數(shù)率定過(guò)程,方法簡(jiǎn)單,操作簡(jiǎn)便。通過(guò)將此模型應(yīng)用于馬口站年徑流序列和深圳市年降雨序列預(yù)測(cè),同時(shí)利用傳統(tǒng)AR(1)和單一RSPA模型對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果作以對(duì)比,得到以下結(jié)論:
3)本文提出的WD-RSPA模型對(duì)年徑流和年降雨量序列預(yù)測(cè)的精度較高。由于考慮到實(shí)測(cè)水文時(shí)間序列的噪聲并利用小波函數(shù)消噪,相較于傳統(tǒng)AR(1)模型和單一的RSPA模型,WD-RSPA模型具有明顯優(yōu)勢(shì),其預(yù)測(cè)精度普遍達(dá)到80%以上,解決了單一預(yù)測(cè)模型精度不高的問(wèn)題。原理簡(jiǎn)單,計(jì)算簡(jiǎn)便,是一種切實(shí)可行的水文時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法。
4)本文選用不同的小波函數(shù)和集合維數(shù),建立WD-RSPA模型作以對(duì)比,發(fā)現(xiàn)選用不同的小波函數(shù)和集合維數(shù),WD-RSPA模型的預(yù)測(cè)結(jié)果不同。因此選擇合適的小波函數(shù)和集合維數(shù)是WD-RSPA模型的關(guān)鍵。
[1] 孫波. 珠江流域防汛抗旱減災(zāi)體系建設(shè)[J]. 中國(guó)防汛抗旱,2009(S1):165-174.
SUN B. Construction of flood and drought management system in Pearl River Basin[J]. China Flood & Drought Management,2009(S1):165-174.
[2] 童娟. 西江馬口水文站洪水流量的定線分析[J]. 廣東水利水電,2013(8):43-44.
TONG J. Alignment analysis of flood flow in Makou Station, Xijiang River[J]. Guangdong Water Resources and Hydropower,2013(8):43-44.
[3] 江聰,熊立華. 基于皮爾遜Ⅲ型分布的漢口站年最小月流量趨勢(shì)性分析[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2013,30(7):16-21.
JIANG C, XIONG L H. Trend analysis on the annual minimum monthly runoff series of Yangtze River at Hankou Hydrological Station based on Pearson type III probability distribution[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2013,30(7):16-21.
[4] CUI H, SINGH V P. Configurational entropy theory for streamflow forecasting[J]. Journal of Hydrology,2015,521:1-17.
[5] 劉丙軍,陳曉宏. 東江流域降水空間分布模式識(shí)別[J]. 中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,48(5):148-152.
LIU B J, CHEN X H. Model dentification of spatial rainfall distribution in the Dongjiang Basin[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis SunYatseni,2009,48(5):148-152.
[6] ALVISI S, FRANCHINI M. Grey neural networks for river stage forecasting with uncertainty[J]. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C,2012(42/43/44):108-118.
[7] 張瓊楠,陳元芳,顧圣華,等. 優(yōu)化的灰色拓?fù)淠P驮谀陱搅黝A(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 水電能源科學(xué),2014,32(4):22-25.
ZHANG Q N, CHEN Y F, GU S H, et al. Application of improved grey topological model in prediction of annual runoff[J]. Water Resources and Power,2014,32(4):22-25.
[8] 楊佳,錢(qián)會(huì),高燕燕,等. 西安市多年降水特征分析及降水量預(yù)測(cè)[J]. 南水北調(diào)與水利科技,2016,14(3):30-35.
YANG J, QIAN H, GAO Y Y, et al. Muti-year precipitation characteristics analysis and precipitation forecast of Xi’an city[J]. South-to-North Water Transfers and Water Science and Technology,2016,14(3):30-35.
[9] HUMPHREY G B, GIBBS M S, DANDY G C, et al. A hybrid approach to monthly streamflow forecasting:Integrating hydrological model outputs into a Bayesian artificial neural network[J]. Journal of Hydrology,2016,540:623-640.
[10] JOO T W, KIM S B. Time series forecasting based on wavelet filtering[J]. Expert Systems with Applications,2015,42(8):3868-3874.
[11] SEO Y, KIM S, KISI O, et al. Daily water level forecasting using wavelet decomposition and artificial intelligence techniques[J]. Journal of Hydrology,2015,520:224-243.
[12] 渠庚,郭小虎,閔鳳陽(yáng). 基于小波消噪的季節(jié)性水文預(yù)測(cè)模型研究[R]. 武漢:長(zhǎng)江科學(xué)院河流研究所,2010.
QU G, GUO X H, MIN F Y. Seasonal hydrological forecasting model based on wavelet de-noising[R].Wu han: Yangtze River Scientific Research Institute,2010.
[13] 李愛(ài)云,張紅霞,吳建華. 基于小波消噪的年徑流預(yù)測(cè)SPA模型[J]. 人民黃河,2012,34(9):41-43.
LI A Y, ZHANG H X, WU J H. Annual runoff forecasting based on wavelet denoising SPA model[J]. Yellow River,2012,34(9):41-43.
[14] 趙克勤. 集對(duì)分析及其初步應(yīng)用[M]. 杭州:浙江科學(xué)技術(shù)出版社,2000:198.
ZHAO K Q. Set pair analysis and its preliminary application[M]. Hangzhou: Zhejiang Science and Technology Publishing House,2000:198.
[15] KUMAR P, FOUFOULA GEORGIOU E. A multicomponent decomposition of spatial rainfall fields: 2. self-similarity in fluctuations[J]. Water Resources Research,1993,29(8):2533-2544.
[16] 李艷,陳曉宏,張鵬飛. 北江流域徑流序列年內(nèi)分配特征及其趨勢(shì)分析[J]. 中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,46(5):113-116.
LI Y, CHEN X H, ZHANG P F. Research on annual distribution and its trend of runoff in Beijiang River, Guangdong[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis SunYatseni,2007,46(5):113-116.
[17] RASHID M M, BEECHAM S, CHOWDHURY R K. Assessment of trends in point rainfall using continuous wavelet transforms[J]. Advances in Water Resources,2015,82:1-15.
[18] TAN C, HUANG B, LIU K, et al. Using the wavelet transform to detect temporal variations in hydrological processes in the Pearl River, China[J]. Quaternary International,2017,440:52-63.
[19] KANG S, LIN H. Wavelet analysis of hydrological and water quality signals in an agricultural watershed[J]. Journal of Hydrology,2007,338(1/2):1-14.
[20] 崔磊,遲道才,曲霞. 基于小波消噪的平穩(wěn)時(shí)間序列分析方法在降雨量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電,2010(9):30-32,35.
CUI L, CHI D C, QU X. Application of Smooth and Steady Time Series Based on Wavelet Denoising in Precipitation Prediction[J]. China Rural Water and Hydropower,2010(9):30-32,35.
[21] 桑燕芳,王棟. 水文序列小波分析中小波函數(shù)選擇方法[J]. 水利學(xué)報(bào),2008,39(3):295-300.
SANG Y F, WANG D. Wavelet selection method in hydrologic series wavelet analysis[J]. Journal of Hydraulic Engineering,2008,39(3):295-300.
HydrologicaltimeseriesforecastingbasedonWD-RSPAmodel——AcasestudyofMakouStationandShenzhenStation
LIUZufa1,TANMingxin1,ZHAXini1,ZHUOWenshan1,ZHOUYueying2,CHENJichen1,YAOHanmei1
(1.Center for Water Resources and Environment ∥ Key Lab of Water Cycle and Water Security in Southern China of Guangdong Higher Education Institutes, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China;2.Xinhua College of Sun Yat-sen University, Guangzhou 510520, China)
The traditional hydrological time series prediction models cannot get good prediction accuracy and they generally do not consider the actual noise. A new kind of hydrological forecasting model (Wavelet De-noise and Rank Set Pair Analysis forecasting model, WD-RSPA forecasting model) was built based on wavelet de-noising and set pair analysis, and was applied to predict the annual runoff of Makou Station and the annual precipitation of Shenzhen Station. The results show that when the dimensionT=4, the prediction error of Makou Station with coif3-RSPA model is 11.97%; and whenT=6, the prediction error of Shenzhen Station with db5-RSPA model is 17.73%. Compared to the results predicted by AR(1) model and RSPA model, the results of WD-RSPA model are closer to the observed data, indicating that it is a practicable method to predict the hydrological time series.
hydrological time series; wavelet de-noise; rank set pair analysis; annual runoff forecasting; annual precipitation forecasting
TV124
A
0529-6579(2017)05-0119-09
10.13471/j.cnki.acta.snus.2017.05.016
2016-08-15
國(guó)家自然科學(xué)基金(51379223)
劉祖發(fā)(1961年生),男;研究方向水資源與環(huán)境研究;E-mail:eeslzf@mail.sysn.edu.cn
卓文珊(1977年生),女;研究方向:水資源與環(huán)境研究;E-mail:zadeozws@mail.sysu.edu.cn