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        黃河小浪底水情動態(tài)變化趨勢的組合模型分析

        2022-09-27 08:28:30陶雨澤武新乾趙瑩杜明慧
        河南科技 2022年17期
        關(guān)鍵詞:小浪底水情殘差

        陶雨澤武新乾趙 瑩杜明慧

        (1.河南科技大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,河南 洛陽 471023;2.河南《創(chuàng)新科技》雜志社,河南 鄭州 450003)

        0 引言

        黃河是華夏文明最主要的發(fā)源地,黃河流域在我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位,黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展問題已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略高度。然而,洪水風(fēng)險(xiǎn)依然是流域的最大威脅,流域生態(tài)環(huán)境脆弱、水資源保障形勢嚴(yán)峻[1]。因此,有關(guān)黃河水情的課題值得討論。

        近年來諸多學(xué)者對此展開研究,袁合才等[2]基于黃河年徑流量,運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法建立了黃河年徑流周期模型進(jìn)行預(yù)測;李雅娟[3]依據(jù)氣象資料構(gòu)建多元指數(shù)回歸模型,探討了氣象因子對黃河水情的影響;張金萍等[4]采用協(xié)整理論分析方法,對徑流量—降雨量—輸沙量的關(guān)系進(jìn)行了定量分析。

        為探尋黃河小浪底區(qū)域水情變化的動態(tài)特征,本研究基于小浪底月平均水流量數(shù)據(jù),構(gòu)建模型組合對其進(jìn)行分析及預(yù)測,為調(diào)水調(diào)沙、堤防工程建設(shè)、流域水資源節(jié)約集約利用等方面提供定量支撐與決策依據(jù),對黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展具有一定的借鑒意義與應(yīng)用價(jià)值。

        1 數(shù)據(jù)來源及處理

        本研究基于水利部黃河水利委員會2012年1月1日—2022年4月19日小浪底水文站的日流量監(jiān)測數(shù)據(jù),將其整理為月平均流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,具體如表1所示。

        基于表1中的數(shù)據(jù),利用R4.1.3軟件繪制小浪底近10年月平均流量時(shí)序圖如圖1所示,其季節(jié)性診斷圖如圖2所示。

        表1 2012年1月—2022年4月小浪底水文站月平均流量數(shù)據(jù)單位:m3/s

        圖1、圖2表明小浪底處近10年的月平均流量的變化情形具有一定的周期性,周期為12個(gè)月,年度內(nèi)6月至7月平均流量較大,12月至次年1月平均流量較小,第二、三季度流量大于第一、四季度,且年度差異較大。

        圖1 小浪底處近10年月平均流量

        圖2 季節(jié)性診斷圖

        2 模型的建立及預(yù)測

        2.1 模型建立

        基于ARIMA模型和ETS模型,利用R4.1.3軟件,首先考慮建立以下6種模型,如表2所示,其中3號、5號模型分別是引入MSTL算法的ARIMA模型、ETS模型,6號模型是一種帶有Box-Cox變換、ARIMA誤差、趨勢和季節(jié)分量的指數(shù)平滑狀態(tài)空間模型[5]。

        表2 6種模型建立情況

        2.2 效果與評價(jià)

        表2中6種模型的擬合情況如圖3所示。

        圖3 6種模型擬合效果圖

        正態(tài)性檢驗(yàn)表明,6種模型殘差均具備正態(tài)性,進(jìn)一步使用Ljung-Box Q檢驗(yàn),結(jié)果表明:6種模型的殘差之間不存在相關(guān)性,殘差均為白噪聲序列。

        表3給出了這6種模型的評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)。以均方根誤差RMSE為評價(jià)指標(biāo),由表3可知,MSTL+ETS(A,N,N)模型表現(xiàn)最好,ETS(M,Ad,M)模型表現(xiàn)最差。

        表3 6種模型的評價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

        2.3 Combination組合模型

        在很多情況下,只需對不同預(yù)測方法的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行簡單平均就可以顯著提高預(yù)測精度[6]。不考慮ETS( )

        M,Ad,M模型,對其他5種模型做簡單平均處理,建立基于簡單平均的組合模型Combination,對其進(jìn)行擬合與評估,結(jié)果如圖4、表4所示。結(jié)果表明:Combination模型效果最優(yōu)。

        表4 含Combination的6種模型RMSE

        圖4 含Combination的6種模型擬合效果圖

        2.4 模型預(yù)測

        利用含Combination的6種模型,對小浪底處未來2年的月平均流量進(jìn)行預(yù)測,預(yù)測結(jié)果見圖5和表5。

        表5 小浪底處未來兩年月平均流量預(yù)測值——基于Combination模型

        圖5 含Combination的6種模型預(yù)測圖

        3 結(jié)論與建議

        小浪底處近十年的平均流量為1 037.2 m3/s,2019年7月出現(xiàn)最大值3 242.9 m3/s,2014年9月出現(xiàn)最小值225.9 m3/s。根據(jù)小浪底水庫年度運(yùn)用的3個(gè)階段[7],結(jié)合上述分析可知,該區(qū)域水流量在每年6月至7月的調(diào)水調(diào)沙期間會達(dá)到最大值,在12月至次年1月達(dá)到最小值,第二、三季度流量大于第一、四季度,且年度差異較大。

        對黃河小浪底水情變化建立的最佳模型為Combination模型,預(yù)測結(jié)果表明,未來兩年內(nèi),6、7月份小浪底處月平均流量水平較高,易出現(xiàn)嚴(yán)重險(xiǎn)情;12月及次年1月小浪底處月平均流量水平較低,易出現(xiàn)水資源短缺情況。建議有關(guān)部門做好防范應(yīng)對工作。

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