本文關(guān)鍵詞：哈爾濱市水文要素復(fù)雜性測度與預(yù)測研究

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【摘要】：哈爾濱市是國家重點老工業(yè)基地城市、東北地區(qū)重要中心城市和黑龍江省的“龍頭”,在東北老工業(yè)基地振興戰(zhàn)略中,處于重要的戰(zhàn)略支撐地位。近年來,隨著哈爾濱工業(yè)化、城市化進程加快,城市水文系統(tǒng)發(fā)生了明顯變化,誘發(fā)了地下水超采、地表水水質(zhì)惡化、地面沉降等一系列相關(guān)水資源問題。因此,對哈爾濱市水文要素復(fù)雜性進行深入研究,揭示哈爾濱市各區(qū)域水文要素時空變化規(guī)律,分析水文要素發(fā)展,進而實現(xiàn)哈爾濱市水資源合理、科學(xué)優(yōu)化配置,水文預(yù)報科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn),相關(guān)部門決策更加穩(wěn)健高效等具有重大的理論及現(xiàn)實意義。傳統(tǒng)的多重分形消除波動分析方法(Multifractal Detrended Fluctuation Analysis,MF-DFA)在進行廣義Hurst指數(shù)擬合過程中使用多項式擬合,并逐步嘗試從而選取適合的階數(shù)。過程較為繁瑣且僅能擬合多項式趨勢。本文運用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)方法對MF-DFA方法進行優(yōu)化,提高MF-DFA方法效率與性能。本文運用改進后的多重分形譜分析法(Multifractal Spectra Empirical Mode Decomposition Detrended Fluctuation Analysis,MFS-EMD-DFA)測度哈爾濱市11個轄區(qū)的降水、地下水埋深和蒸發(fā)量的復(fù)雜性時空變化規(guī)律。水文序列常含有多種噪聲,在以往的水文序列復(fù)雜性測度方法的選擇上,對于測度方法抗噪性能的分析常被忽略。本文通過分析MFS-EMD-DFA方法與符號動力學(xué)(LZC)和近似熵(Ap En)等傳統(tǒng)復(fù)雜性測度方法對抗白噪聲和有色噪聲的魯棒性,得出LZC和Ap En量測度方法在對抗白噪聲上都具有一定的魯棒性,但是對抗有色噪聲上則容易出現(xiàn)崩潰現(xiàn)象。測試結(jié)果顯示:MFS-EMD-DFA方法在對抗噪聲更具魯棒性。MFS-EMD-DFA方法是一種改進的多重分形測度序列復(fù)雜性程度方法,MFS-EMD-DFA方法促進了多重分形研究,并對序列復(fù)雜性測度提供了一種新的思路。在哈爾濱市水文要素復(fù)雜性時空規(guī)律的基礎(chǔ)上,建立復(fù)雜性視角下的哈爾濱市水文要素預(yù)測模型,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型和ARIMA時間序列預(yù)測模型。并通過對兩個經(jīng)典預(yù)測模型的擬合和試報效果進行對比分析。兩模型的擬合、試報效果均表現(xiàn)較好。通過對比試報過程的平均絕對誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)結(jié)果,最終雙城和木蘭降水序列,雙城和木蘭地下水埋深序列以及五常的蒸發(fā)量序列選擇預(yù)測模型為BP模型,市區(qū)的蒸發(fā)量序列選擇ARIMA模型。分別運用對應(yīng)的模型預(yù)測長度為60的水文要素未來序列。復(fù)雜性隨時間的變化情況可以反映之前時間段的相關(guān)決策對該水文要素的影響,為進一步實現(xiàn)哈爾濱水資源優(yōu)化配置,水文環(huán)境監(jiān)控與治理提供堅實基礎(chǔ),同時也為其它相關(guān)部門決策提供科學(xué)依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：哈爾濱 水文要素 復(fù)雜性 多重分形 預(yù)測
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TV213.4
【目錄】：

• 摘要8-9
• 英文摘要9-11
• 1 緒論11-18
• 1.1 立題依據(jù)11
• 1.2 研究的目的與意義11-12
• 1.3 國內(nèi)外研究進展12-16
• 1.3.1 復(fù)雜性科學(xué)研究進展12-13
• 1.3.2 多重分形的研究進展13-15
• 1.3.3 水文預(yù)測研究進展15-16
• 1.4 研究中存在的問題16
• 1.5 研究內(nèi)容16
• 1.6 技術(shù)路線16-18
• 2 哈爾濱市水文要素復(fù)雜性多重分形測度18-38
• 2.1 研究區(qū)域18
• 2.2 多重分形方法簡介18-20
• 2.2.1 EMD方法18
• 2.2.2 EMD-DFA18-19
• 2.2.3 多重分形譜19-20
• 2.3 哈爾濱市降水多重分形測度20-25
• 2.4 哈爾濱市地下水埋深多重分形測度25-31
• 2.5 哈爾濱市蒸發(fā)量多重分形測度31-37
• 2.6 本章小結(jié)37-38
• 3 復(fù)雜性測度方法對比38-45
• 3.1 Lempel-Ziv復(fù)雜性測度法38-39
• 3.2 近似熵39
• 3.3 復(fù)雜性測度方法抗噪性能對比39-44
• 3.4 本章小結(jié)44-45
• 4 哈爾濱市水文要素序列復(fù)雜性時間變化規(guī)律45-53
• 4.1 降水序列復(fù)雜性變化特征45-48
• 4.2 地下水埋深復(fù)雜性變化特征48-50
• 4.3 蒸發(fā)量序列復(fù)雜性變化特征50-52
• 4.4 本章小結(jié)52-53
• 5 哈爾濱市水文要素發(fā)展態(tài)勢研究53-66
• 5.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型簡介53
• 5.2 ARIMA預(yù)測模型簡介53-54
• 5.3 哈爾濱市水文要素試預(yù)報檢驗54-63
• 5.3.1 哈爾濱市復(fù)雜降水序列變化特征54-57
• 5.3.2 哈爾濱市復(fù)雜地下水埋深序列變化特征57-60
• 5.3.3 哈爾濱市復(fù)雜蒸發(fā)量序列變化特征60-62
• 5.3.4 水文要素預(yù)測模型分析與選擇62-63
• 5.4 復(fù)雜性視角下的哈爾濱市部分區(qū)域水文要素變化特征63-65
• 5.5 本章小結(jié)65-66
• 6 結(jié)論與展望66-68
• 6.1 結(jié)論66-67
• 6.2 展望67-68
• 致謝68-69
• 參考文獻69-74
• 攻讀碩士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文74

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本文編號：805142