基于DTW算法的窟野河流域水文情勢相似度研究

李舒 李寧波 齊青松 白樂 姚曼飛 劉兵兵

摘 要：為了明晰不同人類活動對流域水文情勢的影響效果，基于窟野河徑流控制站溫家川水文站1954—2016年的日徑流數據，采用動態(tài)時間彎曲（Dynamic Time Warping，DTW）算法分析了不同人類活動影響期的水文情勢相似度。結果表明：①水土保持措施和煤礦開采均大幅減小了窟野河的徑流量，其中煤礦開采的采空區(qū)儲存水量減水效應大于水土保持措施涵養(yǎng)水源的作用;②人類活動弱干擾時期（第一時期）、水土保持時期（第二時期）和煤礦開采時期（第三時期）兩兩之間的DTW距離分別為0.13（第一、二時期）、0.19（第一、三時期）和0.17（第二、三時期），說明水土保持措施和煤礦開采對流域水文情勢的影響效果較為相似;③煤礦開采對非汛期流量、基流的影響歷時、最大流量出現(xiàn)時間、大/小流量出現(xiàn)次數的影響均比水土保持措施明顯。

關鍵詞：水文情勢;DTW算法;相似度;水土保持;窟野河

中圖分類號：P333 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.009

引用格式：李舒，李寧波，齊青松，等.基于DTW算法的窟野河流域水文情勢相似度研究[J].人民黃河，2021，43（4）：50-53，116.

Abstract： In order to clarify the effects of different human activities on hydrological regime， this paper analyzed the hydrological regime similarity in different anthropogenic influence phases by using Dynamic Time Warping （DTW）， based on the daily runoff from 1954 to 2016 in Wenjiachuan Hydrologic Station. The results show that： a） both soil and water conservation and coal mining have made a considerable reduction of the river runoff. The effect of water stored by coal mining goaf is larger than that by soil and water conservation; b） the DTW distance during weak anthropogenic influence （stage Ⅰ）， soil and water conservation （stage Ⅱ） and coal mining （stage Ⅲ） is 0.13 between the stage Ⅰ and Ⅱ， 0.19 between the stage Ⅰand Ⅲ， and 0.17 between the stage Ⅱ and Ⅲ respectively; c） and the effect of coal mining is more obvious than that of soil and water conservation in the runoff of non-flood season， effective duration of base flow， the occurrence time of maximum runoff and high or low flow pulse time.

Key words： hydrological regime; DTW method; similarity; soil and water conservation; Kuye River

黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展要求流域經濟發(fā)展要以水而定、量水而行，突出水資源的最大剛性約束作用[1]。為了滿足該要求，首先要對流域水文情勢有全面準確的認識，科學預測流域水文情勢的變化情況，從而確定流域發(fā)展的水資源剛性約束紅線。本文以黃河中游能源、工業(yè)集聚地的窟野河流域為研究對象，該流域是煤炭能源開發(fā)區(qū)，同時又是水保措施的重要實施區(qū)域，既需要達到生態(tài)保護的目標同時又要保證經濟的高質量發(fā)展，在經濟和生態(tài)保護中水資源的供需矛盾更加突出[2]，水資源剛性約束在該流域顯得尤為重要。為了分析窟野河流域水文情勢的變化情況，本文采用水文變化指標（Indicators of Hydrologic Alteration，IHA）評價方法，結合動態(tài)時間彎曲（Dynamic Time Warping，DTW）算法，計算窟野河流域不同人類活動影響期的水文情勢相似度。IHA評價方法是Richter等[3]為評價河流對生態(tài)的影響于1996年提出的，該方法從流量特征、時間分布、頻率特征、延時情況以及變化率等5個方面提出了能夠代表河流水文特征的33個指標。眾多學者利用IHA評價方法結合河流生態(tài)功能變化程度的變化范圍法（Range of Variability Approach，RVA）[4-6]分析了不同河流的水文情勢變化，例如王鴻翔等[7-8]利用該方法對資水和四水流域的水文情勢進行了評估，研究發(fā)現(xiàn)資水流域水文情勢變化度為22%，而四水流域的4個水文站水文情勢變化度分別為36%、22%、35%和42%。DTW算法主要應用在數據分析、數據挖掘及分類、間歇過程監(jiān)測和空氣質量模型研究等領域[9]，近些年在農業(yè)和水文水資源方面也開展了一些應用研究，例如：邱鵬勛等[10]利用決策樹分類方法和DTW方法對新疆焉耆盆地農作物進行了分類，發(fā)現(xiàn)DTW算法的分類精度較高、結果可靠、具有較強的靈活性和適用性;顧群等[11]利用DTW算法計算了灌溉蓄水池的容量，為蓄水池的設計提供了新的方法;任繼周等[12]對云南昭通地區(qū)場次洪水相似性開展了研究，結果表明DTW算法可以有效尋找出不同場次洪水中相似性最高的組合。

筆者將IHA評價方法與DTW算法相結合（記為IHA-DTW方法），分析窟野河流域受水保措施和煤礦開采雙重影響下的水文情勢相似度變化。

1 研究區(qū)概況

窟野河流域位于內蒙古自治區(qū)與陜西省交界處，流域面積8 706 km2，其主要支流有西北方的烏蘭木倫河和東北方的牛川，二者在店塔鎮(zhèn)匯合。流域多年平均降水量413.4 mm，多年平均水面蒸發(fā)量1 788.4 mm，屬典型的干旱半干旱區(qū)，入黃控制水文站溫家川的多年平均徑流量為5.21億m3[13]。流域內的礦區(qū)主要分布于烏蘭木倫河和窟野河干流兩側。流域水文站及礦區(qū)分布見圖1。

2 資料與方法

2.1 數據資料及處理

選擇窟野河入黃控制站溫家川水文站1954—2016年63 a的逐日徑流資料進行研究?？咭昂訌搅髁渴芩４胧┖兔旱V開采雙重影響，為了識別兩種不同的人類活動對窟野河水文情勢的影響并分析其相似度，采用筆者[14]利用MannKendall-Pettitt突變點檢測方法識別出的窟野河徑流量突變點（1978年和1997年），將1954—2016年劃分為1954—1978年（人類活動弱干擾時期，第一時期）、1979—1997年（水土保持時期，第二時期）和1998—2016年（煤礦開采時期，第三時期）3個時期進行分析。

2.2 研究方法

采用IHA-DTW方法分析水土保持時期和煤礦開采時期水文情勢相似度。首先利用IHA方法計算表征水文情勢的33個指標值[4]，其次采用DTW算法計算3個時期兩兩之間的DTW距離，通過33個指標值的DTW距離變化情況，說明不同人類活動干擾對窟野河水文情勢相似度的影響情況。

滿足約束條件的規(guī)整路徑有多條，但是我們需要最短累計距離的路徑：

3 計算結果與分析

3.1 不同時期水文情勢指標分析

運用IHA法分別計算人類活動弱干擾、水土保持和煤礦開采3個時期的水文情勢指標，結果見表1。

從表1可知：①和第一時期相比，溫家川水文站第二、三時期月平均流量均有不同程度的減小，其中第二時期3月和7—9月的流量比第一時期明顯減小，減小了6.55～7.80 m3/s（平均減幅為34%），第三時期3月和7—9月的流量也比第一時期明顯減小，減小了11.19～20.30 m3/s（平均減幅為67%），說明煤礦開采比水保措施導致流量減小的幅度更大。②第二、三時期和第一時期相比，年最小流量和年最大流量均有不同程度的減小，說明水保措施涵養(yǎng)水源和煤礦開采形成的采空區(qū)共同襲奪了河川基流。③第二、三時期和第一時期相比，年最小流量和年最大流量出現(xiàn)天數變化不大，但小流量發(fā)生次數和歷時均有所增加，而大流量發(fā)生次數和歷時均有所減少，說明水保措施和煤礦開采形成的采空區(qū)起到了削減洪峰的作用。④第二、三時期和第一時期相比，流量平均上升率下降，流量平均下降率上升，流量逆轉次數均有所減少，說明流量總體呈減小趨勢。

3.2 不同時期的水文情勢相似度分析

運用DTW算法分別計算3個時期兩兩之間的水文情勢指標的DTW距離，結果見表2。

由表2可知：①水土保持時期和人類活動弱干擾時期的平均DTW距離為0.13，其中第1組的9月平均流量、第2組的年均7 d最小流量、第4組的大流量歷時和第5組的流量平均下降率4個指標分別是各組內DTW距離最大（相似度最?。┑模f明水土保持措施對9月平均流量、年均7 d最小流量、大流量歷時的減少效果最為明顯;②煤礦開采時期和人類活動弱干擾時期的平均DTW距離為0.19，其中第1組的3月平均流量、第2組的年均90 d最小流量、第3組的年最小流量出現(xiàn)天數、第4組的大流量發(fā)生次數和第5組的流量平均上升率5個指標分別是各組內DTW距離最大（相似度最?。┑?，說明煤礦開采對以上指標的減?。螅┬Ч顬槊黠@;③水土保持時期和煤礦開采時期的平均DTW距離為0.17，其中第1組的3月和11月平均流量、第2組的年均1 d和3 d最小流量、第3組的年最大流量出現(xiàn)天數、第4組的大/小流量發(fā)生次數和第5組的流量平均上升率8個指標分別是各組內DTW距離最大（相似度最?。┑?，說明煤礦開采比水土保持措施對以上指標的減小（滯后）效果更加明顯。

4 結 論

（1）水土保持措施和煤礦開采均大幅度減少窟野河徑流量，煤礦開采的減水幅度（67%）大于水土保持措施的減水幅度（34%）。

（2）水土保持措施對9月流量、年均7 d最小流量和大流量歷時的減少效果較明顯，說明水土保持措施涵養(yǎng)水源的效果較顯著;煤礦開采對流域3月流量、年均90 d最小流量、年最小流量出現(xiàn)天數、大流量發(fā)生次數和流量平均上升率的減?。螅┬Ч^明顯，說明煤礦開采采空區(qū)的減水效果較顯著。

（3）水土保持時期和煤礦開采時期的DTW距離為0.17，兩時期對流域水文情勢的影響效果較為相似。煤礦開采對非汛期流量的減少、基流的影響歷時、最大流量出現(xiàn)天數的滯后、大/小流量發(fā)生次數的減少和減水效應均比水土保持措施明顯。

參考文獻：

[1] 徐宗學，李文家，韓宇平，等.黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展專家談[J].人民黃河，2019，41（11）：165-171.

[2] 王雙明.對我國煤炭主體能源地位與綠色開采的思考[J].中國煤炭，2020，46（2）：11-16.

[3] RICHTER B D， BAUMGARTNER J V， POWELL J， et al. A Method for Assessing Hydrologic Alteration Within Ecosystems[J]. Conservation Biology，1996，10（4）：1163-1174.

[4] RICHTER B， BAUMGARTNER J， WIGINGTON R， et al. How Much Water Does a River Need[J]. Freshwater Biology，1997，37（1）：231-249.

[5] 周毅，崔同，鄭鑫，等.基于IHA的黃河源區(qū)水文情勢及環(huán)境流變化[J].人民黃河，2017，39（7）：61-64.

[6] 史衛(wèi)東.考慮IHA指標周期性的水文情勢評估方法[J].人民黃河，2019，41（9）：46-49.

[7] 王鴻翔，趙穎異，卓志宇，等.基于IHA-RVA法的資水流域水文情勢評估[J].華北水利水電大學學報（自然科學版），2019，40（2）：16-21，51.

[8] 王鴻翔，查胡飛，卓志宇，等.基于IHA-RVA法四水流域水文情勢變化評估[J].中國水利水電科學研究院學報，2019，17（3）：169-177.

[9] WOO H， BOCCELLI D L， UBER J G， et al. Dynamic Time Warping for Quantitative Analysis of Tracer Study Time-Series Water Quality Data[J]. Journal of Water Resources Planning and Management，2019，145（12）：04019052.

[10] 邱鵬勛，汪小欽，茶明星，等.基于TWDTW的時間序列GF-1 WFV農作物分類[J].中國農業(yè)科學，2019，52（17）：2951-2961.

[11] 顧群，郝曉弘，巨圓圓，等.基于DTW-ILC算法的農業(yè)灌溉用水量調控方法[J].農業(yè)機械學報，2013，44（11）：117-120.

[12] 任繼周，彭德才，喬偉基，等.基于DTW算法的云南昭通地區(qū)場次洪水相似性研究[J].水利水電快報，2017，38（8）：35-38.

[13] 高文永，高亞軍，徐建華.采礦塌陷對窟野河流域水沙的影響[J].人民黃河，2017，39（11）：76-80.

[14] 李舒，呂志方.窟野河徑流突變點分析[J].人民黃河，2015，37（1）：27-29，33.

【責任編輯 張華興】