【摘要】：水沙是河流系統(tǒng)的基本要素和動力因子,其非平穩(wěn)的時間序列過程常表現(xiàn)為復(fù)雜且變化的非線性過程,在一定時間尺度下具有復(fù)雜系統(tǒng)的自相似等特征。黃河以水少沙多、含沙量高而著稱,而萬家寨水利樞紐作為黃河中游梯級開發(fā)規(guī)劃的第一級,研究其水沙特性及變化特征是水庫水沙調(diào)度的有效參考途徑�；诖�,本文以萬家寨水庫入庫水沙特征及適應(yīng)性調(diào)度策略為主要研究內(nèi)容,分別開展萬家寨水庫入庫水沙過程特征變化、水沙序列分形特征以及二者之間的互相關(guān)特性研究并基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立萬家寨入庫水沙預(yù)測模型。本文的主要研究工作和成果包括:(1)采用變化范圍法(RVA法)對龍羊峽、劉家峽水庫運(yùn)行前后黃河頭道拐水文站日均徑流量和含沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,量化評價水沙變化程度。在定量分析的成果上,結(jié)合Copula函數(shù),進(jìn)一步探討了水庫運(yùn)行前后月水沙豐枯遭遇和同步頻率的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明龍劉水庫運(yùn)行后,頭道拐水文站徑流量和含沙量減少,二者整體均發(fā)生中度改變,徑流量整體改變度高于含沙量整體改變度;汛期內(nèi)和極大值情況下水沙受影響程度較高;月水沙同步頻率增加,非暢流期同步率變化顯著,暢流期內(nèi)同步頻率大于異步頻率。(2)基于黃河頭道拐站日徑流量和日含沙量資料,應(yīng)用多重分形去趨勢波動分析法(MF-DFA)和多重分形互相關(guān)分析法(MF-DXA)研究該水文站水沙序列的多重分形特征和互相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果表明:水、沙序列均具有多重分形特征,含沙量的多重分形特征更加明顯。該特征由序列本身的概率分布和長程相關(guān)共同引起。水沙序列在100天范圍內(nèi)高度長程相關(guān),大于100天后長程相關(guān)性減弱。1986年突變過程對頭道拐站水沙序列的多重分形特征在大、小波動下產(chǎn)生了不同的影響。多重分形譜反映徑流量和含沙量序列中小波動的影響占優(yōu)勢且含沙量序列均勻性更差。另一方面,徑流量和含沙量序列之間存在長程互相關(guān)性,其相關(guān)關(guān)系具有明顯的多重分形特征。(3)在萬家寨入庫水沙序列的變化特征和自相關(guān)特性研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,建立基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的暢流期水沙預(yù)測模型,分析結(jié)果表明水沙序列在短期內(nèi)存在高度的自相關(guān)性,其時間范圍分別為7天和4天;同時也證明含沙量序列的波動程度更大、序列演變過程更不平穩(wěn)。以水沙互相關(guān)性為理論基礎(chǔ),在二者最優(yōu)時間范圍內(nèi)將歷史數(shù)據(jù)作為輸入對預(yù)測模型進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果表明4天內(nèi)的水沙互相關(guān)程度最高,作為輸入能夠得到精度最高的預(yù)測結(jié)果,有效提高了模型的可信度。水庫管理者可根據(jù)分析得出的水沙變化規(guī)律,針對性采取諸如桃汛期抬高庫水位、汛期增加洪水脈沖等調(diào)度策略,在不增加淤積的前提下提高水庫的綜合效益。同時在預(yù)測模型基礎(chǔ)上,結(jié)合暢流期內(nèi)不同月份日均水沙關(guān)系和庫水位-流量-淤積關(guān)系,提出了考慮水庫綜合效益、防止淤積和有利下游魚類繁衍的相應(yīng)調(diào)度策略。
【圖文】：

1.3.1 研究對象研究對象為黃河中游流域萬家寨水庫，其入庫水文站為頭道拐水文站。該水文站也是黃河上游出口站和中游入口站，如圖 1-1 所示。研究數(shù)據(jù)即為該水文站1962-2010 年 49 年內(nèi)的日徑流量和日含沙量歷史數(shù)據(jù)。萬家寨水利樞紐是黃河中游梯級開發(fā)規(guī)劃的第一級，位于黃河北干流上段托克托至龍口峽谷河段內(nèi)。萬家寨水利工程的主要任務(wù)是供水結(jié)合發(fā)電調(diào)峰，同時兼有防洪和防凌的作用。水庫最高蓄水位 980.00m，正常蓄水位 977.00m，總?cè)輲?8.96 億 m3，調(diào)節(jié)庫容 4.45 億 m3。半整體式混凝土重力壩壩頂高程 982.00m，壩頂長 443.00m，最大壩高 105.00m。萬家寨水庫入庫的水、沙來源各自不同：徑流量主要來自于黃河上游蘭州以上的地區(qū)，泥沙則主要來自蘭州-頭道拐支流。隨著氣候變化以及 1986 年劉家峽和龍羊峽兩座大型水利樞紐的聯(lián)合運(yùn)行，黃河上游的水、沙量年際分配被改變，對萬家寨水庫的來水來沙條件產(chǎn)生了顯著的影響(圖 1-2)。

性又可分為單標(biāo)度和多標(biāo)度。為形象且直觀地理解分形的定義和幾種經(jīng)典分形圖形。)Cantor 集antor 集由德國數(shù)學(xué)家 Cantor 于 1883 年提出，被稱作為一種特殊集早期分形結(jié)構(gòu)中最重的結(jié)構(gòu)，雖然她不可能像其他分形結(jié)構(gòu)一樣可到，并且很難在自然界中找到和它性質(zhì)相似的結(jié)構(gòu)�，F(xiàn)在 Canto分支學(xué)科中也扮演著重要的角色�；镜� Cantor 集是在一個單位區(qū)限點(diǎn)集，其構(gòu)造如圖 3-1 所示。把區(qū)間[0,1]分成 3 個部分，取走中分即(1/3,2/3)，但是要保留點(diǎn) 1/3 和 2/3。這一步之后剩下兩個長度間即[0,1/3]和[2/3,1]。重復(fù)這一步驟，把剩下的區(qū)間[0,1/3]和[2/3,1 個部分，并且繼續(xù)取走中間的開區(qū)間部分。這一步之后產(chǎn)生 4 個長區(qū)間。不停重復(fù)以上步驟，也就是說在這個反饋?zhàn)饔孟律梢粋�區(qū)一步之后只有 2 個區(qū)間，第二步后變?yōu)?4 個區(qū)間，，第三步后變?yōu)?第 n 步后變?yōu)?2n個區(qū)間，每個區(qū)間的長度為 1/3n。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TV697;TV145

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2697729