基于DTW算法的窟野河流域水文情势相似度研究

李舒 李宁波 齐青松 白乐 姚曼飞 刘兵兵

摘 要：为了明晰不同人类活动对流域水文情势的影响效果，基于窟野河径流控制站温家川水文站1954—2016年的日径流数据，采用动态时间弯曲（Dynamic Time Warping，DTW）算法分析了不同人类活动影响期的水文情势相似度。结果表明：①水土保持措施和煤矿开采均大幅减小了窟野河的径流量，其中煤矿开采的采空区储存水量减水效应大于水土保持措施涵养水源的作用;②人类活动弱干扰时期（第一时期）、水土保持时期（第二时期）和煤矿开采时期（第三时期）两两之间的DTW距离分别为0.13（第一、二时期）、0.19（第一、三时期）和0.17（第二、三时期），说明水土保持措施和煤矿开采对流域水文情势的影响效果较为相似;③煤矿开采对非汛期流量、基流的影响历时、最大流量出现时间、大/小流量出现次数的影响均比水土保持措施明显。

关键词：水文情势;DTW算法;相似度;水土保持;窟野河

中图分类号：P333 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.009

引用格式：李舒，李宁波，齐青松，等.基于DTW算法的窟野河流域水文情势相似度研究[J].人民黄河，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

黃河流域生态保护和高质量发展要求流域经济发展要以水而定、量水而行，突出水资源的最大刚性约束作用[1]。为了满足该要求，首先要对流域水文情势有全面准确的认识，科学预测流域水文情势的变化情况，从而确定流域发展的水资源刚性约束红线。本文以黄河中游能源、工业集聚地的窟野河流域为研究对象，该流域是煤炭能源开发区，同时又是水保措施的重要实施区域，既需要达到生态保护的目标同时又要保证经济的高质量发展，在经济和生态保护中水资源的供需矛盾更加突出[2]，水资源刚性约束在该流域显得尤为重要。为了分析窟野河流域水文情势的变化情况，本文采用水文变化指标（Indicators of Hydrologic Alteration，IHA）评价方法，结合动态时间弯曲（Dynamic Time Warping，DTW）算法，计算窟野河流域不同人类活动影响期的水文情势相似度。IHA评价方法是Richter等[3]为评价河流对生态的影响于1996年提出的，该方法从流量特征、时间分布、频率特征、延时情况以及变化率等5个方面提出了能够代表河流水文特征的33个指标。众多学者利用IHA评价方法结合河流生态功能变化程度的变化范围法（Range of Variability Approach，RVA）[4-6]分析了不同河流的水文情势变化，例如王鸿翔等[7-8]利用该方法对资水和四水流域的水文情势进行了评估，研究发现资水流域水文情势变化度为22%，而四水流域的4个水文站水文情势变化度分别为36%、22%、35%和42%。DTW算法主要应用在数据分析、数据挖掘及分类、间歇过程监测和空气质量模型研究等领域[9]，近些年在农业和水文水资源方面也开展了一些应用研究，例如：邱鹏勋等[10]利用决策树分类方法和DTW方法对新疆焉耆盆地农作物进行了分类，发现DTW算法的分类精度较高、结果可靠、具有较强的灵活性和适用性;顾群等[11]利用DTW算法计算了灌溉蓄水池的容量，为蓄水池的设计提供了新的方法;任继周等[12]对云南昭通地区场次洪水相似性开展了研究，结果表明DTW算法可以有效寻找出不同场次洪水中相似性最高的组合。

笔者将IHA评价方法与DTW算法相结合（记为IHA-DTW方法），分析窟野河流域受水保措施和煤矿开采双重影响下的水文情势相似度变化。

1 研究区概况

窟野河流域位于内蒙古自治区与陕西省交界处，流域面积8 706 km2，其主要支流有西北方的乌兰木伦河和东北方的牛川，二者在店塔镇汇合。流域多年平均降水量413.4 mm，多年平均水面蒸发量1 788.4 mm，属典型的干旱半干旱区，入黄控制水文站温家川的多年平均径流量为5.21亿m3[13]。流域内的矿区主要分布于乌兰木伦河和窟野河干流两侧。流域水文站及矿区分布见图1。

2 资料与方法

2.1 数据资料及处理

选择窟野河入黄控制站温家川水文站1954—2016年63 a的逐日径流资料进行研究。窟野河径流量受水保措施和煤矿开采双重影响，为了识别两种不同的人类活动对窟野河水文情势的影响并分析其相似度，采用笔者[14]利用MannKendall-Pettitt突变点检测方法识别出的窟野河径流量突变点（1978年和1997年），将1954—2016年划分为1954—1978年（人类活动弱干扰时期，第一时期）、1979—1997年（水土保持时期，第二时期）和1998—2016年（煤矿开采时期，第三时期）3个时期进行分析。

2.2 研究方法

采用IHA-DTW方法分析水土保持时期和煤矿开采时期水文情势相似度。首先利用IHA方法计算表征水文情势的33个指标值[4]，其次采用DTW算法计算3个时期两两之间的DTW距离，通过33个指标值的DTW距离变化情况，说明不同人类活动干扰对窟野河水文情势相似度的影响情况。

满足约束条件的规整路径有多条，但是我们需要最短累计距离的路径：

3 计算结果与分析

3.1 不同时期水文情势指标分析

运用IHA法分别计算人类活动弱干扰、水土保持和煤矿开采3个时期的水文情势指标，结果见表1。

从表1可知：①和第一时期相比，温家川水文站第二、三时期月平均流量均有不同程度的减小，其中第二时期3月和7—9月的流量比第一时期明显减小，减小了6.55～7.80 m3/s（平均减幅为34%），第三时期3月和7—9月的流量也比第一时期明顯减小，减小了11.19～20.30 m3/s（平均减幅为67%），说明煤矿开采比水保措施导致流量减小的幅度更大。②第二、三时期和第一时期相比，年最小流量和年最大流量均有不同程度的减小，说明水保措施涵养水源和煤矿开采形成的采空区共同袭夺了河川基流。③第二、三时期和第一时期相比，年最小流量和年最大流量出现天数变化不大，但小流量发生次数和历时均有所增加，而大流量发生次数和历时均有所减少，说明水保措施和煤矿开采形成的采空区起到了削减洪峰的作用。④第二、三时期和第一时期相比，流量平均上升率下降，流量平均下降率上升，流量逆转次数均有所减少，说明流量总体呈减小趋势。

3.2 不同时期的水文情势相似度分析

运用DTW算法分别计算3个时期两两之间的水文情势指标的DTW距离，结果见表2。

由表2可知：①水土保持时期和人类活动弱干扰时期的平均DTW距离为0.13，其中第1组的9月平均流量、第2组的年均7 d最小流量、第4组的大流量历时和第5组的流量平均下降率4个指标分别是各组内DTW距离最大（相似度最小）的，说明水土保持措施对9月平均流量、年均7 d最小流量、大流量历时的减少效果最为明显;②煤矿开采时期和人类活动弱干扰时期的平均DTW距离为0.19，其中第1组的3月平均流量、第2组的年均90 d最小流量、第3组的年最小流量出现天数、第4组的大流量发生次数和第5组的流量平均上升率5个指标分别是各组内DTW距离最大（相似度最小）的，说明煤矿开采对以上指标的减小（滞后）效果最为明显;③水土保持时期和煤矿开采时期的平均DTW距离为0.17，其中第1组的3月和11月平均流量、第2组的年均1 d和3 d最小流量、第3组的年最大流量出现天数、第4组的大/小流量发生次数和第5组的流量平均上升率8个指标分别是各组内DTW距离最大（相似度最小）的，说明煤矿开采比水土保持措施对以上指标的减小（滞后）效果更加明显。

4 结 论

（1）水土保持措施和煤矿开采均大幅度减少窟野河径流量，煤矿开采的减水幅度（67%）大于水土保持措施的减水幅度（34%）。

（2）水土保持措施对9月流量、年均7 d最小流量和大流量历时的减少效果较明显，说明水土保持措施涵养水源的效果较显著;煤矿开采对流域3月流量、年均90 d最小流量、年最小流量出现天数、大流量发生次数和流量平均上升率的减小（滞后）效果较明显，说明煤矿开采采空区的减水效果较显著。

（3）水土保持时期和煤矿开采时期的DTW距离为0.17，两时期对流域水文情势的影响效果较为相似。煤矿开采对非汛期流量的减少、基流的影响历时、最大流量出现天数的滞后、大/小流量发生次数的减少和减水效应均比水土保持措施明显。

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【责任编辑 张华兴】