水资源系统动力学特征研究现状及进展

'Vo1．32，No．6第32卷第6期人民黄河2010年6月YELLOWRIVERJun．，2010【水资源】水资源系统动力学特征研究现状及进展陈南祥，李跃鹏，张海丰(1．华北水利水电学院资源与环境学院，河南郑州450011；2．黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州450003)摘要：讨论了水资源系统动力学的概念，介绍了国内外对水资源系统动力学特征的研究现状，分析了水资源系统动力学的研究进展，并探讨了其发展趋势。指出目前水资源系统动力学研究中许多研究方法和数学模型的应用条件，以及混沌时间序列的基本理论和特征需要进一步探索，应用的范围有待进一步拓展等。关键词：水资源系统；动力学特征；研究现状；研究趋势中图分类号：TV213文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1000—1379．2010．06．020领域，均得到了广泛应用J。林振山用混沌科学和相空间重构1水资源系统动力学理论系统地研究了长期天气预报问题，并从动力学角度出发，以非线性动力学系统两个重要的特征物理量——分维数和水资源系统是由水资源自然分系统和人工分系统合成的Lyapunov指数为指标来区划中国气候等；郝海等在石油价格复杂系统。水资源系统的复杂性和水资源资料信息的严重不动力学系统、股市趋势、投资和资本市场等方面，做了许多开创足]，在一定程度上限制了水资源科学理论的发展。从系统理性工作。论观点来看，流域、区域和全球的水资源循环是个高度非线性、Hense等于1987年首次提出降雨序列可能存在混沌现开放性系统，其边界条件和初始条件都十分复杂。从信息论观象，利用关联维数法分析Nauru岛1008个月降雨量资料组成点来看]，水资源系统存在诸多未知和不完全知道的问题，包的序列，计算出关联维数为2．5～4．5，进而指出月降雨量序列括时间、空间水文信息观测不完全等。水文时间序列不仅记录可能存在混沌现象，为混沌分析方法在水文学中的应用开辟了了系统过去行为的信息，而且还隐藏着系统未来演化的信息。先河。RodriguezLturbe等在1989年分析了美国波士顿的一次水资源系统与其他系统的不同，除了其具有通过自然界水自记暴雨过程，发现其具有一定的混沌特性，进而讨论了混沌文循环获得可再生和更新补充功能外，它在气态和液态时还具理论在水文学中的应用潜力。Jayawardena等在1994年分别有较大的流动性，从而连成一个整体，以致在一个点的扰动就应用Lyapunov指数法、Kolmogorov熵法、关联维数法以及非线可能会影响整体，这又会造成新的矛盾。因此，在进行水资源性预测法研究了香港地区3个雨量站的日降雨量序列和2个规划和配置时，不但要统筹兼顾，按照当地的自然和社会条件水文站的径流量序列混沌特性，指出日降雨径流序列确实存在合理开发，而且还要对水文系统内在属性和特征有充分的认混沌现象。识j，特别是对水资源系统内在动力学特征的认识。Bordignon等分析了意大利Adige河1955-1981年的13系统动力学简称SD(SystemDynamic)，是一种以反馈控制平均流量时间序列的混沌特性，并利用Poinearesection法、理论为基础、以计算机仿真技术为手段，研究复杂社会经济系Grassberger--Procaccia饱和关联维数法、最大Lyapunov指数法统的学科。目前，水资源系统动力学特征研究对象不是动力学计算了混沌特征量和嵌人参数，认为其是带噪声的混沌非线性方程，而是系统解的特征。从动力条件的角度看，水资源系统确定性系统。中包括自然动力作用和人类活动作用，水资源系统按其存在形1996年傅军等”。。对金沙江屏山站1950-1985年共36年式又可分为大气水子系统、地表水子系统、土壤水子系统和地的汛期日径流过程进行混沌分析，认为13流量过程的丰枯变化下水子系统。目前，对大气降水、地表水的混沌特征研究较多。对揭示洪水变化会造成干扰，故将枯水季节阶段概化为一点，对一个流域来说，应综合考虑大气降水、地表水和地下水3个而仅仅取汛期日径流的5508d数据。利用饱和关联维数、最子系统的混沌特征，以及各子系统混沌特征的区别、联系及演大Lyapunov指数、Kolmogorov熵等方法研究表明，汛期日径流化规律。数据可能具有混沌特征。2国内外研究现状收稿日期：2009—12-28基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BADI11109)。作者简介：陈南祥(1958一)，男，江苏张家港人，教授．博士，主要从事水资源和2O世纪90年代以来，混沌科学与其他科学相互渗透，在数水文地质方面的研究与教学工作。学、物理学、生命科学、地球科学、信息科学、经济学、天文学等Email：ehennanxiang@ncwil．edu．cn‘·46· 人民黄河2010年第6期1996年丁晶等对汛期径流序列，采用邻近点的多点加权平均和线性回归两种方法进行局域预测，认为两种方法合格4发展趋势率均在90％以上。1998年赵永龙等继续分析了上述汛期日(1)混沌的统一定义尚未形成，不同领域对混沌的理解不流量序列，用小波基函数网络模型进行一步预测，相对误差不同，这使得在不同学科的交流中出现了许多歧义。因此，为混沌下超过实测值的30％，该法优于多元回归预测。—个严格的、能够适用于不同学科的数学定义是当务之急。1998年魏一鸣等”分析了九江1985-1996年降水序列，(2)混沌理论起源于自然科学，因此混沌理论研究大都集利用饱和关联维法计算了关联维数和Kolmogorov熵，认为符合中在自然科学领域。相对于自然系统而言，各种社会经济系统混沌特征。1999年杨思全研究了河冰湖和冰川突发洪水的是更为复杂的非线性巨系统，而混沌是非线性系统所特有的现混沌特征量，对近40年20次突发洪水的洪峰流量序列进行了象，因此把非线性混沌理论系统地引入到各类社会经济系统的研究，认为该类洪水的洪峰流量时间序列具有混沌特征。陈南研究中，必然是混沌理论应用的一大创新。祥等用重构一维水文时间序列方法对水文时间序列的可预(3)混沌理论在水资源领域的应用必须和数理统计理论紧报时间尺度进行了研究，发现该序列具有混沌特征。2004年柳密联系，使得各个特征指数的计算理论更加科学和严密。景青对城市1h和24h两种时间间隔的用水量进行连续时(4)将混沌理论研究成果应用于实践，分析其实用性、有效间的最大尺度预测，结果表明用水量系统具有混沌特性。性和可靠性，深化对水资源动力学系统的复杂性及其运动规律宋宇等利用相空间重构技术、c—P算法及Wolf提出的的认识，可为各级水管理部门提供决策支持和理论依据，具有从单变量时问序列中提取Lyapunov指数法，分别计算了太原盆理论意义和现实意义。地4组地下水水位时间序列的关联维数和Lyapunov指数。(5)非线性理论在水资源系统中的应用研究不全面。目陈南祥等u运用混沌理论和相空间重构技术，探讨了前，对降雨、径流和地下水位变化的混沌诊断方法研究较多，而水资源系统的混沌现象，提出了水资源系统动力学特征的测对混沌预测的研究相对较少。度，即Hurst指数、Kolmogorov熵、Lyapunov指数、关联维数等。参考文献：3存在的问题[1]王纲胜．夏军，牛存稳．分布式水文模拟汇流方法及应用[J]．地理研究，近年来，很多水文混沌时问序列的研究表明，水文序列不2004，23(2)：175—182．[2]林振山．长期预报的相空间理论和模式[M]．北京：气象出版社，1992．能排除混沌性质，但是对于水文时问序列的混沌性质以及混沌[3]陈家琦，王浩，杨小柳．水资源学[M]．北京：科学出版社，2002．时间序列的预测方法仍有很多争论。[4]刘洪．经济系统预测的混沌原理与方法[M]．北京：科学出版社，2003．2002年DanielSehe~zer等在HydrologicalScience上发表文[5]林振山．非线性科学及其在地学中的应用[M]．北京：气象出版社，2003．章开展了水文混沌性质的讨论，认为：当前对于混沌时间序列[6]郝海，顾培亮，卢奇．石油价格的系统动力学特征分析[J]．系统工程，2002，方法的质疑主要有两方面，一是混沌时间无噪声序列无限长的4(7)：37—43．前提条件不能满足，二是当前理论不能对混沌性质是否存在提[7]HenseA．Onthepossibleexistenceofastrangeattractorforthesouthernoseil-lation[J]．BiterPhysAtoms，1987，60(1)：34—37．供无可辩驳的证明；时间序列长度的影响并不是想象中那么严[8]JayawardenaAW．LaiF．Analysisandpredictionofchaosinrainfaland重，数据序列的长度依赖于吸引子类型和维数，而噪声的影响streamflowtimeseries[J]．JournalofHydrology，1994，153：23—52．较大，且噪声对于混沌预测的影响大于它对关联维数计算的影[9]SBordignon，FLisi．Nonlinearanalysisandpredictionofriverflowtimeseries响；混沌时间序列预测精度低主要是噪声导致的，应该采用多[J]．Environmetries，2000，11：463—477．种技术，对不同方法计算结果进行比较，验证其是否一致，从而[10]傅军，丁晶，邓育仁．洪水混沌特性初步研究[J]．水科学进展，1996，7(3)：226—230．可更有力地证明混沌性质的存在。[11]丁晶，傅军．洪水变化的混沌特性和相空间预测[J]．水电站设计，1996，12当前水资源系统领域对于混沌方法有质疑，原因是水资源(4)：53—57．系统研究主要考虑要素的多变量和随机性，研究结果支持水资[12]赵永龙，丁晶，邓育仁．相空间小波网络模型及其在水文中长期预测中的源系统可能是低维、简单确定性系统导致的。因此，水资源系应用[J]．水科学进展，1998，9(3)：252—257．统混沌性假设是合理的，它为水资源动力系统的描述和模拟提[13]魏一鸣，孙国栋．九江年降水时间序列的混沌特性[J]．江西科学，1998，16(3)：141—145．供了一种新的代替法，必将获得更多的支持。[14]杨思全．河冰湖突发洪水的分形和混沌特征研究[J]．干旱区地理，1999，把混沌理论应用到水资源系统研究实践中，必须判断系统。22(2)：77—82．是否具有混沌性，但目前的方法主要是研究系统吸引子轨迹和[15]陈南祥，张金炳，张民安．一维水文要素时间序列及可预报时间尺度研究特征指数，在同样的参数下会出现不一致结果。尽管研究人员[J]．灌溉排水，2002(I)：36—39．可结合其他特征指数联合判断，但理论上并不严密。重构相空[16]柳景青．用水量时间观测序列中的分形和混沌特性[J]．浙江大学学报：理间所需的参数也存在同样问题，在计算中利用不同方法得到的重学版，2004(3)：236—240．[17]宋宇，陈家军，孙雄．地下水水位时间序列中的混沌特征[J]．水文地质工构参数差距很大，如何有效地选取参数成为混沌诊断的关键。程地质，2004(1)：14—18．水资源系统规律的认识及其时间序列的预测，特别是应用[18]陈南祥．复杂系统水资源合理配置理论与实践——以南水北调中线工程混沌理论研究还处在一个萌芽阶段，许多方法和数学模型的应河南受水区为例[D]．西安：西安理工大学，2006用条件需要进一步研究，混沌时间序列的基本理论和基本特征[19]陈南祥，霍洪嫒．黄河下游影响带地下水系统动力学特征[J]．灌溉排水学也需要继续探索，应用范围有待于进一步拓展。报，2008(6)：28—30．【责任编辑赵宏伟】·47·'