[发明专利]径流的混沌特性分析及非线性预测方法

说明书

技术领域

本发明属于水利技术领域，涉及径流的混沌特性分析及非线性预测方法。

背景技术

非线性现象是自然界的普遍现象，非线性系统具有超越不同学科领域的性质(相似性)。这种复杂系统的相似性，并非在于定性描述，而在于实际测验或理论细节，如孤立子、相干结构等。近年来，非线性科学取得了长足的进展，尤其是混沌理论的建立，为各个学科领域展现了新的视野。混沌是当今的前沿课题及学术热点，他揭示了自然界及人类社会普遍存在的复杂性、有序性与无序性的统一、确定性与随机性的统一，拓展了人们的视野，加深了对客观世界的认识。混沌涵盖了自然界及社会科学等各个领域，其研究的进展将有力地促进几乎所有学科和技术领域的发展川。二十世纪80年代，混沌科学在得到广泛发展的同时，又与其他学科相互渗透，与时序分析的研究相交叉的结果是产生了“混沌时间序列分析”。混沌时间序列分析在水文系统中的应用研究是一项极有意义的开创性工作。对水文气象科学来讲，运用混沌理论中新的思想和方法，为水文科学的研究注入了新的活力，尤其是实验分析研究，可以说已经从过去的半经验理论和统计理论研究步入了系统动力学理论研究的阶段。

混沌是出于确定映射的似随机，物理学上，混沌通常被认为是确定的、耗散的非线性动力系统中无序的、不可预知的行为。这里应该强调的是:混沌不能被简单地等同于无序，更确切地说它是一种非线性的有序。混沌学研究的是无序中的有序，许多现象即使遵循严格的确定性规则，但大体上仍是无法预测的，比如大气中的湍流、中长期天气等，混沌现象在不同的时间标度下表现出相似的模式，这与分形在空间标度下表现的相似性十分相像。

混沌主要讨论非线性动力系统的不稳定、发散的过程，但系统状态在相空间中总是收敛于一定的吸引子，这与分形的生成过程十分相像径流过程是一种复杂的水文现象，其表现为强烈的非线性特征。要完整而准确地描述这样一种复杂的非线性过程，传统的欧式几何显得力不从心，以混沌为核心的非线性科学，成了描述该类过程的有力工具。作为水文系统一个重要的分支，河川径流情势的时空变化，是一个十分复杂的非线性与不确定性干扰过程。从大尺度水文问题来看，河川径流变化受到全球气候变化影响，并且对气候有十分明显的非线性反馈作用。从中尺度水文问题来看，河川径流变化不仅与气候因子(降水、气温等)有关，而且受下垫面、地形、地貌以及人类活动影响。河道洪水波运动所表征的高度非线性，使得径流描述需要考虑不同来源的非线性动力学影响。随着现代科学技术的不断发展，高效率、大面积范围的收集水文信息已经成为可能。与此同时，水文非线性系统识别与参数估计理论的研究也极大地丰富了系统水文学分析途径。正是由于径流系统内部因素相互作用的复杂性以及影响其演变过程的径流过程是一种复杂的水文现象诸多外部因素的难以处理，使得径流系统的演变特征难以理解和刻画。于是，构成径流过程不同因素的相互作用产生的可观察结果—河川径流时间序列，就成为进行径流特性提取的有效研究对象。

水文系统是一个开放的、复杂的巨系统，同时又是一个动态的非线性复合系统。一方面，它是地球大气圈环境内相互作用和依赖的若干水文要素组成的具有水文循环与演化功能的整体；另一方面，它又受地球及宇宙自然力的作用及来自人类的不同程度的生产活动的影响，从而形成了水文系统复杂的演化规律。然而，由于哲学观和科学技术方法论的限制，长期以来，人们一直用传统的确定性方法或随机性方法，或将二者结合的方法来描述水文过程，得以揭示的是水文系统的确定性规律。根据水文要素变化的非线性特点，引进新的分析途径是十分必要的。

混沌理论和水文科学的结合则产生了一个新的研究领域，混沌理论的引入可以丰富水文学的研究内容，推动水文科学的发展。混沌理论开启了探索水文现象变化的新途径，通过应用混沌理论中的相空间重构技术，把水文时间序列嵌入到重构的相空间中，便可以在相空间中揭示出水文动力系统复杂运动特征，这样就可能从复杂水文系统运动中发现其内在的、有序的、确定性规律。由于该方面的研究尚处于初级阶段，认识还不够深入，需要研究和解决的问题很多。因此，开展混沌理论及其应用的研究，从混沌动力学的角度去认识水文系统的演变规律具有重要的现实意义和科学价值。

现有的混沌分析方法，一般要求被分析对象应包含较多数据，如至少上千，或更多。但由于历史原因，相当数量的江河海域的径流数据记载只有上百或几十年。这对于按年测量的径流量(如径流总量等)来说，就仅有上百甚至几十个数据。实验证明，这些数据量不大的年径流量也同样具有混沌特性。此外，怎么将径流的混沌特性分析与预测技术结合以提高径流预测模型的性能也鲜有研究。

发明内容