专利名称：基于小波多尺度变换的湖泊生态补水技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于小波多尺度变换的湖泊生态补水技术，是由决定湖泊状态 的关键水文因子一水位通过小波变换转换后，进行大、小时间尺度重建，确定适宜水文阶 段，提出一个同时考虑不同尺度的生态水位及波动的湖泊补水的技术，为分析退化湿地水 环境的状态，确定适宜水文阶段标准，制定适合特定区域的补水方案，提高湖泊补水效率提 供基础。
背景技术：
生态补水目的是想要恢复原有生态水平或维持某种系统平衡所需要的水量，其方 案的制定需要考虑水环境的状态及水文因素的自然波动。最早的生态补水集中于河流生 态系统的研究，包括简单的快速评价Termant法到后来的较为复杂的建立分区法、物理栖 息地模拟法、整体生态系统法等。直到近十多年，由于湖泊的大量的萎缩与消亡，湖泊的生 态补水，退化湖泊的恢复得到越来越多的重视。Sim和Tajrishy通过对历史的水面积序列 进行分析，将研究区的生态补水方案分为最好、适宜、最小3个水平，各自对应超越概率为 90%、80%、60%的水面积值。2005年，最小生态水位法的湖泊补水技术开始在美国运用，其 确定是通过平均年水位的超越概率。衷平等人延伸了该补水法，通过对历史水位的频率直 方图分析，结合生态资料，确定了白洋淀地区的最小和理想生态水位。基于生态水位确定的生态补水法主要从湖泊的水位出发，通过对主要时间尺度上 的水文阶段并进行分析，寻求该湿地较适宜的水文条件，然后与生态环境状况进行对照分 析。如果生态环境状况相应较好，则可认为该湿地已经适应了其水文条件，并形成了一个动 态的生态平衡，此时水文阶段可以近似认为是其湖区的理想水文阶段，水位则近似认为是 其多年平均理想生态水位；如果生态环境状况一般，并在水量减小的情况下有所恶化，则近 似认为此时为湖区的适宜水文阶段，水位是其最小生态水位。这里的好坏是相对概念，因此 还需要较长的研究年限中的其他水文和生态资料补充，进行定性和定量分析，从而确定湖 泊的水文阶段。在传统的湖泊最小生态水位方法中，忽略了水位的多尺度、非稳定特征，不 能显示序列里所隐含的大大小小不同时间尺度的串级过程，更不能辨别不同尺度下的波动 情况，使得补水方案的提出偏离水位的自然波动特征和生物已适应的水文条件，补水达不 到应有的效果。
发明内容
本发明的目的是针对现有补水技术水位波动特征的考虑不足，提供一种基于小 波多尺度变换分析的生态补水法，通过有效的反映水位在不同时间尺度上的变换与波动， 深入分析其波动的自然特征，增强生态水位确定的科学性和合理性，提高补水效率，指导湖 泊的管理及生态恢复。为实现上述目的，本发明的技术方案是通过小波分析确定水位的主要时间尺度 及不同尺度下的水位波动变化，进行小波系数显著尺度的因子重建，并结合其他水文及生态数据，得出适宜的水文阶段和最小生态水位，确定该阶段年内水位波动特征及波动范围， 制定湖泊补水方案。具体步骤如下(1)利用小波变换对描述地区水文状态的关键水文因子——水位的时间序列进行 小波分析，得到不同尺度上的小波系数及主要尺度因子。(2)根据所提取的主要变量特征，分析显著的尺度因子内的其他水文及生态因子 变化特征，确定湖泊水文阶段。(3)利用步骤(2)建立的分类标准，进行最小生态水位及水位波动特征及范围确定。(4)利用最小生态水位及适宜的水位波动，确定湖泊生态补水方案。本发明的基本原理是水位在一定的时间序列上呈现多尺度、非稳定的特征，而连 续小波变换分析的良好时频特性和多尺度多分辨分析特性，能很好反应水位此特性。因此， 本发明希望通过连续小波变换将水位长序列进行分解，得到主要时间尺度上的小波系数和 波动的正负值特征，结合水文和生态数据、资料的定性、定量分析，确定湖泊的包含丰枯水 期的适宜水文阶段，及在该阶段两个时期的最小生态水位、水位波动趋势及水位波动范围， 从而得到生态补水方案的制定基础。本发明与现在技术相比，更加深入探讨了水文的多尺 度特征，综合考虑大小尺度上水位的波动与变化，比传统补水的直接以水位的平均值或水 位单尺度序列，更加接近湖泊的自然水文状况，为湖泊补水效率的提高奠定基础。
图1为湖泊生态水位补水技术的流程2为a)Morlet小波变化的模的时频分布，模的值由红色至绿色逐渐变小；b)整 体小波方差图，虚线为90%置信水平。图3为主要周期的小波系数实部波动
具体实施例方式如图1 2所示，本发明的具体实施方法如下1、利用小波变换对描述地区水文状态的关键水文因子——水位的时间序列进行 小波分析，得到不同尺度上的小波系数及主要尺度因子。原始数据为白洋淀的1951-2005多年年水位数据。小波函数选择连续小波变换进 行水位时间尺度分析。相比于离散小波函数，连续小波函数能进行尺度的伸缩和平移，得 到更多时间——尺度局部化信息，适于尺度分析。连续小波分析是将任意的L2(R)空间中 的平方可积函数X(t)在小波基函数Ψα)下展开，即将Ψα)位移τ后，再在不同尺度a 下与待分析信号x(t)做内积，这种展开称函数x(t)的连续小波变换(Continue Wavelet Transform,简称 CWT)，即<formula>formula see original document page 4</formula>(1)其中，a)是小波系数，τ为时间因子，反映在时间上的位移，a为尺度因子， 反映了小波的周期长度，(*)表示复共轭函数。经过连续小波变换，时间函数投影到小波函数构成的二维的时间一尺度相平面上，使信号在不同尺度上展开，从而提取信号在不同 频带的特征，同时也保留信号在各尺度上的时频特征，利于提取信号函数的某些本质特征。对于离散的时间序列xn，连续小波变换亦可以表示为<formula>formula see original document page 5</formula>N为时间序列数，δ t为时间步长。Ψ (t)为小波基函数，本发明中选择Morlet复 小波作为小波基函数，其优点为能通过相位和振幅提高频度和时间分辨率，使其在较好时 间局部化的同时仍能得到较好的频率局部化结果。Morlet解释表达式为<formula>formula see original document page 5</formula>
其中i为虚数符号；Wtl为无量纲常数，Torrence和Campo证明当其取值为6时能 使分析的达到精度要求。求得的小波系数为水文序列在不同时间尺度或不同空间位置上的 投影，其模的大小表示时间尺度的强弱，从而可能有效的反映水位的内在结构、波动变化， 实现对水位不同尺度上的特征识别。将所有时间域上的小波系数的平方进行积分，可得小波方差Var{a) = ￡\Wn (τ, afdx(4)小波方差随时间尺度a变化过程为小波方差图。它反映了波动的能量随尺度的分 布，能量显著的对应尺度就是给定时间序列中存在的主要周期。如图2所示，a中模的值由红色至绿色逐渐变小，表明16年为水位波动的主要尺 度因子并在2b的小波方差图中占有较重比例，置信水平达到90%以上，因此可以确定在白 洋淀地区，水位波动的具有16年的多年波动周期特征。(2)根据所提取的主要变量特征，分析显著的尺度因子内的其他水文及生态因子 变化特征，确定湖泊水文阶段。由于Morlet小波系数实部包含给定的时间和尺度下，相对其他时间和尺度，信号 的强度和相位两方面的信息，因此小波系数为正值可表示信号达到较大值，负值则达到较 小值。图3为对主要16年尺度实部变量的分析，1954-1963，1973-1980，1990-1997为正 实数，水位达到较大值，为白洋淀的丰水期，1951-1953，1964-1972，1981-1989，1998-2005 为白洋淀的枯水期。结合白洋淀地区的入流、出流、降水及蒸发，1951-1963，1964-1980， 1981-1997的三个包含丰枯水期水文阶段的水文呈现明显的减小趋势，可以作为水文阶段 划分参考；而1998-2005由于受到人为补水干扰影响，水位的大小与波动受人为活动改变 严重，因此在水文阶段划分中不予考虑。(3)利用步骤(2)建立的分类标准，进行最小生态水位及水位波动特征及范围确定。对照已有的水文阶段分类，如果该生物在整个时间段里处于相对较好状态时，则 可近似认为此时为理想水文阶段，年平均水位为该区的年理想生态水位；如果此时生物处 于相对较差状态，而对照历年的分析数据，发现水量低于此阶段，湖泊生态系统退化严重， 则可近似认为此阶段为适宜水文阶段，其平均年水位是年最小生态水位。通过相关生态资料收集与考察，近50年来，白洋淀的呈现物种丰富度下降、湖泊 生态系统退化的趋势。20世纪50年代白洋淀生态环境状况良好，生态结构稳定，生物多样性丰富。进入60年代以来特别是中期以后，水文特征发生了明显变化，泥沙淤积，生物多样 性在一定程度上遭到破坏，至80年代以后，连年干淀，湖泊萎缩，生物多样性急剧减少，浮 游植物、浮游动物、原生动物比50年代分布减少了 49%、39%、33%属，而鱼类种类也减少 了 45%，生态环境和功能丧失严重。因此，综合分析水文与生态的数据分析，确定1951-1963为白洋淀地区水文的理 想阶段，此阶段的年平均水位为年理想生态水位；1964-1980为适宜的水文阶段，可得到年 最小生态水位；而1981-1997水文阶段较差，退化严重，归于退化水文阶段。年内水位波动的特征可通过各阶段的月最小生态水位决定，将丰水期(枯水期) 年最小生态水位除以多年年平均水位得到生态水位系数α，作为确定丰水期(枯水期)月 最小生态水位的比例标准
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中万为丰水期(枯水期)年最小生态水位，Ln为第N年的年平均水位(η = 1， 2，...，N)，L’m*丰水期(枯水期)月最小生态水位，;ζ；为N年丰水期(枯水期)月平均水 位(m = 1，2，· · ·，12)，对丰水期(枯水期)月最小水位的波动观察，确定达到最大和最小峰值的月份， 即该区域水量盈亏的转折点，作为波动趋势观察的2个特征月；并对丰水期(枯水期)适 宜水文阶段的年内水位波动值(即年内月水位最大值与最小值的差值)进行分析，得出丰 水期(枯水期)年内水位波动的平均值KZ及标准差S1,得出年内最小生态水位波动的范围
<formula>formula see original document page 6</formula>4、利用最小生态水位及适宜的水位波动，确定湖泊生态补水方案。湖泊的生态补水方案不仅应将丰水和枯水期湖泊的水文状况分开考虑，分别确定 最小生态水位值，而且应兼顾湖泊年内水位波动趋势及范围，尽量遵循自然水位波动，以符 合生物长期的生长发育适应的水位的变化特征，提高补水的效率。因此，需要在考虑年最小生态水位的基础上，还需对特征月的平均水位与该月确 定的月最小生态水位进行对比观察，优化补水方案，采用“高控低补”的原则，即若特征月月 平均水位小于对应月的月最小生态水位，则应进行相应补水措施；反之，若特征月月平均高 于该月的月最小生态水位，则应进行适当的入淀水量控制措施。
权利要求
基于小波多尺度变换的湖泊生态补水技术，其特征在于根据小波变换的多分辨分析特征，提取尺度的信息，对水位时间序列因子进行大小尺度分析重建，确定湖泊的最小生态水位，制定生态补水方案。
2.根据权利要求书1所述方法，其具体特征步骤如下(1)利用小波变换对描述地区水文状态的关键水文因子——水位的时间序列进行小波 分析，得到不同尺度上的小波系数及主要尺度因子(2)根据所提取的主要变量特征，分析显著的尺度因子内的其他水文及生态因子变化 特征，确定湖泊水文阶段。(3)利用步骤(2)建立的分类标准，进行最小生态水位及水位波动特征及范围确定。(4)利用最小生态水位及适宜的水位波动，确定湖泊生态补水方案。
3.根据权利要求书2所述的方法，其特征在于步骤(1)中小波变换采用Morlet小波 变换。
4.根据权利要求书2所述的方法，其特征在于步骤(2)中显著的尺度因子变化特征 由主要尺度因子上的小波系数实部决定。
全文摘要
本发明涉及一种基于小波多尺度变换的湖泊生态补水技术。它不仅通过运用小波变换的多分辨分析的优异性能，很好的提取了水位在不同尺度上的信息；而且对主要尺度的小波系数重建，结合其他水文及生态数据，可以得出水文阶段的划分依据，确定包含丰枯水期的适宜的水文阶段，提出一个同时考虑最小生态水位和年内的水位波动特征的湖泊生态补水方案。本发明与现有技术相比，更加深入的探讨了水文的多尺度特征，比传统补水的单一最小生态水位更加接近湖泊的自然水文状况，为分析退化湿地水文环境的状态，制定适合特定区域的补水方案，提高湖泊补水效率提供基础。
文档编号E02B1/00GK101824808SQ20101018278
公开日2010年9月8日 申请日期2010年5月26日 优先权日2010年5月26日
发明者崔保山, 李夏, 杨其纯, 蓝艳 申请人:北京师范大学