基于协同克里金与信息熵理论的水文站点空间布局研究

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水文站网作为水文信息的重要来源,用于获取实时有效的水文信息。因此,合理的水文站网规划布设对获取正确的水文信息、研究水文过程的变化、减少建设及监测资源的浪费具有重要的意义与价值。针对目前水文站网布设存在的主要问题——站点在空间中分布不均和站网信息存在大量冗余,对水文站网的空间布局进行优化,以整体性提高水文站网的工作效率。
  传统的水文站网优化方法主要从信息的角度对站网进行优化,忽视了水文站点在流域中的分布情况,导致站点空间分布不均,站点稀疏区因其较少的信息提供量而被去除,从而影响了站网的信息获取能力。因此,本文提出一种耦合克里金与信息熵理论的多目标站网优化方法,并基于Lower Tennessee流域2012-2017年日均径流量数据及站点高程数据,对流域水文站点的空间布局进行优化。主要研究内容如下:
  (1)本文从地统计学出发,对流域水文站网的空间分布情况进行评估。本文应用仅考虑径流这一单因素的克里金插值法与考虑双因素、将高程作为协变量的协同克里金方法分别对水文站网的分布密度进行评价。结果表明,相比于克里金插值法,协同克里金插值法能够降低站网对径流量的预测误差,表现出更精确的预测效果。引入可接受度这一概念,将可接受度设置为70%对流域的站网稀疏区与密集区进行划分,确定3个必保留站点。
  (2)考虑必保留站点与剩余站点的相关性,改进一种新的站点重要性排序方法,并引入信息冗余度这一概念作为站点排序标准。针对剩余站点,建立多目标水文站网优化模型,分别从信息总量、信息冗余量和站点信息推断能力三个方面对水文站网进行评估,优选出13个站点作为优化站点组合。该组合能够提供原站网99.85%的信息量,冗余信息大大降低,提高了水文站网的监测效率。
  (3)针对优化后的站网,分别从站网空间分布密度和站点所能代表的空间范围两方面对站网的有效性进行评价。采用协同克里金方法评估站网密度,站网分布均匀,在预测标准误差可接受范围内,站点数量得以减少。提出单向信息传递指数——距离模型评估站网监测范围,优化后的站点能够满足对全流域的监测需求。
  本文创新点:(1)尝试基于协同克里金插值法从站点分布密度角度首先对流域站点进行初步优选;(2)提出信息冗余度概念,建立多目标水文站网优化模型对站点进行进一步约减;(3)结合协同克里金插值法与信息熵理论,综合从站网的空间分布及站网的信息传递角度对水文站点进行全局优选,在Lower Tennessee流域呈现较好效果;对优化后的站网性能进行评价与分析,验证了方法的有效性。
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