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第34卷第6期2023年11月㊀㊀水科学进展ADVANCES IN WATER SCIENCE Vol.34,No.6Nov.2023DOI:10.14042/ki.32.1309.2023.06.015黄河三角洲水文-地貌-生态系统演变与多维调控研究进展凡姚申1,窦身堂1,于守兵1,王广州1,吴㊀彦1,谢卫明2(1.黄河水利科学研究院水利部黄河下游河道与河口治理重点实验室,河南郑州㊀450003;2.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海㊀200241)摘要:河口三角洲是由水文㊁地貌和生态耦合作用形成的复合系统,其演变具有时空波动性强㊁响应高度敏感㊁边缘效应显著与环境异质性高的特性,属典型的易失衡区㊂从黄河三角洲水文-地貌-生态子系统演变过程㊁耦合作用关系以及多维调控理论与技术等方面,阐述了多重压力下的子系统自适应调整与状态特征,归纳了水文条件与河口地貌-生态系统演变的互馈关系,搭建了多维协同的水沙配置研究框架,并提出了基于水沙优化配置的多维调控策略㊂针对目前研究存在的问题,从连续性监测平台建设㊁全过程模型构建㊁失衡风险预测以及多维调控理论与技术研究等方面提出了未来研究的重点方向,以期为优化利用有限水沙资源维持河口系统稳定提供科学支撑㊂关键词:水文-地貌-生态;演变过程;耦合关系;互馈关系;多维调控;黄河三角洲中图分类号:P737;X171.1㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1001-6791(2023)06-0984-15收稿日期:2023-06-12;网络出版日期:2023-10-19网络出版地址:https :ʊ /urlid /32.1309.P.20231019.1237.002基金项目:国家自然科学基金资助项目(U2243207);河南省自然科学基金资助项目(232300421017)作者简介:凡姚申(1989 ),男,河南项城人,高级工程师,博士,主要从事河口海岸水沙动力地貌研究㊂E-mail:fysmyself@通信作者:窦身堂,E-mail:doushentang@ 河口三角洲作为河陆海相互作用的关键区域,给人类和全球众多生物提供了重要栖息场所和物质来源,是地球表层极具价值的生态系统,也是经济社会可持续发展的核心地带[1],在全球有效碳存贮与碳中和方面具有不可替代性[2-3]㊂维护河口演变平衡关乎三角洲的稳定与资源利用的可持续性,是沿海经济社会发展的重要基石㊂然而,河口三角洲演变具有时空波动性强㊁变化响应敏感㊁边缘效应显著以及环境异质性高等特性,属典型的易失衡区㊂20世纪50年代以来,河流入海水沙减小叠加海平面上升和极端气候事件,导致全球大多数河口三角洲出现岸滩侵蚀㊁土地淹没㊁生态环境破坏等一系列问题[4]㊂因此,河口地貌演变与生态系统演化成为近期及未来研究热点, 大河三角洲计划 (Mega-Delta Programme)已列入联合国 海洋科学 十年行动计划(2021 2030年),同时相关问题也纳入了‘国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012 2030年)“㊂黄河是以高含沙量著称的世界级大河,大量入海泥沙在河口沉积造就了广袤的河口三角洲,同时孕育了世界上暖温带保存最广阔㊁最完善㊁最年轻的湿地生态系统,是黄河下游与环渤海地区的天然生态屏障㊂黄河三角洲属于河控多沙型河口三角洲,由1855年黄河在铜瓦厢决口流入渤海后经过11次大的流路变迁㊁泥沙堆积而形成[5-6]㊂黄河三角洲稳定是黄河流域与环渤海地区的防洪安全㊁供水安全㊁生态安全和经济社会发展全局的重要基础㊂2019年,黄河流域生态保护与高质量发展上升为国家重大战略,明确提出 黄河三角洲要做好保护工作,促进生态系统健康,提高生物多样性 ㊂然而,与世界大河三角洲类似,黄河三角洲也同样承受着来自河流㊁海洋和人类活动的多重压力,目前已出现入海泥沙急剧变化的新现象[7];河口由快速向海淤进到缓慢沉积,水下三角洲局部出现侵蚀迹象,正处于冲淤转型新时期[8-9];尾闾沟汊不断撕裂产㊀第6期凡姚申,等:黄河三角洲水文-地貌-生态系统演变与多维调控研究进展985㊀生㊁孕育发展,拦门沙出露水面,河口前缘淤积延伸出现新状态[10]㊂在新情势下,黄河三角洲水文㊁地貌㊁生态演变与响应机制更加复杂㊂目前,国内外在黄河三角洲水文和地貌过程及生态现状等各个方面都取得了一系列重大研究成果,但对其演变与调控研究进展综述性文献却较少㊂本文就近30a来黄河三角洲水文-地貌-生态演变与调控的相关研究进展进行归纳和总结,包括黄河三角洲子系统演变过程㊁耦合作用关系以及多维调控理论与技术等,探讨目前存在的主要问题,并对今后研究方向作出展望㊂1㊀水文-地貌-生态子系统演变1.1㊀入海水沙变化与水文条件入海水沙是河口最典型的水文过程㊂20世纪50年代以来,随着河流建坝㊁采砂和引水等工程的建设,全球主要河流河口来水来沙量呈持续下降趋势,如红河流域Hoa Binh大坝建成后,泥沙通量较建坝前减少了约60%~70%[11],人类活动使珠江口内泥沙淤积量减少约29%[12]㊂与世界大河河口类似,黄河口入海泥沙也呈显著减少的趋势㊂1960年三门峡水库开始运行以前是黄河入海水文过程的 天然期 ,据利津水文站20世纪50年代水沙资料显示,该时期黄河口年均入海水量为480亿m3㊁沙量为13.4亿t㊂1986年后黄河年均入海水沙进入枯水少沙期,水㊁沙量分别是天然期的35%和18%㊂20世纪90年代河口出现连年断流,小浪底水库调控运用以来(2002 2022年)黄河不再断流,但黄河水文情势仍处于水沙延续枯少期[10]㊂黄河口入海水沙的这些变化势必会对河口地貌和生态演变造成影响,对于黄河口地区的管理和保护,需要综合考虑水沙输送的变化趋势,采取相应的措施来维护河口地貌稳定和生态系统健康发展㊂河流入海泥沙输运扩散过程已成为河口海岸和近岸海洋学研究的前沿和热点问题㊂入海泥沙扩散机制是三角洲地貌演变的重要环节,但受区域动力特征及混合过程和流域㊁海洋动力过程相互作用的影响,探究河口泥沙扩散途径和范围一直是难点[13-14]㊂黄河水沙入海上层径流与底层海流作用形成的切变锋锋面拦阻,是限制河口入海泥沙的重要因素和河口拦门沙形成的重要动力机制[15]㊂季节性海水温度变化是影响水沙扩散的另一个重要因素,相比于冬季,夏季表层海水温度升高,水体分层强烈,上下层易形成温度切变锋,表层高含沙冲淡水向外海扩展更远㊂入海水沙在黄河口不同区域呈现输运沉积特征差异,但已有研究结果并不统一㊂有研究认为扩散范围限制在15m等深线以浅区域[16];另一部分研究则认为入海泥沙输运按一定比例沉积在拦门沙(河口)㊁水下三角洲(滨海)㊁外海,但不同研究中各区域比例存在较大差异,未能达成共识[17]㊂黄河口海域盐度1958 2000年总体呈上升趋势[18],盐度升高对河口三角洲地下水位变化㊁土壤盐分分布产生影响,进而对河口三角洲湿地发育有较大影响㊂黄河三角洲区地下水主要为微咸水㊁咸水和卤水[19],以往研究聚焦于黄河三角洲地下水淡咸水的形成和演化㊁地下水土壤空间分异规律㊁营养盐入海通量变化等[20],但对地下水埋深㊁土壤盐分时空分布特征与黄河入海径流变化的相关性研究仍不充分㊂1.2㊀尾闾冲淤与三角洲地貌演变黄河 善淤㊁善决㊁善徙 ,其尾闾入海流路历经10余次大规模改道后叠置形成复杂的三角洲叶瓣体系㊂随着叶瓣不断向海延伸,改道点有向上游移动的趋势[21]㊂从水动力学机制来看,河床纵向坡度减小和回水效应是造成河流改道的重要原因[22]㊂自1976年起入海流路改道至清水沟,对清水沟河道演变及影响因素研究成果颇丰㊂Zheng等[23]将清水沟流路演变分为快速淤积(1976 1980年)㊁河道展宽(1980 1985年)㊁河道萎缩(1985 1996年)和河道下切加深(1996 2015年)4个阶段㊂Han等[24]指出河道地形受水沙调控㊁尾闾改道和三角洲前缘发育程度等因素制约,且河道在来水来沙量较小时萎缩变浅,在来水量较大时下切展宽㊂刘清兰等[25]基于正交曲线网格建立利津站以下河道数字高程模型,发现调水调沙改变了入海水沙的年内分配,造成尾闾河道的持续冲刷,2002 2017年累计冲刷泥沙量为6240万m3;但经过多年冲刷,986㊀水科学进展第34卷㊀受河床整体下切和河口淤积延伸影响,调水调沙的冲刷效率在持续降低㊂黄河三角洲总体地貌演变特征为行河流路岸线淤积延伸㊁不行河流路岸段持续蚀退,三角洲地貌演变呈现显著的空间异质性和不平衡状态㊂陆上三角洲年代际地貌演变可归纳为4个连续阶段,分别为快速淤长期(1976 1981年)㊁缓慢淤长期(1981 1996年)㊁缓慢侵蚀期(1996 2002年)和缓慢淤长期(2003 2013年)[26]㊂Cui等[27]从三角洲平均高潮线的角度分析,也得出类似的三角洲演变阶段㊂Xu[28]认为陆上三角洲的淤长与夏季东亚季风指数密切相关,但也有学者提出人为河流改道等人类活动是影响陆上三角洲岸线动态的重要因素[29]㊂现行清8汊河(1996年开始行河)水下滨海区地貌冲淤演变特征可划分为中速淤积(1996 2002年)㊁快速淤积(2002 2007年)㊁缓速淤积(2007 2015年)和快速侵蚀(2015 2016年)[30],从空间上来看口门滨海区呈淤积状态,而孤东近岸和1996年废弃的老河口区呈冲刷状态[31]㊂Ma等[32]分析了近年来黄河三角洲潮滩㊁低潮线和水下地貌的动态,认为12m等深线是冲淤平衡转换带㊂不行河的刁口河流路和神仙沟流路河口海岸侵蚀显著,1976 2000年岸线分别向陆后退约7km和4.5km㊂Chu等[33]指出1976 2000年最大的侵蚀区出现在刁口河和神仙沟行河期间形成的向海堆积的凸角处㊂Li等[34]提出刁口河流路河口的蚀退演变经历的主要3个阶段:1976 1985年的快速侵蚀㊁1985 1992年的缓慢侵蚀和1992 1996年的侵蚀淤积调整阶段㊂3个阶段刁口河口侵蚀速率逐渐降低,在1976年后刁口河流路水下三角洲被重塑成与1976年之前截然不同的缓坡形态[35]㊂Zhang等[36]认为尾闾河道摆动㊁相对海平面变化㊁区域海洋水动力及地方工程建设是影响该区域岸线变化的重要因素㊂Fan等[37]对黄河三角洲北部潮间带范围时空演变进行了分析,指出北部潮间带蚀退不仅受海洋动力影响,也受到人类围垦的影响㊂由此可见,黄河口地貌演变是一个复杂而多变的过程,受到河流水文泥沙㊁海洋水动力条件和人类活动等多种因素的综合影响,亟需从微观层面揭示各影响因素的耦合互馈与相互作用关系及其地貌变化机制,这是理解河口地貌演变的关键所在㊂1.3㊀河口生态条件与生态演化黄河三角洲湿地是中国暖温带保存最广阔㊁最完善㊁最年轻的湿地生态系统,沿海滩涂广泛发育,湿地植物富集㊂根据水体类型和存续方式的不同,黄河三角洲湿地可分为淡水湿地㊁咸水湿地和半咸水湿地㊂淡水湿地多以河流为轴分布在河道两侧,咸水湿地主要分布于海岸带附近,半咸水湿地则主要分布于河流与海洋的交汇地带[38]㊂黄河口湿地生境类型极为丰富,万千生物得以在此栖息繁衍㊂然而,黄河三角洲成陆时间较短,土壤发育年轻,生态发育层次低,适应变化能力弱,抵抗外界干扰能力差,属脆弱生态敏感区[39]㊂近年来,对于世界大多数河口来说,高强度人类活动㊁海平面上升及风暴潮等引起的陆海水沙条件改变导致河口湿地已出现不同程度的退化㊁侵蚀或永久消失(如围垦),进而加剧了河口生境的脆弱性,危及河口生态安全㊂因此,最近10a来关于河口湿地恢复的一系列成果不断出现,长江三角洲通过构建低矮堤坝以形成坝内植被恢复生态[40],美国密西西比河三角洲试图将疏浚泥沙与沼泽恢复结合以稳定海岸[41],荷兰则努力推行利用北海沉积物哺育潮滩,构建牡蛎礁防护海岸侵蚀等一系列措施以恢复河口湿地生态[42]㊂针对黄河三角洲滨海湿地严重退化的问题,学者们开展了大量修复研究和示范工作㊂前期,黄河三角洲退化滨海湿地的修复工作,多注重植被覆盖的恢复效果,且多简单采取围封和补充淡水相结合的方式,过分依靠自然恢复,人工重建发挥作用不足㊂这样的修复方式,不仅耗水量巨大,且导致恢复后的植被群落结构简单,生物多样性丧失,作为鸟类栖息地的重要生态服务功能被严重削弱,影响了湿地功能的正常发挥㊂近期,许多学者针对气候变化㊁工农业发展和外来物种入侵等因素共同影响下的植被动态进行研究,并取得了新进展,获得了新认识㊂例如,有学者发现黄河三角洲受人工干扰影响湿地植被景观破碎化程度剧烈,景观多样性指数呈下降趋势[43],加之河口来水来沙减少㊁海岸侵蚀和海水入侵加剧致使湿地植被恢复和绿化受到更加严重的盐碱胁迫[44],而修复水文连通和实施生态补水对盐沼植物和水生动物的生存以及生物多样性具有积极作用[45]㊂综合来看,黄河三角洲湿地面临着严重退化的挑战,通过学者们的研究和努力,可以找到解决问题的新途径,修复工作需要更加注重湿地的生态功能,采取合适的措施来恢复植被和保护生物多样㊀第6期凡姚申,等:黄河三角洲水文-地貌-生态系统演变与多维调控研究进展987㊀性,以确保湿地生态系统的可持续发展㊂2㊀水文-地貌-生态子系统耦合关系2.1㊀水文条件对河口地貌的影响水文条件(包括水动力与泥沙运动)引起河口三角洲地形地貌变化㊂径流入海后与潮流㊁波浪等相互作用下的泥沙扩散㊁沉积㊁起动㊁平流及底沙再悬浮是河口区的典型水沙动力过程,见图1[46]㊂对于多沙河口而言,高含沙径流动力常以射流的方式入海[47],泥沙沉积与侵蚀的不同模式塑造了不同形态的河口前缘地貌[48]㊂Warrick[49]研究发现在入海泥沙通量突然增多时,泥沙首先在河口沙嘴潮间带淤积,几个月后波浪再悬浮和余流输运作用将泥沙带到口门附近的洲滩形成堆积体,随着堆积体在沿岸方向不断延伸,三角洲几何形态逐渐呈扇形发育㊂在洪水期间,径流作用尤为突出,往往取代潮流成为控制泥沙输移的关键因素[50],在强径流的作用下河床中形成双向螺旋流,掘蚀河床而将泥沙向河床两侧堆积,随后水下沙坝出露海面并逐渐将河道分汊[51]㊂黄河调水调沙塑造了强径流入海条件,黄河口近岸落潮动力加强,涨潮动力减弱,含沙量显著增大[52],入海泥沙普遍以异轻羽状流的形式在河口附近的有限区域内沉积[53],在没有大风扰动的情况下河流入海悬沙浓度大于29.0kg/m3时会产生高密度泥沙异重流[54]㊂调水调沙期间大量泥沙沉积促使河口口门地貌发生快速变化,进而引起入海主流的快速摆动[55]㊂黄河入海泥沙还具有 夏储冬输 的特点,夏季在河口附近沉积的泥沙成为冬季泥沙输运的重要来源,冬季泥沙输运量远远大于夏季且有向外海输运的趋势[56-57]㊂图1㊀河口区典型水沙动力过程Fig.1Typical water and sediment dynamic processes in the estuary水沙供给的多寡是哺育河口三角洲地貌发育与否的充分条件㊂多沙时期遵循三角洲面上呈 大循环 及流路自身的 小循环 演变规律[58]㊂此后,针对流路地貌稳定问题,提出了出汊是影响流路稳定的关键问题,并揭示了 淤积 延伸 出汊摆动 改道 流路演变的自然规律[59]㊂在少沙情势下,行河口门造陆幅度趋于减缓,在个别来沙量较少年份甚至出现侵蚀[60],局部逐渐呈现由河控型向海控型转变的趋势㊂黄河口海岸动态平衡的沙量阈值是当前研究的焦点,但研究成果差别较大(表1)㊂研究方法大多是建立描述某一时段内陆地面积变化特征的因变量与水沙条件自变量的统计关系,得到因变量为0时的平衡沙量或临界水沙组合关988㊀水科学进展第34卷㊀系式㊂从反映流路淤积延伸㊁河海交汇作用最强㊁海岸侵蚀最剧烈的角度选择海岸线标准,研究三角洲陆地变化及海岸动态稳定沙量很有必要㊂表1㊀维持黄河口海岸动态平衡的沙量阈值Table1Critical sediment load to maintain the dynamic balance of the Yellow River estuary coast序号空间范围时间范围研究资料临界沙量/(亿t㊃a-1)文献1行河海岸 ʈ2[61] 2黄河陆上三角洲1855 1976年滨海区水深 2.45[62] 3黄河陆上三角洲1955 1989年海域海图 2.78[63] 4清水沟陆上三角洲1976 1997年滨海区水深 1.51[64] 5刁口河陆上三角洲1953 1973年滨海区水深 4.21[64] 6清8汊陆上三角洲1996 2005年遥感影像 1.63[28] 7清水沟陆上三角洲1976 2005年遥感影像 3.31[28] 8清水沟水下三角洲1977 2005年水深地形 1.29~1.79[35] 9清8汊陆上三角洲2002 2015年遥感影像0.48[37] 10清8汊水下三角洲1996 2016年水深地形0.414~0.623[31] 11黄河陆上三角洲1976 2015年遥感影像 1.76[65] 12清水沟水下三角洲1997 2018年水深地形 1.09~1.65[32]㊀㊀需要指出的是,即便黄河入海水沙发生了显著变异,黄河进入了枯水少沙期,但2002年实施调水调沙以来现行河道仍在淤积延伸,尾闾河道依然处于不断出汊变动中㊂如2018年以来,黄河口各汊道交替成为行水主汊,河口泄洪排沙主通道不断变化(图2)㊂汊道频繁演变不仅严重威胁河口两岸防洪安全,而且可能破坏河势稳定㊁引起流路摆动㊂不仅如此,2020年多次洪水径流输沙入海后,河口河道呈现出明显的淤积趋势,河道前缘出现二级分汊,支汊淤积萎缩与拦门沙交互作用形势更加复杂㊂这些变化综合表明,在经历了近40a的黄河来沙减少后,黄河口地貌系统正在面临不同程度的转变,淤积和侵蚀共存,尤其是侵蚀型地貌,受前期沉积物特性㊁海洋常规/非常规动力和植被附着特征影响更为复杂,亟需从水文-地貌-生态系统的整体层面揭示河口地貌变化机制,这是理解地貌多维耦合响应机理与状态转化的关键所在㊂图2㊀黄河口主支汊道频繁演替Fig.2Frequent succession of the main tributaries of the Yellow River estuary㊀第6期凡姚申,等:黄河三角洲水文-地貌-生态系统演变与多维调控研究进展989㊀2.2㊀河口地貌反馈影响水文条件水文条件塑造河口地貌,而河口地貌是河口水文条件的地形边界,其响应水文条件的结果必定也会反馈影响水文条件,因此两者存在明显的耦合作用㊂河口拦门沙(沙坝)是河海动力相互作用后径流能量耗散㊁咸淡水混合泥沙絮凝加速沉积而成的堆积体[66],也是河口地貌反馈影响水文条件最明显的区域㊂在黄河三角洲的各种沉积环境中,拦门沙的沉积速率最高,河流输送入海的沉积物中,约有30%~40%的入海泥沙沉积在拦门沙区域内[67]㊂不同径流量对拦门沙形态发育影响不同,在高径流量时期形成双叶瓣单河道形式的拦门沙,在低径流量时期形成单叶瓣双河道形式的拦门沙㊂拦门沙的淤高和延伸可以影响河口一系列水沙运动过程,如Li等[68]发现拦门沙的存在可以改变河口环流和床面剪应力,进而影响河口最大浑浊带的形成;Gong等[69]指出河口拦门沙的水力控制在被背风跳跃阻挡的状态下,可以通过潮泵输运增强向陆地的盐输送,这表明拦门沙对盐的运移具有重要的控制作用㊂细颗粒泥沙在黄河口不断淤积,口门拦门沙发育充分㊂拦门沙形成之后,侵蚀基面抬高,对河道泄水排沙十分不利,导致水位壅高,产生溯源淤积,加重下游河道抬升,是黄河口影响下游河道防洪安全的根源㊂学者们对于黄河口拦门沙淤积反馈的影响距离有不同看法,有的认为河口淤积延伸将导致整个黄河下游河道长期难以平衡[70-71],有的则认为仅在感潮河段涨潮时才产生溯源淤积[72],大多认为溯源淤积影响范围在泺口与艾山之间[73]㊂曹文洪等[74]基于概化河工模型研究发现黄河口拦门沙的形成与滞流点的关系非常密切,河口径流与潮流的交汇处(滞流点)的位置在拦门沙顶部变动㊂黄河口拦门沙出露水面后,河口沙嘴不断向外凸出,这导致现行河口外涨潮优势流呈舌状向南部莱州湾方向伸展,有利于泥沙的净输入[75]㊂这些研究结果表明黄河口地貌与水文之间的关系是非线性㊁多元和时空变化的,由于获取准确㊁连续的水文和地貌数据仍然是一项挑战,缺乏高质量的观测数据限制了对黄河口水文-地貌互馈机制的深入研究㊂2.3㊀河口生态与水文-地貌的相互作用河口生态过程与水文-地貌之间存在复杂的耦合关系,水文是河口地貌演化㊁地下水及盐度等生境条件和生态演替的主要驱动因素,生态水量是各类生物生长的必要物质(水文的直接作用),水文作用引起的地貌演变为生物提供稳定的基底(水文的间接作用)㊂为此,生态专家提出在潮滩湿地生态修复时应着重注意生物和物理缓解作用之间的相互作用,如盐沼植被的存在削弱了水动力,从而减少了滩面侵蚀,反过来水动力的削弱和沉积物稳定性的增加也有利于盐沼植被生长[76]㊂地貌高程(影响水位)和盐度是决定滨海湿地植物存活和分布的最关键环境因子[77],不同植物对高程和盐度的要求不同,水-盐环境(一般指水位和盐度环境)对不同的盐沼植物存在一个临界值,一旦水-盐环境胁迫超过盐沼植物的耐受阈值,将直接影响植物的生长及存活[78-80]㊂受水-盐胁迫影响,黄河三角洲湿地植被从海向陆呈连续带状分布格局,主流植被类型依次为碱蓬㊁芦苇㊁柽柳㊂植物根系促淤,会抬高地表高程,是生物反馈地貌的集中体现㊂互花米草盐沼繁殖能力强㊁根系茂密,黄河三角洲于1990年首次引种互花米草,最初目的是用于保滩促淤,然而近年来却成为入侵物种,导致黄河口滨海湿地生态失衡;2011年后,黄河三角洲地区互花米草开始进入快速扩散期,并迅速入侵土著植被栖息地;到2020年,现行河口区互花米草分布面积达52.7km2,占总盐沼面积的31%[43]㊂互花米草具有较强繁殖能力,其形成的盐沼植被丰度较高,增强了局部沉积,黄河三角洲湿地互花米草群落的地表高程变化速率为58.8ʃ19.4mm/a,远高于土著植被碱蓬和柽柳[81]㊂互花米草增加了地表高程,也降低了黄河口自然湿地淹水频率[82]㊂河口生物与水文-地貌环境的相互作用不仅在时间尺度上不断累积,也会通过空间尺度上的交流影响河口地貌形态㊂河口潮滩生物出现的规律性的斑图形态,是盐沼在不同尺度上对水动力和泥沙沉积作用的响应,也称为自组织斑图[83-84]㊂黄河三角洲潮滩微地貌斑图呈现季节性变化,每年4 6月伴随着滩涂上泥螺生物量的增加,微地貌斑图逐渐减弱,受泥沙扩散㊁水流再分配过程交互作用的影响,高丘上的底栖微藻生物量明显高于洼地[85]㊂随着对生物-地貌耦合关系的认识,在研究河口水沙地貌变化时,越来越多的学者考虑在传统地貌模型的基础上引入生物过程[86-87]㊂以基于水沙动力过程的数学模型为主流,通过较准确地还。
东江流域降水空间分布模式识别
刘丙军;陈晓宏
【期刊名称】《中山大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2009(048)005
【摘要】一定区域范围内,近地层气象因子往往是在统一的构造背景控制下形成的,降水、气温、蒸发等气象因子具有自相似性特点.以广东省东江流域内29个雨量观测站点1956-2005年月平均降水资料为样本,运用信息熵原理中有向信息传输指数研究了雨量观测站点之间的信息传输特征,并结合聚类分析方法界定各观测站的所属关系,提出了基于信息熵原理的流域降水空间分布模式识别方法,从而为流域水文要素空间分布模式识别和水资源利用方案提供重要理论和实践依据.
【总页数】5页(P148-152)
【作者】刘丙军;陈晓宏
【作者单位】水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北,武汉,430072;中山大学地理科学与规划学院水资源与环境系,广东,广州,510275;中山大学地理科学与规划学院水资源与环境系,广东,广州,510275
【正文语种】中文
【中图分类】P333
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深度学习水文预报研究进展综述Ⅰ——常用模型与建模方法欧阳文宇;叶磊;王梦云;孟子文;张弛
【期刊名称】《南水北调与水利科技(中英文)》
【年(卷),期】2022(20)4
【摘要】数据密集研究范式主导的数据水文学正在成为水文研究的一个重要方向,而善于从大量数据中挖掘规律的深度学习理论推动了近年来数据驱动水文预报的研究热潮,并不断和水文学科融合,逐步成为数据水文学的重要研究方法体系。
从深度学习与水文预报学科交叉的角度,简要介绍水文领域常用深度学习模型的原理与结构及其应用于水文预报中的一般建模方法,在此基础上进一步介绍深度学习与水文物理机制整合的基本方法,以期为相关研究人员开展深度学习水文预报研究提供有益参考。
【总页数】10页(P650-659)
【作者】欧阳文宇;叶磊;王梦云;孟子文;张弛
【作者单位】大连理工大学水利工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TV214
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型模拟预报的多源数据同化方法及应用研究进展5.深度学习水文预报研究进展综述Ⅱ——研究进展及展望
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贝叶斯概率水文预报系统及其应用研究贝叶斯概率水文预报系统及其应用研究摘要：水文预报是水利工程的重要组成部分，对于准确预测未来水文变化以及提前做好防范工作具有重要意义。
贝叶斯概率水文预报系统是一种基于贝叶斯概率理论的预报模型，通过结合历史数据和实时观测数据，利用贝叶斯算法对未来水文变化进行预测。
本文将介绍贝叶斯概率水文预报系统的原理和方法，并探讨其在水利工程中的应用。
1. 引言水文预报是水利工程中的关键问题之一，准确的水文预报对于安全运行水利工程和灾害防范具有重要意义。
传统的水文预报方法通常是基于统计学模型，但这种模型对于预测不确定性的处理能力较弱。
贝叶斯概率理论可以通过结合先验知识和观测数据，以及不断更新概率分布，提供更加准确的水文预报结果。
2. 贝叶斯概率水文预报系统原理贝叶斯概率理论中的贝叶斯公式是该预报系统的核心。
该公式描述了在已知先验概率的情况下，如何通过新的观测数据来更新概率分布。
在贝叶斯概率水文预报系统中，先验概率可以通过历史数据和专家知识来确定，观测数据则是指实时的气象和水文观测数据。
系统通过先验概率和观测数据计算出后验概率，从而得到对未来水文变化的预测结果。
3. 贝叶斯概率水文预报系统方法贝叶斯概率水文预报系统的方法主要包括以下几个步骤：先验概率的确定、观测数据的采集、概率分布的更新、预报结果的计算和评估。
先验概率可以通过历史数据和专家知识来确定，观测数据可以通过气象和水文观测站点来获取。
系统会根据先验概率和观测数据来更新概率分布，并利用概率分布计算出未来水文变化的预测结果。
预报结果可以通过一些评估指标来评估预测精度和稳定性。
4. 贝叶斯概率水文预报系统在水利工程中的应用贝叶斯概率水文预报系统在水利工程中具有广泛的应用价值。
它可以用于城市排涝系统的预警和调度、水库调度和苗木灌溉等方面。
通过结合贝叶斯概率理论和实时观测数据，系统可以提供准确的预测结果，帮助水利工程人员及时做出决策，并减少灾害发生的可能性。
黄河源区水文要素变化及驱动因素分析作者：张鸣朱奎鲁帆戴雁宇宋昕熠于嵩彬来源：《人民黄河》2023年第10期摘要：水資源短缺是黄河流域目前面临的主要问题之一，黄河源区水文要素变化对整个流域的水资源开发利用有较大影响。
利用１９５９—２０１９年黄河源区１０个气象站、唐乃亥水文站监测数据及有关遥感数据，采用Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ检验、累积距平、多元线性回归等方法分析水文要素的变化特征及驱动因素。
结果表明：黄河源区１９５９—２０１９年年径流量呈现先减小后增大的变化趋势，年内径流量季节分配不均，１９８９年和２００４年为２个突变年份。
黄河源区１９５９—２０１９年年降水量、潜在蒸散发量、气温都呈现显著增大趋势，植被覆盖度呈现不显著增大趋势。
气候变化是黄河源区１９５９—２０１９年径流量变化的主要影响因素，径流变化对降水的响应最敏感。
１９５９—２００４年下垫面参数对径流量变化的贡献率达到６０．６９％，是径流量减小的主要驱动因素，降水其次，潜在蒸散发的贡献率最小；１９９０—２０１９年降水对径流量变化的贡献率达到１０３．９１％，是径流量增大的主要驱动因素，潜在蒸散发其次，下垫面变化的贡献率最小。
关键词：水文要素变化；驱动因素；径流；Ｂｕｄｙｋｏ；黄河源区中图分类号：Ｐ３３３；ＴＶ８８２．１文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．００６引用格式：张鸣，朱奎，鲁帆，等．黄河源区水文要素变化及驱动因素分析［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（１０）：３０－３７．０引言黄河是我国仅次于长江的第二大河，多年平均水资源总量为６４７亿ｍ３，不到长江的７％，但水资源开发利用率高达８０％，远超４０％的生态警戒线，水资源短缺是黄河流域最大的矛盾［１－３］。
黄河源区唐乃亥水文站的多年平均径流量占黄河水资源总量的３４．５％［４］，黄河源区的水资源状况不仅关系当地的经济社会发展和生态环境保护，而且对整个黄河流域水资源开发利用有着重要影响。
水文学基本知识点完美版1. 水文学的定义水文学是研究水资源的形成、分布、运动和变化规律的学科，以及与水资源开发利用、水灾害防治相关的知识体系。
2. 水文学的重要性水文学对于社会的可持续发展和人类生存具有重要意义。
它能够提供关于水资源的基本特征和变化趋势的信息，为水资源的科学利用和管理提供依据，同时也为水灾害的预防和减轻提供支持。
3. 水循环的基本过程水文学的核心是研究水循环。
水循环包括蒸发、降水、径流、地下水补给等过程。
通过研究这些过程的物理机制和影响因素，可以了解水的运动规律和分布特征。
4. 降水量的测量方法降水量是水文学中的重要指标之一。
常用的降水量测量方法包括雨量计、激光雷达和卫星遥感等。
不同的方法适用于不同的地区和研究目的。
5. 地下水的形成和补给地下水是地表水向地下渗透后形成的水体。
它在水文循环中起到重要的储存和补给作用。
地下水的形成受到地质、土壤和气候等因素的影响。
6. 水资源开发与利用水文学不仅研究水资源的基本特征，还涉及水资源的合理开发利用。
通过水文学的研究，可以为水资源规划、水利工程设计和水政策制定提供科学依据。
7. 水灾害及防治水文学还研究水灾害的发生机理和防治策略。
洪水、干旱和山洪等水灾害对人类生命和财产造成严重影响，通过水文学的研究可以提前预警和制定相应的应对措施。
8. 水文学的应用领域水文学的研究成果在多个领域得到了应用，包括水资源规划管理、环境保护、农业灌溉和城市供水等。
水文学的发展将更好地支持可持续发展和环境保护的需求。
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*注意：本文档所列内容属于水文学基本常识，相关数据和具体实践应以实际情况和官方数据为准。
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河流水文数据的时间序列分析与预测一、引言河流是地球上最重要的自然资源之一，生态环境和经济社会发展都与河流密切相关。
为了保护和管理河流，了解河流的水文特征非常重要。
水文数据的时间序列分析和预测是河流水文研究中的重要领域。
本文将介绍河流水文数据的时间序列分析方法和预测技术，并结合实例进行说明。
二、时间序列分析时间序列是一系列按时间顺序排列的数据。
河流水文数据的时间序列可以反映河流的水位、流量、含沙量等水文特征。
进行时间序列分析可以提取时间序列中的规律和趋势，从而预测未来的变化。
时间序列分析的主要内容包括平稳性检验、自相关函数和偏自相关函数分析、时间序列分解和建立时间序列模型等。
1.平稳性检验平稳性是指时间序列的统计性质在时间轴上是不变的。
对于非平稳性的时间序列，需要通过差分或者其他方法将其转化为平稳性序列，才能进行分析和预测。
常用的平稳性检验方法包括ADF 检验和KPSS检验等。
2.自相关函数和偏自相关函数分析自相关函数和偏自相关函数是时间序列分析的重要工具。
自相关函数反映时间序列同一时点和滞后时点的相关性，偏自相关函数反映时间序列去除其他时间点的影响后，同一时点和滞后时点的相关性。
通过分析自相关函数和偏自相关函数可以确定时间序列的阶数和建立ARMA模型。
3.时间序列分解时间序列分解是将时间序列分为趋势、季节和随机成分三个部分的过程。
趋势部分反映时间序列随时间变化的总趋势；季节部分反映时间序列按照固定时间间隔变化的周期性波动；随机成分则反映时间序列中的随机波动。
通过时间序列分解可以更好地理解时间序列的规律和趋势，为建立合适的时间序列模型提供依据。
4.建立时间序列模型建立时间序列模型是对时间序列进行预测的基础。
ARMA模型是一种常用的时间序列分析模型。
ARMA模型分为AR模型和MA模型两种，AR模型是关于过去值的线性回归模型，MA模型是关于误差序列的线性回归模型。
ARMA模型通过选择最优模型和进行参数估计可以预测未来的时间序列值。
NAM模型率定的研究现状与展望解恒燕;姚璇;郑鑫;M.L.Chu【摘要】NAM模型是概念性的降雨-径流模型,其主要参数的精度一直是制约其扩展应用范围的重要因素.中间参数通常用率定的方法反算得到,其精度与反算方法直接相关.基于NAM模型基本原理与特点,对模型尤其是参数率定的发展与研究现状进行了总结,指出采取多种反演方法组合,结合多目标反演进行参数率定将有效提高模型率定精度.【期刊名称】《黑龙江八一农垦大学学报》【年(卷),期】2017(029)005【总页数】6页(P89-94)【关键词】NAM模型;率定;精度;现状;展望【作者】解恒燕;姚璇;郑鑫;M.L.Chu【作者单位】黑龙江八一农垦大学,大庆 163319;黑龙江八一农垦大学,大庆163319;黑龙江八一农垦大学,大庆 163319;伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校农业与环境工程系【正文语种】中文【中图分类】TV11现代科学技术的快速发展使得以计算机和通信为核心的信息技术在水文水资源及水利工程科学领域的应用日益广泛，流域水文模型的研究发展迅速[1]。
流域水文模型在解决水文实际问题以及进行水文规律研究中均起着重要的作用[2]，如水资源优化配置、规划及管理，洪水预测、水环境可持续发展等。
NAM（丹麦语“Nedbør-Afstrømnings-Model”的缩写）模型是集总式概念性水文模型，它模拟的是流域范围内发生的降雨径流过程。
此模型由丹麦理工大学水力动力工程学院的Nielsen和 Hansen于1973年首次提出[3]，经丹麦水与环境研究所（简称DHI）逐步完善，利用水文循环中各种陆相特征做简单的定量数学公式表达。
NAM模型结构简单、参数较少且物理意义明确易于率定，在以往研究中，世界各地气候差异地区的流域均得以广泛应用。
在NAM模型应用的过程中，中间参数的率定问题一直是制约其广泛使用的瓶颈，存在着率定精度低，反演随意性大及反演方法可靠性差等问题。
第 6 期水 利 水 运 工 程 学 报No. 6 2023 年 12 月HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERING Dec. 2023 DOI:10.12170/20230613003王坤，李玉龙，李琛曦，等. 基于GRACE卫星的黄淮海地区地下水储量变化与归因分析[J]. 水利水运工程学报，2023（6）：24-34. （WANG Kun, LI Yulong, LI Chenxi, et al. Variations in groundwater storage in the Huang-Huai-Hai region and attribution analysis based on GRACE data[J]. Hydro-Science and Engineering, 2023（6）: 24-34. （in Chinese））基于GRACE卫星的黄淮海地区地下水储量变化与归因分析王坤1，李玉龙2，李琛曦2，赖燕玲2，杨传国1, 3(1. 河海大学水文水资源学院, 江苏南京210098； 2. 河北省地质资源环境监测与保护重点实验室, 河北石家庄050021； 3. 河海大学水灾害防御全国重点实验室, 江苏南京210098)摘要: 黄淮海地区是中国水资源短缺严重的地区之一，地下水的过度消耗已成为该地区经济社会发展的主要制约瓶颈。
基于2003—2021年GRACE重力卫星数据和GLDAS陆面同化数据计算并评估黄淮海地区地下水储量变化，利用统计检验方法分析其时空变化特征，从降水、蒸散发、地下水供水、跨流域调水等方面分析地下水储量变化原因。
结果表明：黄淮海地区94.2%的区域地下水储量呈下降状态，平均变化速率为−1.22 cm/a，其中海河流域为−1.75 cm/a，淮河流域为−0.57 cm/a，黄河流域花园口以下为−2.11 cm/a，表现出自南向北逐步增大趋势。
不同流域地下水储量变化的主导因素有差异，降水对淮河流域地下水储量变化的影响程度显著大于海河流域，而海河流域和黄河流域花园口以下地区地下水储量减少主要原因是多年以来大量的地下水开采。
第３８卷第４期 华北水利水电大学学报（自然科学版） Ｖｏ１．３８ Ｎｏ．４ ２０１７年８月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ａｕｇ．２０１７
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—５６３４．２０１７．０４．０１０ 信息熵在水文水资源科学中的研究进展
徐鹏程，王栋 （南京大学地球科学与工程学院，江苏南京２１００４６） 摘要：在介绍信息熵的基本概念与相关原理的基础上，主要从水文序列分析、站网布设评估、水文预报、水质评 价、水资源评估等方面，对信息熵在水文水资源科学中近１５年的研究进展进行了综述。信息熵原理能够 最大化地利用现有的数据，并且允许采用基于经验的主观信息方法。现有的研究成果表明，基于信息熵原 理的研究手段在解决水文相关问题的过程中发挥了重要作用，具有广阔的应用前景。未来需要将信息熵 和Ｃｏｐｕｌａ函数有机地结合起来，以解决信息熵理论在联合概率密度选择上的局限性问题。 关键词：信息熵；水文水资源；研究进展；Ｃｏｐｕｌａ函数 中图分类号：ＴＶ１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—５６３４（２０１７）０４—００７１—０８
水系统是一个复杂的动态巨系统，其演化发展 受到很多未知因素的制约，不确定性（如模糊性和 随机性）不可避免。丁晶等…系统地综合了随机水 文学领域的诸多基本理论和方法，为研究水系统的 随机性提供了有力的工具。陈守煜 认为，水文 系统中许多概念的外延存在一定的不确定性，对立 概念之间的划分具有中间过渡阶段，为此提出了 “模糊水文学”的概念。 熵是量化系统的无序和混乱度的指标。熵起源 于１９世纪经典热力学的发展，但是其深刻意义已不 再局限于热力学这个范畴。随着现代科技的不断发 展，熵的概念已广泛应用于理、工、农、医、人文、社科 等诸多领域。特别是在２０世纪４０年代，信息科学 为研究信息的不确定性而定义了“信息熵”，由此拉 开了各行各业广泛运用信息熵的大幕。 经过水文水资源工作者的不断钻研，信息熵已 经成为水文水资源科学领域中不确定性研究的有力 工具 。 。本文在简要介绍信息熵的基本概念与相 关原理的基础上，着重探讨自２００１年文献［６］发表 以来，信息熵在水文水资源科学中的水文序列分析、 站网布设评估、水文预报、水质评价、水资源评估等 方面的应用研究进展。 １信息熵基本理论 １．１ 熵 熵的概念内涵丰富，一般说来可以分为以下 两类 。
一类是热力学和统计力学领域的物理熵，用来 表征物理系统的混乱或无序程度。１９世纪中叶， Ｃｌａｕｓｉｕｓ为研究热力学第二定律，提出了新的状态 函数——熵，这是热力学熵。紧接着Ｂｏｈｚｍａｎｎ又 赋予熵统计力学的阐述，极大地丰富了其物理内涵， 并推导出了熵在统计力学上的表达式，即著名的玻 耳兹曼关系式，这就是统计力学熵。 另一类称之为信息熵。这是Ｓｈａｎｎｏｎ于１９４８ 年在贝尔实验室创立信息论的过程中定义的一个量 化信源不确定性的量，并把其称之为熵，从而使得熵 的概念越来越丰富。 １．２信息熵及其性质 首先介绍熵的概念。熵是随机变量不确定度的
度量。将信源 的熵定义为ｎ维概率矢量Ｐ＝（Ｐ．， Ｐ：，…，Ｐ ），则其熵函数可以定义为：
收稿日期：２０１７—０２—１３ 基金项目：国家自然科学基金（４１５７１０１７）；教育部博士点基金（２０１２００９１１１００２６）。 作者简介：徐鹏程（１９９０一），男，江苏金坛人，博士研究生，从事水文学与水资源方面的研究。 １６３．ｔｏｍ。 王栋（１９７２一），男，山东沂水人，教授，博导，博士，从事水文学与水资源方面的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｗａｎｇｄｏｎｇ＠ｎｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。 ７２ 华北水利水电大学学报（自然科学版） ２０Ｉ７年８月 ｔ４（Ｘ）＝一∑Ｐ ｌｏｇ Ｐ ＝日（Ｐ）。 （１） 式中的Ｈ（Ｐ）具备如下性质 ］： ①非负性。式（２）的等号只在Ｐ ＝１时成 立，即：
日（Ｐ）：Ｈ （Ｐ ，Ｐ：，…，Ｐ ）≥０。 （２） 式中Ｈ （Ｐ ，Ｐ：，…，Ｐ ）为信源ｘ取不同值（Ｐ ，Ｐ：，…， Ｐ ）时得到的信息熵值。 ②对称性。熵函数内所有变元都可以任意互 换，不改变其函数值，即为： Ｈ （Ｐ ，Ｐ ，…，Ｐ ）＝Ｈ （Ｐ２，Ｐ ，…，Ｐ ）＝…＝ Ｈ （Ｐ ，Ｐ ，…，Ｐ ）。 （３） ③确定性。只要信源符号表中第一个符号的出 现概率为１，信源熵就为零，即为： Ｈ（１，０）＝Ｈ（１，０，…，０）＝０。 （４） ④可加性。日（ ・】，）表示 、ｌ，的联合熵，当它 们互相独立时满足： （ ・Ｙ）＝Ｈ（Ｘ）＋Ⅳ（１，）。 （５） ⑤极值性。对于任意概率分布Ｐ ，它对其他概 率分布ｑ 的自信息［一ｌｏｇ（１／ｑ ）］取数学期望时，必 小于Ｐ 本身的熵，这也称为Ｃ．Ｅ．Ｓｈａｎｎｏｎ辅助定理：
（ ）＝Ｈ （Ｐ ，Ｐ２，…，Ｐ ）≤一∑Ｐ ｌｏｇ２ｑ 。 （６） 运用Ｃ．Ｅ．Ｓｈａｎｎｏｎ辅助定理可以得到以下结 论：离散无记忆信源输出的信息符号，出现概率相等 时（即ｐ ＝１／ｎ），熵达到最大值。 １．３最大熵原理与Ｂｕｒｇ熵定理 １９５７年，Ｊａｙｎｅｓ在统计力学中首次提出最大熵 原理（Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｍａｘｉｍｕｍ Ｅｎｔｒｏｐｙ，ＰＯＭＥ），随后将 其引人到信息论中。按照最大熵原理 ，在不适定 问题的所有可能解中，应该选择在一定约束条件下 使熵最大的那个解。由此，在只掌握样本部分信息 的情况下，一般选择符合约束条件下信息熵值最大 的概率分布，这可作为最大熵原理在多数样本概率 分布推求中应用的依据。 ２０世纪６Ｏ年代后期，Ｂｕｒｇ提出了一种研究地 球物理学中谱估计的方法，广泛用来估计谱密度，即 Ｂｕｒｇ熵定理 。 其满足如下条件： Ｅ（ ｉ …）＝０ ，ｋ＝０，１，…，Ｐ。 （７） 对所有的ｉ的最大熵率随机过程｛ ｝必是如下 形式的Ｐ阶高斯一马尔克夫过程： Ｐ ＝一∑Ⅱ 一 ＋ｚ 。 （８） 式中：ｚ 为独立同分布，ｚ ～Ⅳ（０，ｏｒ ）；ａ ，０ ，…，。。 与ｏｒ 是满足条件（７）的待定参数；Ｅ（ ）为自相 关函数。 因此，满足约束条件的最大熵率随机过程为一 个满足约束条件的Ｐ阶高斯一马尔克夫过程。 ２信息熵在水系统中的应用研究 近１５年来，信息熵原理在水文及水资源领域得 到了广泛运用，主要涉及到以下几个方面：水文序列 分析、站网布设评估、水文预报、水质评价和水资源 评估。现将前人的研究成果归纳如下。 ２．１水文序列分析 水系统由于受到气候以及人类活动的影响，表 现出非常复杂的特点。水文随机模拟能够对复杂的 水文过程进行较为精细化的模拟和预报，很大程度 上是因为其保持了原径流序列的各种统计特征。而 基于信息熵原理的水文序列模型，能结合信息熵对 随机过程的定量描述优势，较为客观地分析水文 序列。 彭涛等 基于非线性动力学参数样本熵的方 法对东江月径流序列进行了模拟分析，认为各站的 径流滑动平均值与相应的样本熵值存在着反相关关 系，并且径流量与相应的样本熵的峰、谷值之间存在 较好的对应关系。ＷＡＮＧ等 针对复杂水文序列 信噪分离这一关键技术难题，提出了一种基于样本 熵的序列小波消噪方法，并运用于多个典型流域的 不同特性的水文气象序列，验证了该方法的有效性 和优越性。ＬＩＵ等 引针对水文领域普遍存在的小 样本或数据匮乏的情况（尤其是发展中国家），重点 对小样本水文系统的不确定性、复杂度量化等诸多 问题开展了研究。王远坤等 基于多尺度熵理论 分析了葛洲坝水库对长江干流径流的影响，认为水 库的存在对于长江干流径流序列的结构复杂性有着 一定的影响。ＬＩ等¨ 采用多尺度熵理论评价了大 坝影响下的密西西比河径流的复杂性变化规律。 ＺＨＯＵ等 应用多尺度熵理论评估了新丰江水库 和枫树坝等水利工程对我国东江流域径流序列复杂 性的影响。孑Ｌ祥铭等 以香溪河流域兴山水文站 近４０年的径流量为基础，采用最大熵的方法对其月 径流量的变化特征进行了分析，结果表明，最大熵方 法可以有效地模拟香溪河流域的月径流量概率分 布，优于Ｐ一１１Ｉ型分布，更能体现其统计特性。赵丽 娜等 依据最近邻抽样随机原理，建立了最大熵分 布扰动最近邻抽样随机模型，采用最大熵分布方法 模拟扰动项，可在很大程度上减少人为主观的假定 第３８卷第４期 徐鹏程，等： 信息熵在水文水资源科学中的研究进展 ７３ 偏见，使得模拟过程更加客观、合理。阳艾利等 将最大熵方法和Ｃｏｐｕｌａ函数相结合，利用最大熵方 法生成变量的边缘分布，然后利用Ｃｏｐｕｌａ函数生成 变量的联合分布，分析了变量间的相关性，并以香溪 河流域为研究对象，对其降雨一径流水文频率进行 分析。张明等 提出了基于遗传熵谱估计算法 （Ｇｅｎｅｔｉｃ Ｅｎｔｒｏｐｙ Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ＧＥＳ）的 年径流量周期识别方法，该方法以加速遗传算法为 优化算法，使得其估计结果不受初始值的限制，对数 据长度、信噪比的适应性较好。ＲＯＳＨＡＮ等 采用 了最大熵法对多站点与多季节性的径流分析模拟， 并认为最大熵法兼顾到了时间和空间的结构复杂 性，能够模拟出随机的、原始的累计分布。ＣＯＯＫ 等 基于最大熵方法评估了单站点降雨一径流序 列中累计概率分布。ＨＡＯ等 提出了基于信息熵 的单站点月径流量模拟方法，在无需假定概率密度 函数的前提下，保持原始数据的各种统计特性，包括 临界月径流量的相关关系。冯文宏等 利用滑动 移除近似熵的方法对泾河张家山站４０ ａ的径流序 列点进行了模拟分析。ＸＵ等 提出了最大信息熵 与Ｇｕｍｂｅｌ—Ｈｏｕｇａａｒｄ Ｃｏｕｐｌａ结合的方法进行月径 流量的分析，并运用到香溪河流域的径流研究中，结 果表明，该方法可以客观、真实地反映邻近月份的径 流结构，最大熵在应用过程中都需要考虑到时间尺 度的影响。ＺＨＡＯ等 利用最大熵生成准则（Ｍａｘ— ｉｍｕｍ Ｅｎｔｒｏｐｙ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ＭＥＰ）对任意时间尺度下 流域范围内的水量平衡方程进行了广义描述，发现 不同时问尺度下的经验模型具有相同的热力学机 制，认为ＭＥＰ法具有约束水力模型的参数选择的潜 力。牛林森和宋松柏 利用交互熵的方法对实测 年降水序列进行指标估计偏差分析，发现利用最小 交互熵原理进行水文分布参数估计具有普适性。 ２．２站网布设评估 水文站网的布设评估是较为复杂的问题，主要 难点是对站网效率和资金收益的评估缺乏对比的基 础。站网布设评估通过引进信息熵概念，可定量估 算各站网所获得的信息量，进而对比在取得相同信 息量条件下各站网的效率、收益和成本。信息熵在 站网规划中得到广泛的应用，主要在于互信息的这 一信息量刻画指标能够定量地描述站点对之间的信 息冗余量。 ＫＯＮＧ等 提出了基于信息熵的多标准评价 方法，该方法能够兼顾到雨量站的信息量和降低真 实的雨量差异，同时能够弱化站点间的信息重复覆 盖量，以新安江流域提供的１８５个站点为算例进行 分析，结果表明，该评价方法在区域水文研究和水资 源管理中起到了至关重要的作用。ＣＨＥＮ等 耦 合了克里格法和信息熵理论，克里格法作为一种内 插器，用以将流域内的降雨量重新进行雨量线性均 化，而信息熵用来量化计算流域内每个雨量站的信 息量。通过对条件熵值和传递熵值的计算，得出最 优雨量站网分布和最小的雨量站数。陈颖等 基 于美国密苏里河流域３个子流域的水文站网在 ２０１１年１０月一２０１２年９月获取的日均流量数据， 采用信息熵理论对站点的边缘熵值及站点间信息传 递量进行了定量评价，并建立站网优化的目标函数 对站点进行优选。结果表明，选择的站点组合提供 信息的能力随站点数的增加先增加后减小。ＶＩＶＥ— ＫＡＮＡＮＤＡＮ等 也认为在任何地理区域内，建立 和维护站网需要对水资源工程项目进行一定的计 划、设计和管理，以此达到降低项目失败的可能性和 减小经济风险的目标。为此，首先采用Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ． Ｓｍｉｒｎｏｖ测试检验数据是否满足标准正态分布，接着 从边缘熵和条件熵值两个视角计算得到信息传递指 标，最终得出最优的站网分布。ＭＡＲＫＵＳ等 认 为，信息熵理论作为量化站网产生的信息量的最具 潜力的方法，将不断提高现有雨量监测项目的效率 和成本利用率；针对Ｉｌｌｉｎｏｉｓ州径流站网的优化分布 问题，通过信息熵和最小二乘法（Ｇｅｎｅｒｉｚｅｄ Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅ，ＧＬＳ）的有机结合，创新性地提出了一些信息 评价指标（比如总体站网信息量），并以此作为惩罚 函数来分析信息熵和ＧＬＳ的权重问题；两者耦合后 得出的站点评估等级与信息熵、ＧＬＳ各自得出的等 级相一致，他们预测，信息熵和ＧＬＳ的耦合方法用 于区域站网的评估，势必会给未来站网项目的研究 提供更为广阔的前景。ＭＡＨＭＯＵＤＩＭＥＩＭＡＮＤ 等 采用了站点雨量方差估计值和信息熵相结合 的评估方法对伊朗的Ｋａｒｋｈｅｈ雨量站网的空间分布 和数量进行了优化，最终依据站网的传递信息值计 算得出候选站点中的１０个站点作为增入量，充分覆 盖了所有的雨量分布。ＭＯＧＨＥＩＲ等 采用了信息 熵的方法对地下水水质监测站网进行合理规划，并 提出以监测井点之间的距离为基础的函数来表征信 息传递熵的存在，认为其对于站点的重新规划和评 估有着重要的作用。ＫＩＭ等 基于最大信息熵的 方法确定了区域水文模型中站点的数目以及站点的 合理布置，表明最大信息熵方法具有一定的实用性。 ２．３ 水文预报 水文时间序列中往往隐含着复杂的周期变化， 在水文预报过程中这些复杂的外部因素使得水文预
