基于信息熵理論的水文站網(wǎng)評價優(yōu)化研究.pdf

1、水文站網(wǎng)作為流域水文信息提供的載體，布局合理與否直接影響其所獲取的水文數(shù)據(jù)對于流域內(nèi)在規(guī)律及特征分析的代表性及研究價值。然而目前出現(xiàn)的“數(shù)據(jù)充分而信息缺乏”的問題卻導致投入了大量人力財力及資源的水文站網(wǎng)獲取的數(shù)據(jù)存在冗余性，反而為研究和應用帶來了不便和干擾。因此針對站網(wǎng)布設中的信息冗余進行優(yōu)化，得到信息提供量最大的站網(wǎng)，不僅能夠為水文建設工作節(jié)約資源及投入，更能為水文水資源研究工作提供科學系統(tǒng)的水文數(shù)據(jù)。
　　傳統(tǒng)的站網(wǎng)優(yōu)化方法存

2、在一定的限制及不足，而本文引進的信息熵是系統(tǒng)不確定性或信息量的度量。信息熵方法與傳統(tǒng)的站網(wǎng)優(yōu)化方法不同的是，這種方法是建立在信息論的基礎上，從系統(tǒng)性和整體性的角度對站點所能提供的信息量大小及站點之間的信息傳遞能力進行量化。通過建立站網(wǎng)評價模型和優(yōu)化模型對站網(wǎng)的布設進行優(yōu)化評價。本文結合實例對基于信息熵的站網(wǎng)評價與優(yōu)化模型方法進行研究與分析，試圖為流域站網(wǎng)優(yōu)化提供一種新的可行方法。主要研究內(nèi)容及結果如下:
　　(1)本文從信息熵的相

3、關基礎理論出發(fā)，針對流域水文站網(wǎng)及數(shù)據(jù)的特點，即水文站點之間存在信息的可傳遞性、相關性及衰減性，對引用信息熵方法進行水文站網(wǎng)評價和優(yōu)化的合理性及可行性進行了論證，為進一步的探索奠定了理論基礎。
　　(2)在已有的描述站點間信息傳輸規(guī)律的兩種模型，互信息距離模型和相關系數(shù)距離模型的基礎上，提出了互信息沿線距離模型和相關系數(shù)沿線距離模型。利用四個模型對三個實驗子流域的站點之間流量信息和水位信息的傳輸規(guī)律進行模擬，對比發(fā)現(xiàn)最佳模型為互信

4、息距離模型。因此利用互信息距離模型在不同的信息傳遞標準下，對水文站點空間控制范圍進行評價。結果表明對于兩種水文信息而言，站點間均存在一定的冗余性，可以進行站點約簡。
　　(3)從空間上對站點組合進行優(yōu)選，引進兩種基于信息熵理論的站點優(yōu)選模型:MaxT模型和ti模型，對三個實驗子流域的站點進行空間優(yōu)選。通過對比兩種模型的實驗結果可以得出基于信息熵的方法更適用于約減站網(wǎng)中的冗余站點。通過對比基于兩種監(jiān)測數(shù)據(jù)的站點優(yōu)選結果可以得出不同的

5、水文信息在空間上的傳輸特征是有差異的。在實際設站時，應該綜合考慮該站點對不同水文監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息提供能力。
　　(4)從時間上對站點進行優(yōu)化，即站點監(jiān)測頻率的優(yōu)化。選用站網(wǎng)中信息熵值最大和最小的站點分別進行監(jiān)測頻率優(yōu)化實驗。結果表明，信息熵方法可以很好的用于監(jiān)測頻率優(yōu)化，因為該方法可以定量度量不同監(jiān)測頻率下，新監(jiān)測序列所能提供的信息量大小，根據(jù)不同的監(jiān)測精度要求可以確定相應的監(jiān)測頻率。
　　本文創(chuàng)新點在于引進信息熵理論對站網(wǎng)評