一种基于信息论指标的水库调度模块评价方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及水文水资源技术领域，提出一种基于信息论指标的水库调度模块评价方法及系统，其中包括以下步骤：获取水库中基于时间序列的入库径流Q、出库径流O和水库蓄水量V；基于信息论分别计算水库中上一时刻的入库径流与当前时刻的出库径流之间的互信息I(Q

【技术实现步骤摘要】
一种基于信息论指标的水库调度模块评价方法及系统


[0001]本专利技术涉及水文水资源
，更具体地，涉及一种基于信息论指标的水库调度模块评价方法及系统。

技术介绍

[0002]水库对于水资源的分配与管理具有重要作用，随着全球水库数量的增加，越来越多的全球水文模型开始考虑水库的建造对于水文过程的影响，因此水库调度模块成为全球水文模型中一个重要的组成部分。运用在不同全球水文模型Water Balance Model plus(WBMplus)，Water
‑
Global Assessment and Prognosis 2.0(WaterGAP 2)和Community Water Model(CWatM)中的不同类型的水库调度模块应运而生，面对复杂的水库调度规则，需要对不同的水库调度模块的有效性进行评价。
[0003]目前对于水库调度模块的评价，主要通过比较观测值和模拟值之间的相关关系，来说明模拟值与观测值的接近程度，从而评价模型模拟性能的好坏。然而普通的评价指标比如确定性系数只是相关系数的平方，而相关系数这一指标只能量化观测值与模拟值之间的线性关系，难以捕捉到非线性关系。而且对于模型的有效性，即模型多大程度上可以表示输入变量与输出变量间的依赖关系，普通的评价指标也无法表征其内在复杂的非线性的关系。因此，对于水库调度模块的评价，应该同时考虑到模块的有效性和评价指标可以表征复杂非线性的特点。

技术实现思路

[0004]本专利技术为克服上述现有技术中对于水库调度模块的评价指标只能量化观测值与模拟值之间的线性关系，难以捕捉到非线性关系的缺陷，提供一种基于信息论指标的水库调度模块评价方法，以及一种基于信息论指标的水库调度模块评价系统。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种基于信息论指标的水库调度模块评价方法，包括以下步骤：
[0007]S1、获取水库中基于时间序列的入库径流Q、出库径流O和水库蓄水量V；
[0008]S2、基于信息论分别计算水库中上一时刻的入库径流与当前时刻的出库径流之间的互信息I(Q
t
‑1；O
t
)，上一时刻的水库蓄水量与当前时刻的出库径流之间的互信息I(V
t
‑1；O
t
)，以及上一时刻入库径流、水库蓄水量与当前时刻的出库径流之间的互信息I(Q
t
‑1；V
t
‑1；O
t
)；
[0009]S3、运行水库调度模块，所述水库调度模块中预设有若干水库调度模型，得到基于相应水库调度模型的水库径流模拟值；
[0010]S4、基于信息论计算当前时刻水库的出库径流O
t
与相应水库调度模型的水库径流模拟值之间的互信息，并与互信息I(Q
t
‑1；O
t
)、I(V
t
‑1；O
t
)和I(Q
t
‑1；V
t
‑1；O
t
)进行比较，得到水库调度模块评价结果。
[0011]本技术方案中，首先获取水库的入库径流、出库径流和水库蓄水量的时间序列数
据，分别计算入库径流和出库径流，水库蓄水量与出库径流，以及入库径流、水库蓄水量与出库径流的互信息值，运行全球水文模型下的水库调度模块，得到模拟的水库出库径流值，再计算观测的出库径流值与模拟的出库径流值之间的互信息，进而对综合各元素的互信息值进行比较，从而充分考虑到水库调度模块的有效性和评价指标可以表征变量间复杂非线性的特点，避免普通评价指标只考虑线性关系的片面性。
[0012]进一步的，本专利技术还提出了一种基于信息论指标的水库调度模块评价系统，应用于上述基于信息论指标的水库调度模块评价方法。其中包括水库数据采集模块、互信息计算模块、水库调度模块和评价模块，具体的：
[0013]水库数据采集模块用于获取水库中基于时间序列的入库径流Q、出库径流O和水库蓄水量V；
[0014]互信息计算模块用于基于信息论分别计算水库中上一时刻的入库径流与当前时刻的出库径流之间的互信息I(Q
t
‑1；O
t
)，上一时刻的水库蓄水量与当前时刻的出库径流之间的互信息I(V
t
‑1；O
t
)，以及上一时刻入库径流、水库蓄水量与当前时刻的出库径流之间的互信息I(Q
t
‑1；V
t
‑1；O
t
)；以及用于计算当前时刻水库的出库径流O
t
与相应水库调度模型的水库径流模拟值之间的互信息；
[0015]水库调度模块中预设有若干水库调度模型，将所述水库数据采集模块采集的数据输入水库调度模块中运行，输出得到基于相应水库调度模型的水库径流模拟值；
[0016]评价模块用于将所述互信息计算模块输出的水库的出库径流O
t
与相应水库调度模型的水库径流模拟值之间的互信息，与所述互信息计算模块输出的互信息I(Q
t
‑1；O
t
)、I(V
t
‑1；O
t
)和I(Q
t
‑1；V
t
‑1；O
t
)进行比较，生成水库调度模块评价结果。
[0017]进一步的，本专利技术还提出一种基于信息论指标的水库调度模块评价系统，其中包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行存储器中的计算机程序时实现上述的水库调度模块评价方法的步骤。
[0018]与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：本专利技术通过综合入库径流和出库径流、水库蓄水量之间的互信息值与不同的水库调度模块下模拟值的互信息值进行比较，实现基于信息论指标评估水库调度模块的有效性，量化输入变量与输出变量之间的复杂的依赖关系以及最大可能捕捉到的信息值，与模拟值捕捉到的信息值进行比较，保证所有数据信息不丢失的情况下模拟值与观测值之间的相关关系，避免只考虑线性关系而忽略非线性关系的情况。
附图说明
[0019]图1为实施例1的基于信息论指标的水库调度模块评价方法的流程图。
[0020]图2为实施例3的FOL水库所处位置示意图以及水库所控制区域的高程分布图。
[0021]图3为实施例3的FOL水库入库径流、出库径流和水库蓄水量的月均值示意图。
[0022]图4为实施例3的FOL水库入库径流、出库径流和水库蓄水量的三维散点图。
[0023]图5为实施例3的互信息值数据比较示意图。
[0024]图6为实施例3的1、4、7、10月的观测和模拟出库径流的散点图。
[0025]图7为实施例4的基于信息论指标的水库调度模块评价系统的架构图。
具体实施方式
[0026]附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于信息论指标的水库调度模块评价方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取水库中基于时间序列的入库径流Q、出库径流O和水库蓄水量V；S2、基于信息论分别计算水库中上一时刻的入库径流与当前时刻的出库径流之间的互信息I(Q
t
‑1；O
t
)，上一时刻的水库蓄水量与当前时刻的出库径流之间的互信息I(V
t
‑1；O
t
)，以及上一时刻入库径流、水库蓄水量与当前时刻的出库径流之间的互信息I(Q
t
‑1；V
t
‑1；O
t
)；S3、运行水库调度模块，所述水库调度模块中预设有若干水库调度模型，得到基于相应水库调度模型的水库径流模拟值；S4、基于信息论计算当前时刻水库的出库径流O
t
与相应水库调度模型的水库径流模拟值之间的互信息，并与互信息I(Q
t
‑1；O
t
)、I(V
t
‑1；O
t
)和I(Q
t
‑1；V
t
‑1；O
t
)进行比较，得到水库调度模块评价结果。2.根据权利要求1所述的基于信息论指标的水库调度模块评价方法，其特征在于，所述S2步骤中，采用概率密度函数、联合概率密度函数和多维联合密度函数计算得到互信息I(Q
t
‑1；O
t
)、I(V
t
‑1；O
t
)和I(Q
t
‑1；V
t
‑1；O
t
)。3.根据权利要求2所述的基于信息论指标的水库调度模块评价方法，其特征在于，所述S2步骤中，其具体步骤如下：S2.1、基于信息论计算水库中上一时刻的入库径流与当前时刻的出库径流之间的互信息I(Q
t
‑1；O
t
)，其表达公式如下：S2.2、基于信息论计算水库中上一时刻的水库蓄水量与当前时刻的出库径流之间的互信息I(V
t
‑1；O
t
)，其表达公式如下：S2.3、基于信息论计算水库中上一时刻入库径流、水库蓄水量与当前时刻的出库径流之间的互信息I(Q
t
‑1；V
t
‑1；O
t
)，其表达公式如下：式中，入库径流Q
t
‑1＝{q0,q1,...,q
N
‑1}，出库径流O
t
＝{o0,o1,...,o
N
‑1}，水库蓄水量V
t
‑1＝{v0,v1,...,v
N
‑1}，其中N为时间序列长度；p(
·
)为概率密度函数，p(
·
,
·
)为联合概率密度函数，p(
·
,
·
,
·
)为多维联合密度函数。4.根据权利要求1所述的基于信息论指标的水库调度模块评价方法，其特征在于，所述水库调度模块中预设的水库调度模型包括WBMplus模型、WaterGAP2模型和CWatM模型。5.根据权利要求4所述的基于信息论指标的水库调度模块评价方法，其特征在于，所述S3步骤中，其具体步骤如下：将水库中基于时间序列的入库径流Q、出库径流O和水库蓄水量V输入水库调度模块，水库调度模块运行并调用其预设的水库调度模型，得到相应水库调度模型的水库径流模拟值；其中：
基于WBMplus模型的水库径流模拟值O
WBMplus,t
的表达公式为：式中，κ、λ分别为WBMplus模型的模型参数，Q
in,avg
为水库的入库径流历史均值；基于WaterGAP2模型的水库径流模拟值O
WaterGAP2,t
的表达公式为：式中，V
max
和V
min
分别为水库蓄水量的最大值和最小值，k
r
为出流系数，Δt表示时间步长；基于CWatM模型的水库径流模拟值O
CWatM,t
的表达公式为：式中，V
total
为水库总库容，F为水库填充率；L
c
为保护蓄水极限，L
n
为正常蓄水极限，L
f
为洪水蓄水极限；O
min
为最小出流量，O
norm
为正常出流量，O
nd
为非破坏性出流量。6.根据权利要求4或5所述的基于信息论指标的水库调度模块评价方法，其特征在于，所述S4步骤中，计算当前时刻水库的出库径流O
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵铜铁钢，马心远，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：