基于EVT法和MC模型的极限水文干旱历时计算研究

【目的】研究极值理论(extreme value theory,EVT)法和马尔科夫链(Markov chain,MC)模型在极限干旱历时计算中的预测精度,为区域干旱历时预报提供依据。【方法】以黄河流域兰州、龙门、白马寺3个水文站年径流序列为例,利用EVT法和MC模型2种方法分别计算不同截断水平对应的极限干旱历时(Expected longest duration,E(LT)),并采用纳什效率系数(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient,NS)和平均绝对百分误差(Mean absolute percentage error,MAPE)评价2种方法的计算精度。【结果】兰州、龙门、白马寺3个水文站采用EVT法计算的极限干旱历时值E(LT)与对应观测值(Observed longest duration,LT-ob)的NS和MAPE分别为0.921 0,0.854 6,0.929 4和0.046 0,0.155 5,0.039 1;而一阶马尔科夫链(one-order Markov chain,MC-1)模型结合hazen绘点位置公式计算的极限干旱历时值与对应观测值的NS和MAPE分别为0.824 7,0.668 1,0.908 1和0.206 3,0.327 3,0.104 6。2种方法均可取得较好的计算效果,但EVT法的计算精度优于MC-1模型。【结论】EVT法较MC-1模型所需要的参数少,计算过程较为简单,且计算结果误差小,是黄河流域可行的极限干旱历时计算方法。     

年径流序列趋势识别研究

【目的】采用修正Mann-Kendal法,进行年径流序列的趋势识别,以期为陕北地区的水资源利用与管理提供依据。【方法】采用Mann-Kendal法,对年径流序列的统计变量和方差、秩次序列的显著自相关系数、年径流序列的方差修正因子和修正方差及修正统计量进行计算。依据陕北地区11个测站的年径流资料,采用传统的参数、非参数检验法和修正Mann-Kendall法,进行了年径流序列趋势识别的实例研究。【结果】神木站、刘家河站和枣园站的年径流序列存在显著的正自相关系数,绥德站和黄陵站的年径流序列存在显著的负自相关系数;神木站的年径流量呈现明显的下降趋势,绥德站、交口河站、刘家河站、志丹站、张村驿站、枣园站和黄陵站的年径流量略有下降趋势,吴旗站和安塞站的年径流量略有上升趋势,而杏河站的年径流量无明显变化。【结论】修正Mann-Kendall法充分考虑了序列相关性对趋势检验的影响,是年径流趋势识别的一种新途径。     

基于混沌神经网络的径流预测模型

【目的】揭示径流时间序列变化规律并进行预测,为水库调度提供指导。【方法】针对径流时间序列的非线性特点,利用重构相空间的嵌入维数确定神经网络的结构,建立了基于混沌相空间重构的径流量预测BP网络模型,并利用该模型对位于陕西省汉江上游的石泉水文站的径流时间序列进行了预测。【结果】实例计算结果表明,石泉水文站月平均流量的时间序列具有混沌性,最大嵌入维数为12,依此构建的BP神经网络收敛速度快、预测精度较好。【结论】利用重构相空间中的最佳嵌入维数,可合理确定BP神经网络的输入层节点数。     

滹沱河上游径流演变及其影响因素分析

【目的】通过分析滹沱河上游流域的水文气象变化特征,从气候变化和人类活动两方面定量探讨径流变化的影响因素,为区域水资源的优化管理、规划和决策提供理论基础.【方法】采用Mann-Kendall趋势和突变检测法、流量历时曲线法和水文敏感性分析法.【结果】1957～2013年,滹沱河上游径流呈现显著的减少趋势,减少量0.15×10~(8 )m~3/a.径流的年际变化序列在1979年发生突变,突变前后年径流均呈减少趋势.与1957～1979年相比,1980～2013年径流的减少趋势有所减缓,仅为之前的38%,而多年平均径流的减少量超过50%.同时流量历时曲线存在明显下移,径流的年内分配更加趋于均匀,季节变化的差异减小.基于水文敏感性分析法,1980～2013年流域径流减少有26.7%归因于气候变化,而有73.3%归因于人类活动.【结论】1957～1979年,降水减少可能是引起滹沱河上游流域径流迅速减少的主要原因;而1980～2013年径流减少的主因则为工农业耗水和城镇生活用水的激增,即人类活动是滹沱河径流减少的主因.     

基于混合分布非一致性年径流序列频率参数的计算

【目的】在2个分布组成的混合分布假设下,研究非一致性年径流序列的频率参数计算问题,为陕北及关中地区的水资源利用与管理提供依据。【方法】假设非一致性年径流序列变异点前后的序列分别服从2个对数正态分布或2个P-Ⅲ分布,全序列服从由这2个分布组成的混合分布,采用水文变异点综合诊断方法,确定非一致性年径流序列的变异点,最后采用模拟退火算法对混合分布序列进行频率参数估计。【结果】将基于混合分布非一致性年径流序列频率计算的方法应用于陕北及关中地区的实测平均流量序列,理论频率与经验分布拟合较好。【结论】混合分布模型是进行非一致性年径流序列频率计算的一种有效途径。     

基于SWAT的金塔河流域综合干旱指数构建及其适用性分析

【目的】基于SWAT模型,构建资料缺失条件下的综合干旱指数,为干旱特性的多角度分析提供支持。【方法】以甘肃省金塔河流域为研究对象,依据1981-2017年水文气象资料建立流域SWAT水文模型,通过SWAT-CUP对模型参数进行率定与验证,将模拟的土壤湿度、蒸散发数据与实测降雨、径流数据相结合,运用嵌套Archimedean构造联合多个干旱变量,构建参数化的气象-农业-水文综合干旱指数（comprehensive drought index,CDI）,并分析所构建CDI的适用性。【结果】SWAT模型模拟的金塔河流域径流值与实测值吻合良好,率定期和验证期的确定性系数（R²）与Nash-Sutcliffe效率系数（E_NS）均高于0.7,且不确定性分析指标P>0.7、R<1.5,均在可接受范围内,调整后的模型参数可用于描述金塔河流域的水文过程。所构建的参数化的气象-农业-水文CDI的干旱监测结果与实际干旱事件的发生基本一致,且能够监测到仅有1种或2种干旱发生的干旱区域,可同时表征气象干旱、农业干旱、水文干旱,能从多个角度反映干旱特性。CDI对金塔河流域东北部的气象干旱、农业干旱、水文干旱的监测能力较强;年尺度的CDI对气象干旱、农业干旱与水文干旱的监测能力强于季尺度与月尺度。【结论】所构建的CDI适用于金塔河流域气象-农业-水文综合干旱的监测,可为该地区干旱监测及旱灾预警提供支持。     

基于小波分解的日径流支持向量机回归预测模型

【目的】将小波变换与支持向量机结合,构建小波支持向量机回归模型(WSVR),并用其对日径流进行预测,为水库调度提供参考依据。【方法】利用径流时间序列中包含的大量信息,通过小波变换将径流时间序列分解成不同分辨率水平的子序列和近似序列,通过相关性分析选取有效子序列与近似序列相加得到的新序列作为支持向量机回归模型的输入,建立小波支持向量机回归耦合模型,以泾河流域张家山站的日径流为研究对象,利用均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)、确定性系数(DC)、相关系数(R)及相对误差(RE)作为评价指标对模型预测精度进行评价。【结果】利用所建立的小波日径流支持向量机模型对张家山站日径流的预测结果显示,该模型在检验阶段的RMSE、MAE、DC、R及RE分别为26.05m3/s,8.26m3/s,0.826,0.910,-13.3%,与仅使用支持向量机回归模型(SVR)相比,耦合模型预测精度明显提高,且非汛期预测效果优于汛期。【结论】建立了小波支持向量机回归耦合模型,该模型可有效模拟和预测日径流,为日径流预测提供了新的途径。     

基于HHT和DFA的文峪河径流趋势分析与预测

【目的】文峪河是山西省吕梁地区的重要水源地之一,研究其径流量变化可为整个吕梁地区的水安全保障体系建设和区域社会经济规划与产业布局提供决策支持。【方法】应用Hilbert-Huang变换(HHT)方法、非趋势波动分析方法(DFA)以及BP神经网络预测方法,对文峪河中长期天然径流序列的周期变化特征、分形特征进行非线性分析,探讨了影响径流形成的降水、气温等气候要素对文峪河径流演变的影响,并进一步分析了厄尔尼诺现象、太阳黑子活动与文峪河径流变换的响应关系。以EMD分解结果和标度不变性为依据,对径流未来的演化发展趋势进行预测,并分析了未来流域水安全的态势。【结果】文峪河径流序列存在准2年、准4年、6～7年和13～14年的周期变化规律;文峪河径流变化受气候要素影响强烈,与厄尔尼诺现象、太阳黑子数存在良好的响应关系;文峪河年径流序列具有分形结构特征和趋势增强特征。【结论】未来文峪河年径流存在一个持续的缩减趋势,2050年文峪河水库坝址处的径流量可能将缩减至0.5亿m3左右,比坝址处多年平均径流量减少近65%,流域水安全局势堪忧。     

潇河大坝断面年径流序列随机变化规律研究

采用径流序列分析对潇河流域1957-2007年径流量变化规律进行了研究。结果表明,近50 a来,潇河流域年径流量序列可划分为趋势成分、周期成分和随机成分三部分。其中趋势成分表现为两个方面:一方面是年径流量均值随时间减小,用指数函数表示;另一方面是年径流量在年际间的变化幅度随时间明显减小。周期成分用Fourier级数表示,建模试验表明,该径流序列具有3个显著性谐波,其周期为3.62 a、3.40 a和3.52 a,相应的余弦波系数为0.92、0.49和0.97,正弦波系数为-1.42、-0.43和-0.21。在周期成分中引入振幅衰减因子λ,且λ=0.944 0。独立随机成分宜用P-Ⅲ型概率分布表示。     

基于SWAT模型的大通河流域径流模拟

【目的】采用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型模拟大通河流域径流,为大通河流域水资源规划与管理提供科学依据。【方法】根据大通河气象水文、地形、土地利用、土壤类型等基础数据,以相对误差(Re)、线性拟合系数(R2)以及纳什效率系数(Ens)作为模型评价标准,研究SWAT模型对大通河流域径流的模拟效果。【结果】大通河流域月径流SWAT模拟值与实测值吻合较好,模型校准期(1978-1982年)和验证期(1983-1986年)的线性拟合系数、月径流相对误差以及纳什效率系数分别为:0.70,0.95%,0.69和0.69,-13.96%,0.68,表明SWAT模型能够较好地模拟大通河流域的月流量过程。【结论】SWAT模型可用于大通河流域径流模拟。