基于希尔伯特-黄变换与小波变换的无定河径流变化周期对比分析

【目的】对基于希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang transform,HHT)与小波变换的径流周期分析方法进行比较,为选择适合研究流域的径流变化周期判定方法提供参考。【方法】采用HHT与小波变换,对无定河流域干流上的代表水文站白家川站1956-2009年天然径流资料进行分析,探讨2种方法在分析无定河流域年径流变化周期上的差异性。【结果】无定河天然径流演化模式由4个本征模态函数和1个零均值趋势项组成,通过分析各个固有模态函数(Intrinsic Mode Function)分量,由希尔伯特谱及经验分解图可以看出,不同尺度径流波动对径流演变的作用为,随尺度增大,径流平均周期由短变长,由年际变化转为代际变化。无定河流域天然径流演化存在3,7,12和21～22年的近似周期。通过小波系数实虚部及模、模方等值线图,判定其径流丰枯变化及主要周期中心为7,25,40和53年。【结论】基于HHT与小波变换的径流周期分析方法的计算结果基本吻合,但小波分析只能分析出近似周期,而HHT分析还可发现年内变化和年际变化在周期变化中占主导作用,表明HHT方法更为优越。     

大通河流域上游径流变化特征与突变分析

【目的】分析大通河流域上游径流变化特征,明晰其演变规律,为大通河流域水资源规划与管理提供科学依据。【方法】利用累积距平、滑动平均、R/S法、Cramer法和小波分析法等方法,对大通河上游流域径流的年内年际变化特征、趋势、突变状况及周期进行分析,并针对径流变化的成因进行了探讨。【结果】大通河上游流域径流量存在以下特点:(1)径流量年内分配不均,81.6%~87.2%的径流量主要集中在汛期;年际变化波动频繁,1956-2010年经历了"丰-枯-丰-枯"4个循环交替;(2)近半个世纪以来,大通河流域上游径流呈减少趋势,尕日得和尕大滩站径流年均递减系数分别为0.010 2和0.006亿m3/年,两站Hurst指数分别为0.70和0.58,表明径流减少趋势具有正持续性;(3)大通河上游径流在1989年出现突变,原因是1989年汛期发生大面积集中降水,因此突变不具有持续性;(4)大通河上游流域年径流量在6,18及30年左右时间尺度上周期振荡明显;(5)气候变化是大通河上游流域径流减少的主要原因,而人类活动(主要是外调水工程)直接导致了上游径流的减少。【结论】受人类活动和气候变化影响,大通河流域上游径流量已经发生明显变化,在大通河流域水资源开发利用和管理中应引起重视。     

基于排列熵和小波分析的渭河降水突变研究

【目的】将排列熵和小波分析相结合,研究近60年来渭河干流降水序列的突变特征及其影响因素,为渭河流域水资源的利用提供参考。【方法】利用1960-2003年渭河流域干流天水、宝鸡、武功和西安4个站点日降水观测资料,按照不同窗口滑动取样得到不同时间段的降雨数据,利用排列熵算法分别计算其复杂度,分析复杂度序列随时间的演变规律来检测序列的突变点,之后通过小波分析对复杂度序列进行逐级分解,分析不同时间尺度的周期波动在降水突变中的贡献。【结果】渭河流域天水、宝鸡、武功和西安4站降水量在20世纪均发生了2次突变,其中位于上游的天水站突变发生于1971和1994年,位于中下游的宝鸡、武功和西安站突变发生于1980和1994年,呈现出一致性的特征。【结论】准10年时间尺度的周期气候波动是渭河干流降水突变的主要因素。     

基于谐波小波的径流序列变异检测

【目的】用谐波小波分析非一致性径流时间序列变异点的数量及变异发生的时间。【方法】针对径流变异点检测方法复杂、难于识别全部变异点等问题,引入一种新的时频分析技术,利用谐波小波分析进行径流时间序列的变异点诊断。【结果】对实测的渭河华县站1961-2004年的径流序列进行谐波小波分析,视频图中的网格图和等高线图显示,1972年、1982年和1994年是径流的变异年。【结论】相对于传统的突变检测方法,谐波小波分析方法在分析非线性时间序列时具有方法简便、可行、有效、分辨率高、对突变点敏感等特点,能够有效地诊断出高度复杂、非线性序列的变异点。     

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。     

杂谷脑河径流趋势及周期变化特征的小波分析

该文基于四川岷江上游桑坪、杂谷脑两个水文站1962—2002年的月径流实测资料,采用小波理论分析杂谷脑河流域径流变化趋势及其周期特征. 选用db3小波函数对标准化径流序列进行多分辨分析,其低频重构序列显示该流域径流变化呈递减趋势,并且植被平均状况较差的区域相对植被平均状况较好的区域径流下降趋势明显,变化剧烈,证明了森林植被的水源涵养功能及调节能力,植被恢复与更新有助于改善流域的水文状况.另外,除森林对径流影响较大外,人类活动如灌溉、水电站等也是引起流域径流量递减的重要原因.选用复Morlet小波函数对标准月径流序列进行连续小波变换,根据小波方差图可以确定,杂谷脑站上游径流过程存在6 a左右的显著周期,桑坪站上游径流过程存在7～8 a的显著周期. 研究结果表明,小波变换是分析非平稳随机时间序列的有效工具,在水文水资源领域应用潜力很大.      

黑河流域干旱指数的变化趋势及其多时间尺度特征

【目的】研究黑河流域干旱指数的变化特征,为气候变化影响下该流域水资源的有效管理及农业发展提供依据。【方法】用参考作物蒸散量(ET0)与降水量(P)的比值表示干旱指数(AI),根据黑河流域内12个气象站及流域外3个气象站近50多年的逐日气象资料,采用Penman-Monteith公式计算ET0,利用Mann-Kendall趋势检验法和ArcGIS插值研究P、ET0及AI的变化趋势和空间分布,基于Morlet小波函数分析AI序列的多时间尺度特征。【结果】近50多年来,黑河流域P、ET0和AI均呈现出明显的南北差异;流域内12个气象站中,大部分站点的P、ET0呈上升趋势,且上游野牛沟站、托勒站上升趋势显著;AI呈下降趋势,仅野牛沟站下降趋势显著,流域趋于湿润,上、中、下游季AI最大值分别出现在秋冬季、春冬季、冬春季;流域AI的多时间尺度变化主要存在19~23年、14~15年的中长振荡周期和7~10年、4~5年的短振荡周期,中长周期与太阳黑子活动的周期基本一致,短周期与大气环流和厄尔尼诺事件的周期基本一致。【结论】黑河流域多年来逐渐趋于湿润,其干湿变化存在明显的短周期和中长周期。     

褶皱山区NDVI与地形因子的多尺度耦合关系研究

【目的】揭示我国长江上游褶皱山区植被分布与地形耦合关系。【方法】基于二维小波分析的方法,分别构建归一化植被指数NDVI和地形因子在不同尺度上的小波低频系数空间分布的特征模式,然后分析NDVI和地形因子小波低频系数的相关性,并建立多尺度下NDVI低频系数的拟合方程。【结果】(1)多尺度下NDVI与高程的空间分布相似度最高;(2)地形因子与NDVI相关性的大小的顺序为高程坡度坡向,并随小波分解尺度的增加而增大;(3)小波分解尺度越大,NDVI的最优拟合方程所需的建模因子越多,方程的拟合效果越好。【结论】对揭示多尺度下褶皱山区地形因素对该区域内植被覆盖度高低的影响可提供借鉴,研究结果可为长江上游生态恢复和农业产业规划提供一定的依据。     

石羊河流域出山口径流序列的多时间尺度特征

【目的】研究石羊河流域8条支流出山口径流的周期变化特征和水文演变规律,为该区域水资源的合理开发利用提供参考。【方法】采用小波分析法,对石羊河流域西大河、东大河、西营河、金塔河、杂木河、黄羊河、古浪河和大靖河等8条支流出山口径流序列进行多时间尺度分析,确定各河流径流变化的主要周期。【结果】东大河径流在45年时间尺度上的周期信号最强,具有全域性特征,其发生时段为1950-2008年,在该时间尺度下,1950-1958年、1974-1989年和2001-2008年为丰水期,1959-1973年、1990-2000年为枯水期;30年时间尺度的径流周期也具有全域性,在1950-2008年整个时段内径流周期呈现丰枯交替;18年时间尺度的径流周期具有局部性,周期性在1950-1978年表现明显,其中在1971年之前周期性较突出。同样,石羊河流域8条支流的径流序列均主要存在45年左右、30年左右和17～19年3个时间尺度的周期变化,不同时间尺度下周期信号的强弱在时频域中的分布具有较强的局部特征。【结论】45年和30年左右时间尺度的周期对石羊河各支流径流变化起主导作用。     

云南省三大高原湖泊流域土地利用景观格局及其稳定性分析

【目的】为了解高原湖泊流域土地利用景观格局,为当地农业结构调整提供依据,更好解决高原湖泊污染。【方法】采用景观格局指数和分形理论分析方法对云南省三大高原湖泊流域的土地利用景观格局及稳定性进行分析。【结果】从流域土地利用景观格局分析,景观多样性和均匀程度表现为抚仙湖流域最高,洱海流域次之,滇池流域最低;景观破碎化程度表现为滇池流域最高、抚仙湖流域为中间水平,洱海流域最低。从耕地、园地、林地和草地的稳定性看,洱海流域最好,滇池流域最差或较差;从建设用地和未利用地稳定性看,抚仙湖流域最好,洱海流域和滇池流域较差;流域内稳定性最好的景观类型是水域,最差的是林地;景观整体稳定性表现为洱海流域最好,滇池和抚仙湖流域较差。【结论】通过研究,摸清了三大高原湖泊流域土地利用景观空间结构特征,为研究区域农业结构调整及农业面源污染治理提供科学依据。     

雅安市区冬季水鸟多样性及时空动态

【目的】对雅安市区冬季水鸟进行系统统计与记录,分析城市化进程对水鸟时空分布的影响,为雅安生态城市建设提供参考。【方法】2008年至2011年冬季,采用样线法对雅安市区冬季水鸟进行直接观察,记录物种、个体数量、生境、人为干扰等。【结果】记录水鸟7目11科44种,其中雁形目鸭科鸟类最为丰富,绿头鸭、斑嘴鸭、绿翅鸭、赤膀鸭及凤头潜鸭为优势物种。【结论】水鸟多样性在各个年度呈现相似的时间分布格局,但波动期与稳定期的共存表明雅安市区既是水鸟迁徙的中转地同时也是其越冬地。水鸟在不同生境中的分布差异则体现出滩涂、开阔水域、人为干扰对水鸟多样性的影响。     

沟灌方式和灌水量对温室番茄综合品质与产量的影响

【目的】探讨沟灌方式和灌水量对温室番茄综合品质、产量、灌溉水利用效率(IWUE)以及综合效益的影响,优化西北地区温室番茄的沟灌方式和灌水量,为该地区温室番茄产业的可持续发展提供科学依据。【方法】通过田间试验,设置常规沟灌(CFI)和交替隔沟灌溉(AFI)两种沟灌方式,以两次灌水的间隔期Φ20 cm标准蒸发皿的累积蒸发量E为基数,设置0.6E、0.8E、1.0E、1.2E四个灌水量梯度,共8个处理,采用主成分分析法和灰色关联度法对番茄品质进行综合评价,以主成分综合得分和灰色加权关联度量化番茄的品质指标,采用变异系数法对番茄的品质、产量、灌溉水利用效率(IWUE)赋权,通过TOPSIS法对各处理下温室番茄的综合效益进行评价。【结果】沟灌方式和灌水量均对番茄品质产生影响,主成分分析法和灰色关联度法对番茄品质综合评价的结果不完全一致,但两者都得出AFI-0.6E、AFI-0.8E为品质最优的两个处理;AFI-0.6E处理相较于产量最高的AFI-1.2E处理减产达22.56%,而AFI-0.8E处理相较于AFI-1.2E处理仅减产9.42%,且AFI-0.8E与AFI-0.6E的IWUE无显著差异;TOPSIS综合评价的结果表明AFI-0.8E处理为综合效益最高的处理。【结论】采用交替隔沟灌溉,灌水量设为0.8E,在提高番茄的综合品质的同时又可以使产量和IWUE处于较高水平,从而获得最大的综合效益,为温室番茄优质、高产、高效的沟灌方式和灌水量的组合。     

山地杉木人工林优势木选择方法的研究

【目的】比较9种优势木选择方法的选择效果,以精确评价山地人工林的立地质量。【方法】基于福建邵武卫闽林场连续观测26年的杉木密度试验林数据,比较最高株法和分层法2类共9种优势木选取方法对山地杉木人工林林分立地指数的影响;分析初植密度对林分蓄积的影响,并以林分蓄积作为评价立地质量的依据,对9种方法所确定的优势高与5,10,14,20,24和26年生时杉木人工林的林分蓄积进行相关分析。【结果】分层法所确定的优势木在样地内分布的均匀性明显优于最高株法;选择的优势木株数相同时,最高株法所确定的立地指数均高于分层法;随着林龄的增加,初植密度对林分蓄积影响的差异逐渐减小,24年生时林分蓄积趋于相等;随着林龄的增加,林分蓄积与9种方法所确定立地指数的相关性均逐渐增大,从10年生起达到显著水平,20年生起达到极显著水平,在26年生时相关系数达到最大;以20年生作为杉木人工林林分的基准年龄,此时采用分层法确定的优势高与林分蓄积的相关性均优于最高株法,且此时采用9种方法确定的优势高与26年生时的林分蓄积均达到了极显著相关。【结论】选择20年为基准林龄评价杉木人工林的立地质量是合理的;优势木在样地内分布的均匀性对山地杉木人工林立地质量的准确评价有重要影响,分层法确定的优势木在林分中的分布更均匀,同时考虑野外调查时的便捷性,推荐采用分层法中的5株法和固定6株法来选择山地林分中的优势木。     

碳氮同位素结合稳定同位素模型解析沉积土壤碳源

【目的】研究辽西褐土丘陵区典型小流域不同土地利用方式下经侵蚀沉积过程沉积土壤碳来源,为合理调控小流域土壤侵蚀造成的土壤碳流失提供科学参考。【方法】通过对辽西丘陵沟壑区小流域野外取样,研究小流域沉积土壤碳的来源并量化其贡献。通过GIS结合GPS技术对小流域4种不同土地利用类型（耕地、林地、草地、沟渠）表层土壤及小流域拦沙坝3个位点（S1坝前、S2坝中、S3坝后）0-100 cm土壤剖面进行取样,结合碳、氮同位素混合模型对沉积土壤碳源进行解析。【结果】利用¹³C和¹⁵N同位素特征及其元素组成（土壤有机碳和全氮）对辽西丘陵沟壑区侵蚀沉积物土壤有机碳进行了定性和定量鉴定。辽西丘陵沟壑区小流域沉积物中有机碳主要来源为耕地,其次是沟渠、草地和林地。耕地贡献平均为58.75%,沟渠25.49%,草地6.49%,林地9.2%。【结论】碳氮稳定性同位素模型作为一种重要的“指纹”工具可以成功应用于辽西丘陵沟壑区小流域沉积土壤碳来源定性及定量的分析。研究成果可以为受水力侵蚀的小流域的土壤保护和养分流失控制以及维持生态系统的可持续性提供理论参考。     

不同精度的土壤数据对水质和水量模拟的影响

【背景】模型模拟是研究面源污染的重要手段,建模过程中输入数据的质量是影响模型准确度的重要因素,其中土壤数据作为流域模型的重要输入数据之一,对模型的产流过程有重要的影响。然而,以往的研究多集中于土壤数据精度对水量和水文过程的影响,对水质的研究还比较欠缺。【目的】为丰富该领域建模的先验知识,为流域模型建立过程中的数据选择提供帮助。【方法】采用SWAT（soil & water assessment tool）模型,利用不同精度（1:5万、1:50万和1:100万）的土壤数据进行建模,对凤羽河流域的水量、泥沙、总氮和总磷含量进行了模拟。并采用SWAT-CUP软件进行参数的率定,得到基于3种不同土壤数据的最佳模拟结果。在此基础上,研究不同精度土壤数据对水文响应单元划分、模型参数、水质和水量模拟的影响。【结果】（1）土壤数据对水文响应单元（HRU,hydrologic response unit）的划分数量有明显影响,HRU划分数量的敏感性与划分阈值及土壤图详细程度有关;（2）进行参数率定后模型的表现效果有明显的提高,不同精度的土壤数据对于不同指标（流量、泥沙、总氮和总磷）的模拟效果存在差异,但并非土壤数据精度越高模拟效果越好;（3）随着子流域面积的增大,不同土壤数据提取的土壤属性的平均值趋于一致,且校准过程会对面积较小的子流域产生较大的影响。【结论】因此,在实际的模型模拟中应根据流域的大小和模拟的指标选择土壤数据的精度,同时在模型校准过程中要注意空间尺度的影响。     

基于森林调查分类的天山北坡森林景观特征分析

[目的]干旱区山区森林景观具有显著的空间异质分布特性,景观中特征的不同梯度分布,制约着景观的各种生态过程.将景观生态学方法引入到森林资源定量分析及科学评价,可为森林资源调查提供一种新的分析评价工具.[方法]在森林资源规划设计调查土地分类的基础上,运用景观生态学原理,采用景观指数法,通过ArcGIS和Fragstats软件对天山北坡沙湾林场7种景观类型的格局进行分析.所使用的景观格局指标包括平均斑块面积、平均斑块周长、斑块密度、边缘密度、景观形状指数、聚集度、海拔、坡度、坡向等.[结果]沙湾林场景观类型丰富度较低,且各景观类型拥有的斑块数分布很不均匀.从面积来看,以未利用地面积最大,为林场森林景观的基质;针叶林景观、国家特别规定灌木林景观是沙湾林场的主要森林景观类型,是沙湾林场森林资源的重要组成部分,其景观面积分别占13.95;、8.71;;并且受地形因子影响,各类型景观分布很不均匀.[结论]景观生态学可以在森林资源规划设计调查土地分类的基础上根据森林、林地和林木资源的种类、数量、质量与分布,为综合分析与评价森林资源与经营管理现状提供有效分析方法.     

基于多元统计分析方法的西苕溪流域水质时空变化研究

基于太湖上游西苕溪流域38个采样点2009年6月至2010年7月完整周年的水质监测数据,综合运用聚类分析、单因素方差分析、因子分析及多维尺度分析等多元统计分析方法,对西苕溪流域水质时间与空间变化进行了分析。根据聚类分析将整个流域河段在空间上分为四个部分,即上游林区的河段、紧邻城镇的下游河段、下游平原区的干流河段和分散于农业灌溉区的河段;利用因子分析的旋转因子载荷矩阵从时间维度研究不同水质参数的季节敏感性,氮素在整个研究时间段与旋转因子的相关系数都大于0.900,表现出整个研究时间段内的敏感性;利用单因素方差分析和多维尺度分析实现时空的统一分析,相同时间不同河段间差异性显著且都与其地理位置特点相吻合,所有河段在时间维度上均显现出丰水期的水质与另两个水期差异显著的特点,紧邻城镇的下游河段水质是整个流域中不同水期间差异性最小的,凸显了人为干扰的持续性。研究结果表明,运用多元统计方法对西苕溪流域水质的时空变化特点进行分析,可以为流域水质监测与污染防控提供有益参考。     

西北旱区温室辣椒产量和品质对不同生育期灌溉调控的响应

 【目的】提出基于水分-品质响应温室作物合理的节水优质高效灌溉模式。【方法】以陇椒1号为试验材料,在日光温室内对温室辣椒苗期、开花坐果期和果实成熟期分别进行灌溉调控,研究不同处理辣椒产量、果实品质和水分利用效率对灌溉调控的响应。【结果】温室辣椒产量对果实成熟期的灌溉调控最为敏感,在此生育期不宜实施灌溉调控。开花坐果期和果实成熟期,辣椒果实的可溶性蛋白含量和干物质含量对灌溉调控的响应程度较低,而果实维生素C含量、可溶性固形物含量和硬度对灌溉调控的响应程度较高。产量和品质与耗水量的关系可用对数函数来描述。【结论】通过灌溉调控将60 cm土壤含水量在开花坐果期控制在45%～60%田间持水量(θf),在苗期和果实成熟期控制在80%～90% θf,在节水和保证较高产量的同时,可以显著提高辣椒维生素C含量、可溶性固形物含量和硬度,是西北旱区温室辣椒可行的节水优质高效灌溉调控模式。     

伊犁河伊宁市段夏季水环境特征分析

【目的】研究伊犁河河段水质特征,为其水环境污染防控提供科学依据。【方法】分别采用单因子评价法、内梅罗指数法、水质质量指数以及主成分分析法4种方法,对伊宁城市河段南北断面的水环境质量进行评价。【结果】该河流段水体综合水质状况良好,主要污染因子为总氮、总磷、化学需氧量,表现为有机污染。该河段不存在重金属污染状况。主成分分析法结果表明,A5断面水质在该河段中水质最差,整体水域表现为河段北面污染高于南面,上游断面水质好于下游断面。【结论】伊犁河伊宁河段夏季水体污染原因与生活污水、农业活动及工业污水有关。     

基于成像高光谱的小麦冠层白粉病早期监测方法

[目的]本研究利用近地面成像高光谱仪,获取接种白粉病菌后的小麦田间冠层时序影像,探索光谱信息与纹理信息的结合在冠层尺度上早期监测小麦白粉病的能力和表现.[方法]本试验以不同年份、不同抗病性小麦品种的田间试验为基础,利用连续小波(continuous wavelet transform,CWT)方法提取对小麦白粉病敏感的...