改进非参数解集模型在月径流随机模拟中的应用

【目的】研究改进非参数解集模型在陕北地区月径流随机模拟中的适用性,为该区域水资源规划、开发利用和保护等提供决策依据。【方法】采用非参数核密度估计模型模拟年径流,利用改进非参数解集模型将年径流分解为月径流,对月径流进行随机模拟,并探讨改进非参数解集模型中不同正定型矩阵的分解方法。【结果】改进非参数解集模型考虑了分量与总量以及分量与各分量前期值的关系,克服了首尾自相关不一致的问题,对月径流实测序列的均值、均方差、Cv、Cs、最大值、最小值以及一、二阶自相关系数等统计特性保持较好,模拟效果比较理想。交口河站、张村驿站和绥德站S′矩阵为正定矩阵,可采用Cholesky分解法进行分解;刘家河站、志丹站、安塞站和杏河站S′矩阵为非正定矩阵,宜采用Schur分解法进行分解。【结论】利用改进非参数解集模型进行月径流的随机模拟是可行的。     

陕北榆林地区河川径流变异类型的识别方法

【目的】探索陕北榆林地区河川径流变异类型的识别方法,为进一步了解黄土高原河川径流变化组成及其演变规律与发展机制提供参考。【方法】以陕西榆林22个水文测站的实测年径流序列为研究对象,将经验模态分解(EMD)法与二阶导数法、STARS法、迭代累积平方和(ICSS)法相结合,通过EMD分离径流序列中波动性成分(高频分量)与趋势性成分(低频分量),应用二阶导数法、STARS法和ICSS法对径流序列中趋势变异、均值变异和方差变异进行检验,有效识别不同水文站径流序列的复合变异特征与类型。【结果】陕北榆林地区22个水文站点径流序列总体呈现衰减趋势,年径流衰减速率空间差异较大(-0.06%～-54.73%),对榆林地区的区域用水安全造成了严重的威胁。年径流序列区域变异类型复杂多变,覆盖了未变异,趋势变异,均值变异,方差变异,趋势与均值两重变异,趋势与方差两重变异,均值与方差两重变异,趋势、均值、方差三重变异8种类型。其中,先升后降型和先降后升型的趋势变异主要集中在1960和2000年前后,向下跳跃均值变异主要发生于1970年左右,方差变异则多发于20世纪六七十年代。【结论】陕北榆林地区不同流域的径流时间序列变异程度有差异,且类型复杂多变,趋势变异、均值变异、方差变异基本呈现均势,且复合变异态势显著。在气候变化、下垫面条件变化以及直接人类活动的综合影响下,榆林地区的河川径流变化正在日趋复杂化。     

陕北榆林地区河川径流变异类型的识别方法

【目的】探索陕北榆林地区河川径流变异类型的识别方法，为进一步了解黄土高原河川径流变化组成及其演变规律与发展机制提供参考。【方法】以陕西榆林22个水文测站的实测年径流序列为研究对象，将经验模态分解（EMD）法与二阶导数法、STARS法、迭代累积平方和（ICSS）法相结合，通过EMD分离径流序列中波动性成分（高频分量）与趋势性成分（低频分量），应用二阶导数法、STARS法和ICSS法对径流序列中趋势变异、均值变异和方差变异进行检验，有效识别不同水文站径流序列的复合变异特征与类型。【结果】陕北榆林地区22个水文站点径流序列总体呈现衰减趋势，年径流衰减速率空间差异较大（-0.06%～-54.73%），对榆林地区的区域用水安全造成了严重的威胁。年径流序列区域变异类型复杂多变，覆盖了未变异，趋势变异，均值变异，方差变异，趋势与均值两重变异，趋势与方差两重变异，均值与方差两重变异，趋势、均值、方差三重变异8种类型。其中，先升后降型和先降后升型的趋势变异主要集中在1960和2000年前后，向下跳跃均值变异主要发生于1970年左右，方差变异则多发于20世纪六七十年代。【结论】陕北榆林地区不同流域的径流时间序列变异程度有差异，且类型复杂多变，趋势变异、均值变异、方差变异基本呈现均势，且复合变异态势显著。在气候变化、下垫面条件变化以及直接人类活动的综合影响下，榆林地区的河川径流变化正在日趋复杂化。     

期望矩在陕北地区洪水频率分析中的应用

【目的】寻求用于陕北地区洪水频率分析的适宜方法,为该区水利防洪工程的设计建设提供支持。【方法】在介绍期望矩原理的基础上,选取陕北交口河、赵石窖、绥德、刘家河、张村驿及志丹6个水文站的洪峰流量资料,将期望矩法应用于陕北地区洪水序列参数估计中,计算设计洪水值,并拟合洪水频率曲线,利用累积相对偏差平方和评价所得洪水频率曲线对洪峰序列拟合效果,并与普通矩法拟合结果进行比较分析。【结果】利用期望矩法和普通矩法对陕北6个水文站洪水频率进行分析表明,用期望矩法估计的交口河、赵石窖、绥德、刘家河、张村驿及志丹6个水文测站洪峰流量序列的设计值与实测值累积相对偏差平方和分别为2.952,7.221,17.413,1.838,0.478和6.281,而用普通矩法估计的6个水文站设计值与实测值累积相对偏差平方和分别为1.217,15.830,42.497,2.008,0.755和70.253。由此可得,除交口河站以外,其他5个站的设计值误差均较普通矩法小,期望矩法能充分利用历史洪水资料,降低设计值偏差,可更好地拟合洪水序列。【结论】在考虑历史洪水资料时,期望矩法是一种简单、稳定和有效的参数估计方法,可用于陕北地区的洪水频率计算。     

金井河流域年径流演变规律研究

金井河是湘江支流捞刀河的支流。文章以金井河流域螺岭桥站1965~2006年径流资料序列为基础,应用Mann-Kendall检验方法分析表明金井河流域的年径流量在统计意义上无变化趋势。进一步用Mann-Kendall法和滑动T检验法识别金井河流域年径流突变特性,得出金井河流域年径流量序列在1990年发生突变。     

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。     

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。     

燕山水库入库径流演变规律及驱动力分析

【目的】揭示入库径流的演变规律,探讨人类活动对径流演变的影响。【方法】以燕山水库入库径流为研究对象,运用随机水文学和时间序列理论,对燕山水库1954~2001年近50年来的径流演变规律及其驱动力因素进行了全面分析。【结果】燕山水库入库径流的年径流量、汛期径流量均存在不太显著的减少趋势;径流演变呈现出7,11和19年丰枯交替的现象和阶段性特征;3个阶段人类驱动力对径流减少的贡献率依次为0%,3.2%和7.5%。【结论】入库径流和汛期径流减少的趋势受降水的影响逐渐减弱,而人类活动对径流演变的影响在逐步增强;工业、城镇居民大量用水和农业灌溉用水是影响径流减少的最主要驱动力。     

考虑径流非一致性的水库分期旱限水位优化研究

【目的】分析变化环境下水文序列的非一致性,为龙羊峡水库分期旱限水位优化调度模型的建立提供参考。【方法】采用Mann-Kendall检验法、有序聚类分析法和水文序列振动中心重构法,对龙羊峡水库年径流序列进行一致性分析及修正,然后利用水库旱限水位分级和Fisher最优分割法,对径流序列修正前后不同干旱等级下的水库分期旱限水位进行确定,最后通过耦合分期旱限水位建立以缺水指数最小为目标函数的龙羊峡水库优化调度模型,对径流序列修正前后两种情况下的分期旱限水位进行对比研究。【结果】一致性检验发现,龙羊峡水库径流序列具有明显下降的趋势,并在1989年发生突变。经一致性修正后计算龙羊峡水库7-10月、11-12月、1-4月、5-6月4个分期的旱限水位,在轻旱条件下分别为2 530.00,2 534.91,2 539.10和2 535.13 m,中旱条件下分别为2 530.00,2 535.44,2 539.80和2 536.70 m,重旱条件下分别为2 530.00,2 535.87,2 540.35和2 537.89 m;特旱条件下分别为2 530.00,2 536.06,2 540.58和2 538.12 m。采用不同调度模型对龙羊峡水库进行优化调度,结果显示修正后的调度效果较好,其总缺水量、缺水指数相比修正前分别降低5.37%和6.03%,其中枯水时段平均缺水量降低了10.71%,缺水程度改善明显。【结论】非一致性径流对龙羊峡水库旱限水位的确定有一定影响,一致性修正后的径流使水库旱限水位的确定更加可靠,水库的抗旱能力得以提升,可为水库供水、抗旱应急管理决策提供参考。     

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。     

黑河流域金塔段水文特征与降水量关系初探

利用甘肃省酒泉市金塔县气象站1973~2014年降水量数据以及鸳鸯池水库径流量资料,通过最小二乘法、Mann-Kendall法、小波分析法等统计方法,对降水量与径流量的关系进行了不同角度的分析研究。结果表明,(1)42年里金塔县年降水量呈现出缓慢上升的变化趋势,降水量趋势倾向率为3.65 mm/10年。春季、夏季、秋季、冬季平均降水量趋势倾向率为-0.02、-0.47、0.51、0.62 mm/10年。四季当中夏季降水量占到全年的比例为62%,该季节降水量的减少必定会影响全年降水量变化。鸳鸯池水库1984~2004年径流量处在偏少时期,2004年之后径流量处在相对较多的时期。通过对径流量的季节分析来看,夏季平均径流量为1.01×108 m~3,为四季中最大,占到全年径流量的32%。年降水量与年径流量之间的相关系数为0.352,四季当中夏季降水量与径流量以及秋季降水量与径流量的相关性均通过了0.01的显著性检验。(2)Mann-Kendall法,对鸳鸯池水库年平均径流量序列做突变检测分析发现,2009年是径流量由减少转为增加趋势的突变点,对鸳鸯池水库径流量序列进行Morlet小波变换特征分析,在15年左右的尺度以及32年左右的时间尺度,径流量变化周期显著,小波方差进一步确认32年是径流量序列变化的第一主导周期,表现出的能量最大,而15年是第二主导周期。(3)对年降水量与径流量建立关系模型,选择三次方程(Cubic)作为建模需要,通过降水量来反映出径流量的变化特征。     

基于改进马尔可夫链的径流预测模型

径流预测在区域水资源规划中发挥着重要作用。基于径流过程不确定性、不精确性的特点,利用资料系列的均方差方法把径流序列分为不同的状态。在此基础上,采用统计方法,建立转移概率矩阵,以规范化的各阶自相关系数为权重,用加权的马尔可夫模型预测径流状态,并根据模糊集理论中的级别特征值预测径流量。最后把改进后的马尔可夫预测模型应用于宝鸡市的渭河径流丰枯状态及年径流量的预测中。1998￣2000年径流量预测的相对误差分别为3.64%,7.50%和1.00%,结果较好。     

太湖典型地区雨养麦田的径流发生时间特征

明确农田径流发生的时间特征对因时因地制定径流养分削减策略具有重要意义。本文基于太湖流域典型地区(苏州、无锡、溧阳、湖州)60 a历史降水时序变化和12 a正常气象年份田间径流实际发生的时间特征,分析了太湖流域雨养麦田的径流发生时间特征。结果表明,太湖地区年均降水量和小麦生长季均值降水量分别为1 164.8 mm(657.7~1 643.7 mm)和514.6 mm(207.3~742.8 mm)。除个别年份,年降水距平百分率基本在±25%左右变化(正常)。剔除偏涝年和偏旱年后的小麦生长季降水概率和日均降水量月度时序变化均表现为先下降后升高的趋势,12月降水概率和日均降水量均最低。从小麦生长季12 a径流发生时间统计结果来看,2月(19.05%)和3月(18.10%)径流发生次数占比较高,12月(16.19%)、4月(13.33%)和5月(15.24%)径流发生次数的占比相当。不同年份驱动径流发生的实际最小降水量为8.1~19.4 mm,径流发生概率与降水发生概率变化并不完全一致。结果表明,太湖地区雨养麦田驱动径流发生的最小降水量范围为8.1~19.4 mm,2月和3月是径流发生的高风险期,12月、4月和5月是次高风险期,径流发生概率与降水发生概率变化并不完全一致。     

新疆天山北部气候变化及其对径流的影响

[目的]研究新疆天山北部气候变化及其对径流的影响。[方法]利用新疆天山北部16个气象站和肯斯瓦特近51年的气象、水文实测资料,运用非参数Mann-Kendall单调趋势及突变检验、小波分析、R/S分析及周期性叠加趋势模型,对新疆天山北部气候变化及玛纳斯河的时间序列进行了分析,探讨了近51年来新疆天山北部气候及径流变化的趋势、突变、周期、未来变化趋势及气候变化对源、干流年径流的影响量。[结果]新疆天山北部气温、降水量皆呈显著性增加趋势,且其Hurst指数均大于0.5,表明未来的一段时间内仍将保持这种走势;从年代际来看,1957～1959年气温偏低,降水量偏多,为低温多雨期,60和70年代为低温少雨期8,0年代气温接近多年平均值,降水量偏少,进入90年代以后为高温多雨期,并在2000～2007年尤为显著;气温、降水量分别在19951、996年发生了1.1℃和30.2mm的显著性增多突变;气温在112、2年处周期性显著,降水量存在5、81、42、2年的主周期。玛纳斯河流域年径流量与气候因子均存在周期性与趋势性,且呈周期性波动上升趋势;该流域年径流量和气候因子存在显著的相关关系,气温与年径流量的关系比降水量更密切。[结论]该研究为新疆天山北部的水资源合理配置、生态保护和农业生产提供科学指导。     

新疆乌鲁木齐河年径流量系列代表性分析

依据资料长短系列统计参数对比分析、模比系数累积平均过程线分析、差积曲线分析方法对乌鲁木齐河英雄桥水文站的年径流量进行了系列代表性分析,其分析方法和成果可用于乌鲁木齐地区水资源分析评价和工程水文分析计算。     

近50年宁夏沙坡头区降水变化特征分析

[目的]对宁夏沙坡头区中心气象站1961～2010年降水资料进行分析,以期找到该区降水变化的历史演变规律,为中长期降水趋势预测提供依据。[方法]采用五点滑动平均法、趋势系数法、Mann-Kendall趋势检验法和方差分析法,分析了沙坡头区1961～2010年的降水资料。[结果]1961～2010年宁夏沙坡头区年降水序列有下降趋势,但变化趋势不显著;季降水序列中春季降水与年降水变化基本一致;夏季降水在1978年以前呈微弱下降趋势,1978年以后呈明显下降趋势;秋季降水变化趋势在1978年以前呈下降趋势,1978年以后呈上升趋势,但是变化趋势不显著;冬季降水变化趋势在1978年以前呈明显上升趋势,1978年以后呈上升趋势,但是变化趋势不显著。年降水和季降水序列均具有明显的周期变化规律。[结论]该研究结果有助于了解宁夏沙坡头区年降水序列变化总体趋势及其季节分布特征和变化规律,为该地区未来水情预报提供可靠依据,为中长期降水变化趋势估报提供参考。     

近50年宁夏中卫市降水变化特征分析

[目的]对宁夏中卫市中心气象站1961～2010年降水资料进行分析,以期找到该地区降水变化的历史演变规律,为中长期降水趋势预测提供依据。[方法]采用五点滑动平均法、趋势系数法、Mann-Kendall趋势检验法和方差分析法,分析了中卫市1961～2010年的降水资料。[结果]1961～2010年宁夏中卫市年降水序列有下降趋势,但变化趋势不显著;季降水序列中春季降水与年降水变化基本一致;夏季降水在1978年以前呈微弱下降趋势,1978年以后呈明显下降趋势;秋季降水变化趋势在1978年以前呈下降趋势,1978年以后呈上升趋势,但是变化趋势不显著;冬季降水变化趋势在1978年以前呈明显上升趋势,1978年以后呈上升趋势,但是变化趋势不显著。年降水和季降水序列均具有明显的周期变化规律。[结论]该研究结果有助于了解宁夏中卫市年降水序列变化总体趋势及其季节分布特征和变化规律,为该地区未来水情预报提供可靠依据,为中长期降水变化趋势估报提供参考。     

潮白河上游1961—2005年径流变化趋势及原因分析

基于潮白河上游流域内的气象资料和水文资料,利用时间序列对比法分析了1961—2005年该流域年径流变化特征和变化趋势,研究了气候变化和人类活动因素对径流变化的影响,揭示了流域径流变化的成因。结果表明:潮白河上游径流的年内分配极不平衡,年际变化大;年径流量总体上呈现出明显减少的趋势,20世纪90年代的流域径流量平均值仅为60年代的75.8%,减少幅度较大。通过分析认为:降水、气温变化不是造成年径流量显著下降的主要影响因素,流域径流量的减少在很大程度上受水资源利用、土地利用、修建水库以及跨流域调水等人类活动因素的影响。     

龙川江径流年内分配及变化趋势研究

河川径流年内分配特征影响水资源开发利用和区域生态环境,它的变化在一定程度上能反映人类活动和气候变化。本文根据龙川江干流主要水文测站 １９５４～２００１的月天然径流资料,分析了年内分配不均匀系数、完全调节系数、集中度、集中期和变化幅度等特性及变化趋势。结果表明：小黄瓜园站和楚雄站径流年内分配不均匀系数、完全调节系数都存在减小趋势,２个测站总体变化趋势相近;对比楚雄站和小黄瓜园站不均匀系数和集中度的拟合曲线,可以发现楚雄站年内分配不均匀系数、集中度降低趋势比黄瓜园站明显,同时,径流集中期无明显变化,但楚雄站的径流集中期要略早于黄瓜园站。     

艾比湖流域径流变化特征分析——以精河为例

利用精河水文站1964—2012年径流数据,采用变异系数、集中度、集中期和小波分析方法,对艾比湖流域精河的径流量在多时间尺度上进行分析。结果显示,精河径流年际变化较平稳,增长趋势不明显;精河流域径流主要集中在6～8月,季节上主要集中在夏季。径流集中期主要集中在6月下旬至7月中旬之间。应用小波分析发现精河年径流集中度变化具有明显的阶段性与周期性。径流集中度呈现15年、8年、4年、2年左右的显著周期性变化。