极限水文干旱历时概率分布解析法研究

【目的】研究P-Ⅲ分布和Markove过程年径流序列极限水文干旱历时概率分布随水文参数的变化规律。【方法】以泾河和北洛河为例,根据游程理论与随机变量极值理论,采用解析法与模拟法,应用MATLAB编程技术,求解一定时期内极限水文干旱历时的概率分布,探讨极限水文干旱历时概率分布和数学期望值随径流序列一阶自相关系数、偏态系数的变化规律。【结果】在一定时期内,极限水文干旱历时的发生概率和数学期望随一阶自相关系数、偏态系数的增加而增大,且一阶自相关系数对极限水文干旱历时概率分布影响较为显著;泾河和洛河发生连续11年干旱的重现期均为1 000年。【结论】该解析法模型具有计算量小、精度高的特点,可用于年降水序列表征的气候干旱概率分析。     

基于Copula函数的黑河流域干旱频率分析

【目的】构建二、三维干旱特征变量重现期的联合分布模型,对实际的干旱变量重现期范围进行估计,为旱情预报提供参考。【方法】采用4种对称和5种非对称的Archimedean Copula函数,构建黑河流域上游莺落峡、梨园站和正义峡3个水文站干旱历时、干旱烈度和干旱烈度峰值的二、三维联合分布模型;通过拟合度评价,选取Frank和Clayton Copula函数,对黑河流域的联合重现期和同现重现期进行计算,分析黑河流域重现期的空间演变规律。【结果】单变量的重现期理论值介于二、三维变量联合重现期与同现重现期之间;当单变量重现期理论值为5年时,采用干旱历时与干旱烈度的二维联合分布模型,推求的莺落峡、梨园站以及正义峡3个水文站的实际单变量重现期分别为4～7,2～6及4～7年。【结论】Copula函数能够较好地用于构建黑河流域干旱特征变量的重现期分布模型。     

基于VIC模型构建的综合干旱指数在黄河流域的应用

【目的】研究黄河流域年内和年际尺度的干旱特征,为评估干旱、半干旱地区极端气候提供参考。【方法】基于VIC模型划分0.5°×0.5°经纬网,结合黄河流域多年降水资料,将子流域所有网格日径流取均值,采用GPP(Gringorten plotting position)算法构建非参数多变量综合干旱指数(Non-parametric multivariate standardized drought index,NMSDI),并在黄河流域进行了实例应用。【结果】(1)在6个月尺度上,干旱初期NMSDI指数与标准化降水指数(Standardized precipitation index,SPI)类似,末期与标准化流量指数(Standardized streamnow index,SSI)类似。(2)黄河上游及北部干旱较其他区域更为严重,旱灾风险春夏高、秋冬低。(3)黄河流域年内和年际的NMSDI指数以降低为主,但R/S分析表明,降低的趋势在未来有所减缓。(4)黄河流域年际NMSDI系列趋于稳定,仅渭河流域在1991年出现突变,可能是气候变化与人类活动耦合的结果。【结论】与传统的干旱指标相比,NMSDI综合了气象、水文干旱指标的特点且不依赖于假设的分布函数,可以有效捕获干旱状态,同时避免了不同指标之间不能直接比较的不足,在研究流域有较好的适用性。     

沁河中游复式断面洪水演进模拟

【目的】提高一维洪水演进模型的计算精度,以更准确地模拟洪水的传播过程。【方法】根据山西省沁河复式河道的特点,利用Preissmann四点偏心隐式差分格式对圣维南方程组进行离散,建立了改进的洪水演进一维数值模型。根据Arcmap提取的沁河横断面资料,利用沁河张峰水文站至润城水文站1975-1977,1988,1993和1996年的实测洪水过程对模型的计算结果进行验证。【结果】历史洪水洪峰流量的计算值与实测值的相对误差在10%以内;张峰水文站最大相差水位为0.74m,润城水文站最大相差水位为0.42m,洪峰传播时间的最大差值为1.57h;计算的水位和流量过程与实测结果吻合较好,可以利用改进的洪水演进一维数值模型对设计洪水的洪水演进过程进行计算。【结论】所建立的改进洪水演进一维数值模型合理可行,设计洪水的计算结果符合洪水的传播特性,可以将结果提供给二维计算,并作为堤防防洪能力预测的依据。     

基于R-V GIUH的临界雨量计算研究

【目的】建立基于地形地貌的地貌瞬时单位线汇流模型(R-V GIUH),为提高临界雨量计算精度提供参考。【方法】基于流域数字高程模型(DEM),经水文分析后计算得到地貌参数,并结合水动力参数建立R-V GIUH,利用实测的洪水过程对模型进行参数率定和验证;然后基于汇流模型的计算结果,采用水位流量反推法进行临界雨量的计算,并以陈家河流域为例进行临界雨量的实例分析。【结果】利用建立的R-V GIUH,计算得到陈家河流域的霍顿(Horton)河数率为4.20,河长率为2.66,面积率为3.11。利用建立的汇流模型计算得到1%,2%,5%,10%,20%频率对应的洪峰流量分别为436.7,340.3,233.0,163.2和99.5m~3/s,在地貌瞬时单位线法得到的频率-洪峰流量(P-Q_(mp))关系曲线上推求出成灾频率为1.75%,进而计算得到土壤含水量50mm、降雨历时为1,3,6,12,24h时对应的临界雨量分别是52,90,104,125和152mm。【结论】R-V GIUH建立在DEM的基础上,能够很好适用于资料匮乏地区的汇流计算,并且有效提高了临界雨量的计算精度。     

青海省东部农业区区域干旱指标及干旱变化规律

【目的】分析青海省东部农业区区域干旱指标的变化特征,为区域干旱预警和抗旱减灾提供科学依据。【方法】利用青海省东部农业区12个气象站点近46年(1961-2006年)的气象资料,计算相对湿润度指数,并结合Arc GIS空间插值方法,将基于站点的相对湿润度指数网格化得出区域干旱指标,对其年际变化和季节变化进行分析,采用游程理论提取区域干旱历时和干旱强度,并对其变化进行分析。【结果】1961-2006年,青海省东部农业区近46年来平均月区域干旱指标呈线性减小趋势,干旱呈现出缓解趋势;春季和夏季区域干旱指标呈减小的线性趋势,秋季区域干旱指标呈线性增大趋势。与夏季干旱和秋季干旱相比,春季干旱历时长且干旱强度大。【结论】区域干旱指标所反映的干旱情况与青海省东部农业区实际旱情基本相符,且降雨和蒸发是青海省东部农业区季节性干旱频发的主要气候原因。     

中长期径流预报模型优选研究

【目的】对中长期径流预报模型进行比较和优选,为中长期径流预报模型的应用及提高预报精度提供参考。【方法】以黄河流域黑石关、龙门、民和水文站年径流为研究对象,利用灰色预测进行趋势分析、逐步回归进行周期分析,两者耦合建立灰色-逐步回归周期模型;利用逐步回归分析确定均生函数的周期性基函数,耦合建立均生函数-逐步回归模型;利用灰色-逐步回归中的趋势项和周期项作为预报因子,建立投影寻踪回归模型;利用前4年的实测径流数据预报当年径流,建立BP神经网络模型,并通过信息熵原理进行站点模型的综合评价和优选。【结果】建模期除黑石关水文站BP神经网络模型外,各站点拟合预报的平均相对误差均小于11.0%,合格率均大于90%。验证期除民和水文站灰色-逐步回归周期模型外,各站点平均相对误差均小于20%,合格率等于或大于80%,满足精度要求。【结论】均生函数-逐步回归径流预报模型可作为黑石关水文站的优选模型,BP神经网络径流预报模型可作为龙门和民和水文站的优选模型。     

基于河流分段与分季节的涑水河水环境容量计算及模型预测

【目的】建立适合于干旱和半干旱地区季节性河流的水环境容量计算模式及预测模型。【方法】以山西省涑水河为例,基于河流分段(上游(横水铁路桥断面以上)、中游(吕庄水库断面至横水铁路桥断面)、下游(吕庄水库断面以下))和分季节(丰水期、平水期、枯水期)的原则,在传统水环境容量计算模型的基础上,利用涑水河流域现有的水文资料、环境资料及生态、经济等资料,探索影响干旱和半干旱地区河流生态环境容量的主要因素,构建涑水河水环境容量计算模式与自适应调整粒子群-RBF神经网络预测模型,并用涑水河流域监测数据、历史资料进行验证。【结果】水体原污染物质量浓度、当前水环境的质量标准、河流距离、河流流量、排放污水量和排放时间是影响干旱和半干旱地区河流生态环境容量的主要因素。在丰水期、平水期、枯水期涑水河3个断面之间水环境容量计算值与预测值均非常接近,计算值相对误差为0.12%~1.47%,预测值相对误差为0.09%~2.02%,可见计算方法和预测方法的精度均较高。【结论】涑水河水环境容量预测值可用于指导涑水河水资源优化配置和水环境污染控制,对推动干旱和半干旱地区流域的可持续发展具有积极意义。     

基于灰色神经网络与马尔科夫链的城市需水量组合预测

【目的】针对城市需水量预测系统具有非线性和随机波动性的特点,建立基于马尔科夫链修正的组合灰色神经网络预测模型,以提高模型的预测精度。【方法】比较分析灰色GM(1,1)模型、BP神经网络模型以及二者线性组合的灰色神经网络预测模型的预测效果,建立基于马尔科夫链修正的组合灰色神经网络预测模型,并以榆林市2000-2009年的用水量实际数据为研究对象,通过实例比较分析模型的检验预测精度。【结果】经马尔科夫链修正处理后,建立的基于马尔科夫链修正的灰色神经网络组合模型的预测精度更高,预测误差的绝对值均小于4%,且均方差σ为1.00,小于组合灰色神经网络模型与GM(1,1)模型、BP神经网络模型预测误差值的均方差。【结论】基于马尔科夫链修正的组合灰色神经网络需水量预测模型,对城市需水量的预测优于灰色神经网络及各单项预测模型,不仅预测精度高,而且能同时反映出数据序列发展变化的总体趋势和系统各状态之间的内在规律,适合描述随机波动性较大的预测问题。     

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。     

板栗抗寒性相关指标筛选与评价方法建立

【目的】建立板栗抗寒性的鉴定评价方法,筛选可用于板栗抗寒性鉴定的形态和生理指标。【方法】以源自8个省份的16个板栗品种(系)休眠期1年生枝条为试验材料,采用电导法、氯化三苯基四氮唑(TTC)染色法和组织褐变法,配合Logistic方程确定枝条的低温半致死温度(LT50),分析3种方法确定的LT50之间的相关性,以及板栗枝条各生理指标和组织结构与LT50的相关性。【结果】16个板栗品种(系)枝条相对电导率均呈近似"S"型变化趋势,基于相对电导率拟合的LT50差异较大,其值为-26.64~-17.73℃。16个板栗品种(系)枝条TTC染色的总着色度随处理温度下降呈倒"S"型曲线变化,而枝条冻害指数和芽褐变率均随温度下降呈"S"型曲线变化,基于这3个指标拟合的LT50基本一致,且与基于相对电导率拟合的LT50接近;电导法、组织褐变法及TTC染色法确定的16种板栗的LT50之间呈极显著正相关;板栗枝条木栓层厚度与木栓层比率与LT50呈极显著负相关,-20℃冷冻处理下的相对电导率和丙二醛含量与LT50呈极显著正相关,可作为抗寒性鉴定的辅助形态和生理指标。【结论】电导法、组织褐变法及TTC染色法均可用于休眠期板栗树种的抗寒性鉴定,且以电导法测定的板栗抗寒性结果最为准确。     

球孢白僵菌MZ060812菌株对西花蓟马的致病性研究

【目的】明确球孢白僵菌MZ060812菌株对西花蓟马的致病性,为该菌株在农业害虫防治中的开发应用及后续研究奠定基础。【方法】采用浸渍法,测定球孢白僵菌MZ060812菌株不同孢子浓度对西花蓟马成虫和若虫的致病性。【结果】在3.0×105～3.0×108mL-1浓度下,球孢白僵菌MZ060812菌株对西花蓟马成虫的致死中时间(LT50)值分别为9.61,6.63,5.57和4.49d;致死中浓度(LC50)分别为3.307×108、1.528×107、4.030×106和5.839×105mL-1。对若虫的LT50值分别为8.51,6.81,5.00和4.02d;LC50分别为2.352×107、4.933×106、2.151×106和5.068×106mL-1。【结论】球孢白僵菌MZ060812菌株对西花蓟马有较好的防治效果。     

基于Copula函数的3变量洪水频率研究

【目的】考虑洪峰、洪量和历时之间的相依关系,应用Archimedean Copula函数,探讨洪水3变量的联合概率分布和条件概率分布,为水利工程规划设计和风险评估提供依据。【方法】以陕北地区窟野河流域神木水文站48年的洪水资料为例,选择拟合效果好的Copula函数计算洪峰、洪量和历时的联合概率分布、条件概率分布,并绘制相应的条件重现期图。【结果】Gumbel-Hougaard Copula函数拟合洪峰、洪量和历时的联合概率分布效果较好;得到不同条件组合下洪水事件的条件概率分布和相应的条件重现期,同时得到确定条件下的重现期均小于超过该条件时的重现期。【结论】Copula函数全面考虑了洪水特征量之间的相依性,可用于洪峰、洪量和历时联合概率分布的计算。     

基于TVDI 与荧光的呼伦贝尔市干旱时空动态监测研究

【目的】呼伦贝尔地区降水量少,年际和年内分布不均,灌溉条件不发达,干旱对当地农业和畜牧业生产造成了严重影响,结合干旱监模型与荧光数据可对呼伦贝尔干旱情况进行有效监测。【方法】文章使用MODIS归一化植被指数(NDVI)和地表温度(LST)产品,建立Ts-NDVI特征空间,计算温度植被干旱指数(TVDI),同时结合GOME-2 L2级荧光产品,综合分析评价2017—2018年呼伦贝尔地区干旱时空变化特征。【结果】该文建立的干旱指数模型能有效监测呼伦贝尔市干旱状况,干旱等级划分结果表明,2017—2018年呼伦贝尔地区存在不同程度的干旱问题,此模型在该研究区干旱监测上具有很好的适用性;通过SIF与NDVI的变化过程对比分析发现,SIF对水分胁迫等植被生理变化比较敏感,SIF较NDVI而言,能更有效地反映植物受胁迫状况。【结论】通过MODIS产品与GOME-2 L2荧光产品相结合,可以更准确地监测分析该研究区内的干旱时空动态变化,为呼伦贝尔市的旱情监测提供重要参考。     

水文频率曲线参数优化估计研究

【目的】频率分析是估计水利水电工程设计洪水的主要方法,也是工程水文学的重要组成部分,一般采用与经验点据拟合较好的曲线来估计洪水设计值,其曲线参数的求解和适线准则密切相关,参数的计算精度直接影响着设计值。【方法】按照离(残)差平方和最小、离(残)差绝对值和最小、相对离(残)差平方和最小为适线准则,应用最小一乘法、最小二乘法和非线性模型参数估计改进法,进行了水文频率曲线参数的优化计算研究。【结果】通过实例验证,非线性模型参数估计法通过计算机反复的数值求解,可提高水文频率曲线的估计精度,避免了传统经验适线法的人为主观性。【结论】详细给出了规范(SL44-93)优化适线法离均系数以及对偏态系数的偏导数矩阵实用数值方法,这些方法可用于实际水文频率的分析计算。     

高阶概率权重矩在洪水频率分布参数估计中的应用

【目的】研究高阶概率权重矩在洪水频率分布参数估计中的应用,为推求洪水频率分布参数估计提供合理的计算方法。【方法】选取广义极值分布作为洪水频率分布模型,推求其高阶概率权重矩计算公式,利用MATLAB语言编程实现其参数的数值求解,并以陕西省赵石窑、绥德、安塞和鹦鸽4个水文站的年最大洪峰流量序列为例进行洪水频率分析。【结果】高阶概率权重矩可以较好地拟合序列中大洪水段的经验点据,计算得到了基于高阶概率权重矩的陕西省赵石窑、绥德、安塞和鹦鸽4个水文站的广义极值分布参数的估计结果,获得WLS准则下赵石窑、绥德、安塞和鹦鸽4个水文站推荐采用的高阶概率权重矩的阶数r分别为:r=4,5,6;r=4,5,6;r=3,4,5和r=3,4,5。【结论】高阶概率权重矩会给予大洪水值较大的权重,可以用于洪水频率分布参数的估计。     

WaSSI-C模型在焉耆盆地的适用性改进与应用

【目的】为缓解干旱区日益突出的水碳矛盾,进而为其水碳资源综合管理提供有效的工具和决策支持.【方法】选取典型干旱区焉耆盆地为研究对象,基于WaSSI-C模型(water supply stress index-carbon model)的理论框架和运行机理,针对研究区的自然地理和环境特征,增加冰川融化计算模块,对WaSSI-C模型进行适用性改进.以2000～2009年作为率定期,2010～2015年作为验证期,对研究区实测径流、MODIS蒸散(ET)和总生态系统生产力(GEP)数据进行统计分析,利用决定系数(R~2)和效率系数(NS)评价模型的模拟精度,应用GIS空间分析技术探讨研究区水碳资源的空间分布特征.【结果】1)研究区率定期和验证期总径流对比验证的R~2分别为0.80和0.77,NS为0.77和0.69;ET对比验证R~2分别为0.82和0.79,NS为0.80和0.76;GEP对比验证R~2分别为0.88和0.84,NS分别为0.87和0.82;2)径流空间分布呈现"西高东低、北高南低"的特点;ET和GEP均呈现"中间高,四周低"的特点.【结论】改进后的WaSSI-C模型在焉耆盆地具有良好的适用性,且模拟结果显示焉耆盆地的水碳资源具有明显的空间异质分布特征.     

基于机器学习的ET0跨站适应性研究

【目的】针对气象数据缺失问题,研究机器学习方法在计算参考作物蒸散量(ET_0)中的应用,为ET_0的估算提供支持。【方法】基于已有的本地气象站与邻站数据,利用极限梯度提升法(XGBoost)模型和支持向量机(SVM)模型2种机器学习算法,结合江西省吉安和鄱阳2个气象站及对应邻站1966-2015年逐月气象资料,使用K折交叉验证法及4种统计指标(决定系数(R~2)、均方根误差(RMSE)、平均偏置误差(MBE)和归一化均方根误差(NRMSE))评估2种输入模式(本地输入或与邻站数据相融合输入)下估算逐月ET_0的适用性。【结果】2种输入模式下,XGBoost模型的性能整体优于SVM模型。只使用本地资料作为输入时,以最高温度(T_(max))、最低温度(T_(min))、地表总辐射量(R_s)为参数的模型性价比最高。使用邻站结合本地资料作为输入时,XGBoost模型对应的最佳输入参数为邻站ET_0数据(ET_0-ex),其平均R~2为0.986,RMSE和MBE分别为0.195和-0.106 mm/d, NRMSE为0.079。【结论】综合精度和稳定性等因素,当存在部分气象资料缺失时,使用本地数据或与邻站数据相结合,可成功估算出目标站点的ET_0值。推荐使用XGBoost模型且2种输入模式下最实用的输入组合分别为T_(max)、T_(min)、R_s和ET_0-ex,可用于类似江西鄱阳湖地区气象资料缺乏条件下ET_0的估算。     

甜高粱光合生理特性及其与产量的关系

【目的】比较不同甜高粱品系灌浆期叶片光合生理指标的差异,揭示甜高粱生物产量和含糖锤度与灌浆期光合生理指标的相关性。【方法】以9个中熟甜高粱品系为材料,分别测定灌浆期不同品系的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)等光合参数,并测定叶片叶绿素含量、PEP羧化酶活性等生理生化指标,以及株高、茎秆汁液含糖锤度、产量、叶面积指数等生长性状指标,同时对各指标间的相关性进行了分析。【结果】9个甜高粱品系的Pn、Tr、Gs、Ci、PEP羧化酶活性、叶面积指数(LAI)、叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)、总叶绿素(Chl)、氮质量分数(LNCa)、总蛋白质量分数(TP)、可溶性糖质量分数(SS)均表现出一定的差异。Pn较高的品系有"LT05"、"LT02"、"新高粱3号"、"BABUSH"、"UT84"、"MN-94",其对应数值依次为16.01,14.60,14.57,14.24,12.83和12.56μmol/(m2.s);Chl较高的品系有"新高粱3号"、"LT02"、"MN-94"、"LT05",其对应数值依次为4.63,4.36,3.98和3.91mg/g;PEP羧化酶活性较高的品系有"LT05"、"UT84"、"LT02"、"新高粱3号",其对应数值依次为23.06,21.78,18.50和17.75U/min;LAI较高的品系有"BABUSH"、"LT05"、"LT02"、"UT84"、"MN-94",其对应数值依次为3.46,3.30,2.93,2.41和2.41;生物产量较高的品系有"LT05"、"LT02"、"新高粱3号"、"MN-94",其对应数值依次为46 669.5,45 835.5,45 336.1,44 169.2kg/hm2;含糖锤度较高的品系有"新高粱3号"、"LT05"、"UT84"、"BABUSH",其对应数值依次为19.6°,17.6°,16.5°和16.3°。相关分析表明,生物产量与Pn达极显著正相关(R=0.933),与PEP羧化酶活性、LAI达显著正相关(R=0.775,0.743),与Chl a、Chl b、Chl、Gs正相关程度较高;含糖锤度与Pn、Tr、PEP羧化酶活性、LAI达显著正相关(R=0.685,0.679,0.747,0.691);生物产量和含糖锤度与其他性状均未达到显著相关。【结论】筛选出"LT05"、"LT02"、"新高粱3号"、"MN-94"为高产、高糖、高光效甜高粱种质,可以将甜高粱灌浆期叶片Pn作为选择高光效种质的一个有效指标。     

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。