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。     

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。     

渭河关中段年径流过程变异点的诊断

【目的】利用滑动秩和检验法研究渭河流域径流过程的变异点位置及数目。【方法】针对水文过程变异的复杂性,采用初步判断、详细诊断和综合分析判定3个步骤,以详细诊断为核心,在分析比较目前各种变异点诊断方法的基础上,运用滑动秩和检验法,对渭河流域关中段干流及主要支流林家村、魏家堡、咸阳、华县、景村和状头6个控制性水文站50年(1956~2005年)的径流序列进行详细诊断,再结合成因分析法进行综合判定,分析了各站径流过程比较显著的变异点数目与位置。【结果】经过三步分析诊断可知,渭河干流林家村、魏家堡、咸阳、华县4站均存在2个变异点,分别为1971和1994年,径流系列可以分为3段,即1956~1970,1971~1993和1994~2005年;景村和状头2个支流站均存在1个变异点,且均发生在1994年,径流系列可以分为2段,即1956~1993和1994~2005年。【结论】利用滑动秩和检验法诊断径流系列的变异点,方法简单可行、适应性强,而且检验结果的可靠度高,因而具有一定的推广价值,利用该方法对渭河流域6水文站的诊断结果符合实际情况。     

基于LM-BP神经网络的天然年径流一致性修正研究

【目的】人类活动改变流域下垫面条件而导致河川径流发生变化,为保证径流系列的一致性,需进行天然径流系列一致性修正。【方法】基于武山水文站 1956～2016 年天然径流量,采用 R/S 分析、曼-肯德尔、斯波曼秩次相关等方法分析天然年径流变化趋势和突变点,并应用 LM-BP 神经网络预测模型对突变点前的序列值进行一致性修正,建立输入变量为多个影响因子的天然年径流预测模型。【结果】与传统降水径流法相比,通过一致性修正方法分析得出武山水文站 1956～2016 年天然年径流量值为 4. 422 亿 m³,结果基本合理。【结论】采用 LM-BP 神经网络一致性修正的方法,修正后的径流系列更具代表性、可靠性,可为水资源管理、防汛抗旱提供科学依据。     

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。     

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。     

最大熵原理在水文频率参数估计中的应用

【目的】应用最大熵原理研究水文频率分布参数估计和分布线型优选,为陕北地区水利工程的规划设计提供科学依据。【方法】基于最大熵原理,以陕北地区主要水文站年径流系列为研究对象,采用14种水文频率分布线型进行参数估计,并选取最小信息熵准则和AIC信息准则进行线型优选。【结果】在陕北地区7个水文站中,采用最小信息熵准则进行线型优选时,有5个站的最优分布线型为P-Ⅲ分布;采用AIC信息准则时,有3个站的最优分布线型为对数正态分布,表明P-Ⅲ分布和对数正态分布对陕北地区多数年径流资料拟合较好。【结论】最大熵原理方法简便、合理可行,可用于水文频率参数估计。陕北地区年径流系列的理论分布线型为P-Ⅲ分布或对数正态分布。     

黑河上游径流演变规律及其变化原因分析

【目的】分析黑河流域径流演变规律及其变化原因,为区域水资源优化配置提供依据。【方法】本文采用MK检验法、Morlet小波函数法、基于水热条件变化原理的累积量斜率变化率比较法等方法,分析黑河上游出山口莺落峡河川径流演变的多时间尺度复杂结构;以径流突变年份为转折点分割序列,量化气候因子和人类活动对径流变化的影响程度。【结果】年径流突变点为2005年,突变后呈显著增加趋势;径流变化的第一主周期为24 a,最近丰水期为2009～2018年;流域内气候变化对径流变化的贡献率为70.2%,人类活动贡献率为29.8%。【结论】2019年后莺落峡径流丰枯情况可能发生转变,气候变化是径流增加的主导因素,研究结论可为流域径流演变规律及水资源优化配置提供理论支撑。     

渭河流域气候变化与人类活动对径流影响的定量分析

【目的】定量分析渭河流域人类活动和气候变化对径流的影响,为该流域水资源可持续利用与管理提供理论依据。【方法】采用累积距平法和Mann-Kendall法诊断渭河流域径流序列变异位置,以径流变异之前时间段为基准期,变异点之后时间段为计算期,采用累积量斜率变化率比较法定量分析气候变化和人类活动对径流的影响。【结果】渭河流域径流序列分别在1971、1991年发生变异,1972-1991年气候变化对径流减少的贡献率为14.60%,其中降水、蒸发所占比例分别为24.55%和-9.96%,人类活动的贡献率为85.40%;1992-2005年,气候变化对径流减少的贡献率为30.37%(降水占25.00%,蒸发占5.37%),人类活动对径流减少的贡献率为69.63%。【结论】人类活动对渭河流域径流的减少有决定性影响,平均贡献率接近80%。     

条件概率模型在非一致性水文序列频率计算中的应用

【目的】对条件概率模型在非一致性水文序列频率计算中的应用进行研究,为变化环境下的水文频率分析提供依据。【方法】基于条件概率模型,以渭河流域林家村、张家山和状头3个具有跳跃变异的水文站年平均流量系列为研究对象,选择两参数对数正态分布、三参数对数正态分布、Gumbel分布和P-Ⅲ型分布4种分布模型,采用模拟退火粒子群算法进行参数估计,以效率系数R2等指标进行拟合优度评价并选取最佳模型,最后采用学生化残差分析所选模型的合理性。【结果】3个水文站序列的理论频率曲线与经验点据配合的效率系数均高于0.96,最佳模型的学生化残差均服从标准正态分布,表明基于条件概率模型的计算结果合理可靠。【结论】条件概率模型的物理意义明确、理论严密、拟合效果较优,是一种对具有跳跃变异的非一致性水文序列进行频率分析的有效途径。     

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。     

人类活动和气候变化对北洛河径流变化的影响

【目的】研究气候变化和人类活动对北洛河径流变化的贡献,分析径流变化的主要驱动因子,为北洛河流域水资源的合理利用提供决策依据。【方法】以北洛河流域1956-2011年共56年的降水量以及实测、还原径流深序列为研究对象,采用Mann-Kendall法、径流系数法、降水-径流双累积曲线法进行变异点诊断,量化分析气候变化、下垫面变化和其他人类活动对径流变异的贡献率。【结果】北洛河流域1956-2011年降水量变化不明显,但还原径流深呈现出不显著增加趋势,变异点出现在1964和2001年。以变异点为分界点,将第一阶段(1956-1963年)作为下垫面Ⅰ,第二阶段(1964-2000年)作为下垫面Ⅱ建立降水-径流关系式,模拟在下垫面Ⅰ和下垫面Ⅱ情景下第三阶段(2001-2011年)的径流序列,模拟结果显示,建立的降水-径流关系式能够很好地反映不同下垫面径流的变化情况。下垫面Ⅱ与下垫面Ⅰ情况下模拟径流的变化量为-7.00mm,表明径流下垫面Ⅱ情况下的产流比下垫面Ⅰ大。定量分析下垫面变化、其他人类活动和气候变化对径流变异的贡献,发现气候变化的贡献率为40%;人类活动为主要影响因素,总贡献率为60%,其中下垫面变化的影响占19%,其他人类活动的影响占41%。【结论】人类活动是北洛河流域径流变异的关键驱动因子,下垫面变化的影响也不可忽视。     

县域尺度表层土壤质地空间变异与因素分析

【目的】以北京市平谷区为研究区域,采用传统统计和地统计学相结合的方法研究县域尺度下土壤质地空间变异的规律,探究土壤质地空间变异的机理。【方法】采用Levine’s方法进行方差奇次性检验,根据检验结果选取最小显著性差方法(least-significant difference,LSD)对土壤颗粒组成与高程、母质、土地利用和水域分布关系进行研究。空间预测采用普通克里格法,鉴于土壤质地属于成分数据,插值前对原始数据进行对称对数比转换。【结果】不同高程组、母质类型、土地利用类型及水域缓冲区组各颗粒平均含量存在一定的差异性,不同高程组和母质类型的土壤颗粒组成之间的差异性比不同土地利用类型和水域缓冲区明显。总体而言,研究区内随着海拔高度的降低,土壤颗粒呈现由粗变细的趋势;由石英含量较高的酸性岩母质发育的土壤土壤颗粒较粗;菜地土壤颗粒相对较细;随着离水域距离的增大,土壤砂粒含量呈增加趋势。地统计分析结果显示,土壤质地各颗粒表现出极强的空间自相关性,空间变异主要由结构性因素引起。各颗粒空间插值结果表明,土壤各颗粒组成空间分布总体趋势特征比较明显。【结论】传统统计分析和地统计学相结合的方法能够系统和全面地揭示土壤质地空间变异的确定性和随机性,研究区土壤质地空间格局主要受地形、母质等自然因素影响。经过对称对数比转换后,土壤质地各颗粒组成空间预测结果满足成分数据空间插值的要求。     

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。     

四川蓝桉幼龄材解剖性质及其变异规律

【目的】了解四川产蓝桉人工林木材的解剖性质及其变异规律,为其培育和利用提供依据。【方法】以采自四川雅安的5株5年生蓝桉为试验材料,在不同高度按生长轮截取试材,通过离析法和永久切片法对试材导管和纤维形态特征进行测定。【结果】导管长度、宽度(径向直径)、长宽比、弦向直径均值分别为410.13μm,141.24μm,2.90,89.25μm;纤维长度、宽度、长宽比、壁厚、腔径、壁腔比均值分别为910.27μm,17.79μm,50.85,3.47μm,10.48μm,0.67;除了纤维壁厚和壁腔比从髓心向外呈减小规律之外,其余导管形态和纤维形态指标径向变异规律一致,都从髓心向外呈增加趋势;轴向变异规律较为复杂,导管长度、纤维长度等指标规律性较强,随树干高度的增加呈先增后减的变异规律,其他指标变异规律不明显。【结论】获得了四川产5年生蓝桉人工林木材解剖性质及其变异规律,其解剖指标满足制浆造纸的要求。     

丹江流域径流养分的空间变异特征

【目的】研究丹江流域径流养分的空间变异特征,为加强丹江流域的水质管理和调控提供指导。【方法】于2013年6月至7月,沿丹江干流自上游到下游采集25份水样,并在丹江上游、中游和下游典型小流域分别采集11,6和8个水样,分析丹江干流及典型小流域中径流养分的分布特征。【结果】丹江干流径流中电导率(EC)均值为0.45dS/m,硝态氮(NO-3-N)、铵态氮(NH+4-N)、总氮(TN)、总磷(TP)质量浓度平均值分别为6.35,0.21,10.17和0.04mg/L,其中硝态氮(NO-3-N)变异系数为136%,具有较强的空间变异特征,其他指标均为中等变异。与干流径流相比,上游小流域和下游小流域水体中NH+4-N、NO-3-N、TN、TP质量浓度及EC总体偏低,而中游小流域水体总体偏高。【结论】丹江干流径流含微量盐水,TN质量浓度超出地表水环境质量Ⅴ类水标准,其他指标均符合地表水环境质量标准Ⅱ类水标准,除NH+4-N外,丹江流域水体其他养分自上游到下游均表现为逐渐富集,其中TP质量浓度在中游略有下降。     

玛纳斯河流域土壤水分及斥水性空间变异性研究

【目的】研究新疆玛纳斯河流域七大灌区内的土壤含水率及斥水性(用滴水穿透时间表示)的空间变异规律。【方法】在玛纳斯河流域七大灌区布设了400个土壤样点,分别用烘干法和滴水穿透时间法测定各土样的土壤含水率和滴水穿透时间,应用经典统计学方法和考虑高程影响的CoKriging方法分析各灌区土壤含水率及滴水穿透时间的变异规律。【结果】新疆玛纳斯河流域0~10,10~20cm土层土壤含水率均值分别为12.00%和15.60%,平均土壤含水率以10~20cm土层更高;滴水穿透时间均值为1.64s,整体属于不斥水土壤。通过不同趋势效应下预测误差值及块金效应的比较,结果显示,0~10,10~20cm土层土壤含水率空间变异的最优模型分别为0阶指数模型和0阶球状模型,土壤滴水穿透时间空间变异的最优模型为2阶指数模型。0~10cm土层土壤含水率变化呈现出从东南和西北分别向西南和东北方向逐渐减小的趋势,10~20cm土层土壤含水率的变化呈现出从东向西、从南向北逐渐减小的趋势;0~10cm土层土壤含水率变异程度大于10~20cm土层。滴水穿透时间的变化呈现出从东南和西北分别向西南和东北方向逐渐减小的趋势,与0~10cm土层含水率的分布格局相似。【结论】灌区0~10与10~20cm土层土壤含水率的空间分布格局类似,滴水穿透时间的空间分布属于强变异。     

陕北地区马铃薯X病毒CP基因的RT-PCR检测及其序列分析

【目的】分析陕北8个县(区)马铃薯X病毒外壳蛋白(CP)基因序列的一致性和变异性,明确病毒变异程度,为脱毒马铃薯的推广提供参考。【方法】以陕北8个县（区）种植2～3代疑似携带病毒的马铃薯叶片为材料,首先用Trizol法提取8个采样点马铃薯叶片总RNA,以已公布的马铃薯X病毒CP基因序列设计特异引物,通过RT-PCR扩增目的DNA片段,用琼脂糖凝胶电泳检测扩增产物;然后对CP基因进行克隆并测序,使用DNAstar软件分析陕北马铃薯X病毒CP基因序列的一致性,并与国内外其他地区12个马铃薯X病毒进行比较,采用邻接法构建系统进化树。【结果】从陕北8个县（区）马铃薯叶片中均扩增到与预期大小一致的长度为620 bp目的片段,可知这些马铃薯均感染了X病毒。不同CP基因序列之间存在微小变异,8个县(区)样品间CP基因的序列一致性在95.2%～99.4%,与国内外其他地区12个样品CP基因的序列一致性在92.9%～98.5%。系统进化树显示,将X病毒可分为4个类群,而陕北8县(区) 马铃薯X病毒归属于其中的2个类群。【结论】马铃薯X病毒在陕北地区普遍存在,RT-PCR方法可快速、准确地检测到马铃薯X病毒,X病毒CP基因存在一定程度的变异。