黄河下游大汶河流域水文要素演变特征研究

本文利用大汶河流域内26个雨量站点1956-2016年逐年降水量,戴村坝水文站天然径流量、实测径流量数据,采用Mann-Kendall检验法、累积距平法、滑动T检验、小波分析等统计分析方法,研究大汶河中上游流域降水、径流的变化特征。结果表明,该流域降雨空间分布不均衡,由东北向西南逐渐减少;流域内降水量、天然径流量、实测径流量均呈下降趋势,而下降趋势不显著,而实测径流量的减少量远大于天然径流量的减少量;流域降水量、天然径流量的突变点为1964年和2002年,而实测径流突变点为1965、2002年,而整体变化趋势基本一致,而实测径流量的波动性较大;流域降水量和天然径流量的周期性变化一致,其中11a为主周期,而实测径流量的第一主周期为11a,第二主周期为24a,周期变化均不具有全域性,与流域降水量和天然径流量的周期性变化差异较大,说明人类活动对径流量的影响较大。     

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。     

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。     

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。     

甘肃省泾河流域地表水资源量变化趋势研究

为研究泾河流域地表水资源量变化趋势，本文以杨家坪、雨落坪流量控制站系列水文资料为基础，采用Mann-Kendall趋势检验法、Spearman秩相关系数法、线性趋势法对甘肃省泾河流域地表水资源进行研究。结果表明泾河杨家坪、雨落坪水文站1956—2020年实测径流量呈显著减小趋势，经趋势显著性判别计算发现杨家坪站跳跃点年份为1986年、雨落坪跳跃点年份为1997年；2001—2020年泾河还原后天然值为8.924亿m³,1956—2020年泾河还原后天然值为11.393亿m³；杨家坪、雨落坪水文站周期规律表现出不稳定性，时间尺度为23～32年，丰枯变换周期为2.6～4.0年，由此得出泾河未来3～6年可能处于丰水期或平水期。     

甘肃省天然年径流系列一致性分析修正

本文从水量平衡的基本原理出发 ,以洮河流域红旗站为例 ,介绍了天然年径流系列一致性分析修正的方法 ,并对我省4 1个主要水文控制站点的天然年径流系列进行了系列一致性分析修正。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

气候因素对白洋淀上游主要河流径流的影响

采用Mann-Kendall(M-K)检验法、小波分析及R/S分析法,对白洋淀上游主要河流1986—2015年3个典型水文站点径流及降雨、气温的年际变化趋势、突变点、周期变化和持续性等演变规律进行分析,并探讨径流对降雨、气温的响应关系。结果表明:流域上游3个水文站点年径流均呈下降趋势,周期变化呈大-小-大趋势,且未来一段时间年径流仍将处于减少趋势。紫荆关站不存在突变点,倒马关站突变点发生在1994和2009年,阜平站突变点发生在2006年。流域上游年降雨量也呈下降趋势,但下降趋势不明显,其变化率为1.68/(mm·年~(-1));年均气温呈上升趋势,变化率为0.05℃/年。通过突变检验分析可知年降雨量没有明显的突变点,气温突变点发生在1993年。年降雨量和年均气温第一主周期分别为13年和14年。未来一段时间降雨、气温Hurst指数分别为0.69和0.75,流域会延续降雨量减小、气温升高的趋势,且持续性较强。通过演变规律分析得出气温变化影响径流量的大小,而降雨周期变化对径流周期影响更显著。     

1956—2012年黄河源区径流变化特征分析

以黄河源为研究区,采用集中度、集中期、线性倾向估计、Mann-Kendall突变检验等方法,研究了黄河源区径流的年内、年际、年代际趋势性变化,突变点检测。结果表明:黄河源区上游1956—2012年径流量总体呈弱增加趋势,下游呈弱减少趋势,上游径流量年际变化较下游剧烈。黄河源径流集中度主要集中在40%~60%,上游集中度高于下游。集中期主要分布在7月下旬到8月下旬且有提前趋势。21世纪以来,黄河源径流上游偏丰,下游偏枯。吉迈站年径流量突变点发生在1988年、2008年。玛曲站和唐乃亥站年径流量突变均发生在1991年。     

基于TCN-BiLSTM与LSTM模型对比预测北洛河径流

【目的】本研究旨在探究TCN-BiLSTM耦合模型与传统LSTM模型在径流模拟预测中的性能,为洪水风险管理和区域水资源规划提供准确有效的径流预测模型。【方法】以北洛河流域为研究区,基于双向长短期记忆网络(BiLSTM)和时域卷积网络(TCN)建立一种新的径流预测耦合模型TCN-BiLSTM。利用相关性分析,筛选预测径流的输入因子,确定4种不同的输入方案应用于TCN-BiLSTM耦合模型和传统LSTM模型,每个模型分别预测1、2、3 d的径流量。采用平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和拟合优度(R²)来评估模型的预测性能。【结果】(1)TCN-BiLSTM耦合模型整体预测性能优于LSTM模型,TCN-BiLSTM模型R2达到0.91,高于LSTM的0.89。相比于LSTM,TCN-BiLSTM对于峰值和突变点的捕捉能力更强,对于波动大的复杂数据预测效果更优;(2)在针对未来1～3 d径流量预测中,随着预见期的延长,4种方案下TCN-BiLSTM和LSTM模型的预测效果均有所下降,相较于预测1 d,预测3 d的TCNBiLSTM和LSTM模型的R2分别平均...     

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.     

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。