三参数对数正态分布最大熵参数估计方法探讨

利用最大熵原理进行系列参数估计是水文频率分析比较受重视的一个研究领域。主要探讨最大熵原理在三参数对数正态分布(LN3)参数估计中的应用,并加入历史洪水信息。对于传统最大熵方法与基于线性矩的最大熵方法和熵适线法进行统计试验比较,结果显示,考虑历史洪水的熵估计公式是有效可行的。为了进一步了解熵估计方法的统计特性,还与传统参数估计方法(矩法、线性矩法、适线法)作了比较。     

基于修正线性矩法的流域枯水径流概率分布线型优选

为研究流域枯水径流概率分布,选择典型的塔里木河流域,采用年最小7日平均流量为枯水径流的统计特征量,利用线性矩法及修正的线性矩法参数估计,并用概率点据相关系数检验法等特征统计量进行拟合优度检验,对比分析了传统的3种三参数分布函数枯水径流概率分布曲线拟合效果。分析得出,三参数广义极值分布在塔河流域枯水径流概率分布拟合中效果最优;另在短序列情况下,用修正线性矩法进行参数估计更为合理。     

P-Ⅲ型曲线参数估计方法研究综述

水文频率分析以概率统计理论为基础,通过建立模型来优化理论频率曲线参数,对经验频率曲线进行延展。对P-Ⅲ型曲线参数估计的矩法、概率权重矩法、权函数法、线性矩法、优化适线法、加权适线法、数值积分算法、优化适线准则在水文频率参数估计中的研究和应用,以及水文频率参数估计的不确定性研究进行了介绍和阐述,并提出了水文频率参数估计的建议:(1)加强对水文序列不确定性机理的研究,使水文频率分析的适线结果具有较好的延展性;(2)应立足于现有的水文频率参数估计的理论基础,针对不同的适线目的和数据精度,选择合适的参数估计结果,提高人机交互水平,将客观信息和主观经验结合起来,为水利设施规划、工程规模的确定提供有力支持;(3)水文序列存在非一致性,应对水文序列的不确定性和模型参数估计的不确定性加以有效分离和衡量,进一步提高适线精度。     

水文频率分析计算研究——以郁江南宁站为例

以郁江南宁站1943~1990年的历年最大流量、最高水位资料为基础,进行了水文极值的频率分析计算研究。分别采用矩法、权函数法、概率权重矩法和线性矩法4种数理统计方法,并以离差平方和最小、离差绝对值和最小及相对离差平方和最小3个准则作为统计参数计算结果的评价标准。结果表明,在年最大流量和年最高水位的频率分析计算中概率权重矩法均表现最好,权函数法和矩法各有优劣、相差不大,线性矩法表现最差。针对南宁站的水文频率统计参数计算问题,建议优先选用概率权重矩法。     

淮河上游紫罗山流域枯水频率及退水规律分析

应用枯季径流退水规律预报枯季径流总量和径流过程是枯季径流预报最常用、有效的方法。但目前,尚未有一种通用的分布可以很好地模拟所有枯水径流。以淮河上游紫罗山流域为研究对象,以1952～2010年各年最小7 d平均流量作为枯季径流统计特征序列,采用P-Ⅲ,LP-Ⅲ,GLO,GPA,LN3和GEV 6种分布,利用适线法、矩法等进行参数估计,推求经验频率对应的理论线型计算值。利用概率点据相关系数、四阶线性矩系数、确定性系数,均方根误差和平均绝对误差5个特征统计量,比较各分布线型拟合情况,确定该流域枯水频率最优拟合线型为P-Ⅲ分布。此外,利用退水曲线法推求各年份退水系数与多年综合退水系数。结果表明:流域年退水系数在0.007～0.200范围内波动,其变化与降水无关,随着最小7 d平均流量的变小而增大,流域多年综合退水系数为0.08。研究成果对合理开发利用水资源、保护河流生态系统平衡具有现实意义。     

基于模拟退火算法的皮尔逊Ⅲ型分布参数估计

以渭河流域3个气象站的年降水量资料为例,采用模拟退火算法按照离差平方和最小准则、离差绝对值和最小准则、相对离差平方和最小准则对皮尔逊Ⅲ型分布进行参数优化,并与矩法、极大似然法、线性矩法3种常规分布参数估计方法计算结果作对比。结果表明:模拟退火算法是一种可行的水文频率曲线参数估计方法,其估计精度优于3种常规参数估计方法。     

基于运动扩散模型的含零值降水序列频率计算

应用运动扩散(KD)模型,研究含零值降水序列频率计算。以陕西省6个测站2月份降水序列为例,在Strupczewski推导矩法、极大似然法参数计算公式的基础上,利用数学变换原理和数值计算原理,推导了KD模型含零值序列分布概率权重矩法参数计算公式。采用AIC准则、OLS准则和残差平方和(RSS)最小准则,进行KD模型、频率比例法和II型乘法分布模型拟合效果评价。结果表明:KD模型可以应用于含零值降水序列频率计算,且该模型拟合效果优于频率比例法和II型乘法分布法;3种KD模型参数估计方法中,概率权重矩法估计KD模型参数拟合度最优。文中方法以期为我国含零值水文序列频率计算提供一种新的计算方法。     

基于TL矩法的洪水频率分布参数估计方法优选

为分析TL矩法在洪水频率分析中的普适性,以陕北地区神木、绥德、杏河、刘家河、黄陵和志丹6个水文站的年最大洪峰流量序列为例,选取广义Pareto分布、广义极值分布和广义Logistic分布,对线性矩法、极大似然法与TL矩法3种参数估计方法进行拟合优度评估。结果表明:除杏河站用广义极值分布外,其他5个水文站的年最大洪峰流量序列用广义Pareto分布拟合效果更佳;与线性矩法和极大似然法相比,TL矩法在各水文站均表现出更佳的拟合效果,是一种洪水频率分布参数估计的较好方法。     

GEV分布参数的部分概率权重矩估计方法

应用部分概率权重矩研究了洪水频率分布参数的估计方法,采用MATLAB编程求解了GEV参数,并通过Monte Carlo试验对比了不同低删失样本的部分概率权重矩和矩法估计量的统计特性。以渭河林家村站、张家山站、氵状头站的年最大洪峰流量系列为例,进行了两种GEV分布参数估计方法的对比。结果表明:低删失样本的部分概率权重矩在高分位数估计方面呈现出良好的有效性,估计量的统计特性均较矩法好。     

水文频率统计参数估计方法的探讨与应用

我国水利水电工程设计洪水计算规范中规定水文分析计算采用P-Ⅲ型分布线型,一般采用矩法估计参数初值,适线法确定统计参数,因Cv的估计与矩法的阶数有关,存在一定的估计偏差,给工程设计带来一定的影响。探讨了极大似然法、概率权重矩法、权函数法、单权函数法、双权函数法、适线法等参数估计方法。以蔡家村水文站55a连续长系列年径流资料和洪峰流量资料为例探讨了7种参数估计方法的应用,并以最小二乘法分析了方法误差,提出根据抽样样本性质选择恰当的参数估计方法是目前提高设计成果精度的方法之一。     

基于 CORDEX 数据集的碧流河流域径流预估

为了研究气候变化对碧流河流域径流的影响,基于CORDEX联合区域降尺度试验,采用区域气候模式对GCM所涉及的两个全球气候模式进行降尺度,获得三种情景下的气象数据集,并利用气象数据集驱动率定好的SWAT水文模型,预测未来气候变化条件下碧流河流域的径流过程,分别分析年、月平均径流相对于基准期的变化特征,以及各情景模式下设计丰水年(P=10%)、设计平水年(P=50%)、设计枯水年(P=90%)的设计年径流年内分配过程相对于基准期的变化。结果表明:气候变化对碧流河流域径流的影响主要体现在汛期;C1、C3情景在RCP4.5排放路径下汛期平均径流量相对于基准期增加17.65%、0.14%,多年平均径流量增加18.17%、5.58%;其余各情景下径流量皆呈减小趋势,其中汛期减幅(-7.22%～-0.75%);多年平均减幅(-10.25%～-10.58%)。设计年径流分配过程显示,未来时期设计丰水年,平水年的年径流最大值主要出现(5—10月),较基准期汛期(6—9月)而言范围较大,设计枯水年年内分配不均匀,碧流河水库在未来时期兴利防洪调度将面临一定的挑战。     

基于PSO-WRF的渭河中下游年径流预测模型

针对传统随机森林( RF) 模型决策树因投票权重相同而导致预测精度不高的问题,采用加权随机森林( WRF) 模型全面考虑各决策树分类能力的差异性,建立决策树加权投票机制; 同时运用粒子群算法( PSO) 进行参数全局寻优,避免依据经验选取参数的不科学性,通过二者耦合最终构建PSO-WRF 模型。利用渭河中下游咸阳站与华县站 1960—2009 年的径流系列对 RF、WRF、PSO-WRF三种模型进行训练及测试,结果表明,PSO-WRF 在咸阳站与华县站的平均相对误差绝对值( MRE) 分别为 7. 05%和 9. 41%,且均方根误差( RMSE) 、平均绝对误差( MAE) 等指标均降至优化前的 30% ～50%,各年预测误差最低可降低至优化前的 1 /3 ～ 1 /6。PSO-WRF 模型优化效果显著,表现出良好的预测精度和泛化能力,能够为相关径流预测研究提供一定参考。     

气候变化下奎屯河流域径流特征分析

近年来,人类经济活动加快以及气候的变化,导致径流特征发生一定的变化,这为径流预报、水资源的合理规划及利用增加了难度。目前,随着气候的变化,奎屯河流域的径流特征也发生了极大的变化。根据1972—2017年奎屯河流域月径流量以及气温、降水实测数据,通过基本统计方法、累计距平法、MK检验等方法,分析了奎屯河流域两条主要河流在气候变化影响下的年内变化、年际变化和周期变化趋势等特性。结果表明:奎屯河与古尔图河年径流序列分布规律较为相似,主要体现在年径流分布较为集中,离散程度小,分布呈正偏,极值数据集中度较好;奎屯河、古尔图河,相对变化幅度均呈现减小的趋势且河流年内分配逐渐趋向均匀,其中奎屯河径流量46 a间平均上升速率为0.38×10~8m~3/10 a;古尔图河平均上升速率为0.214×10~8m~3/10 a;奎屯河、古尔图河年径流序列演化过程分别存在着4～8 a、10～15 a、20～25 a以及5～15 a、20～30 a尺度的周期变化规律,第1主周期分别为23 a和22 a;奎屯河径流量与气温Pearson相关性系数为0.703~(**),呈极显著相关的关系;古尔图河径流量与气温、降水Pearson相关性系数分别为0.698~(**)、0.225~(**),呈极显著相关的关系。     

新疆水资源禀赋、开发利用现状及其长期战略对策

利用《中国水资源及其开发利用调查评价》《新疆水资源及其可持续利用》和新疆水资源公报2012—2016年等有关统计成果,总结了新疆水资源禀赋及开发利用规律,按照水资源流域分区、行政地市分区分析了各地水资源禀赋及其开发利用规律。研究表明:新疆多年平均水资源总量为832亿m~3(1956—2000);2000年以后降水偏丰影响,2001—2017年间年均水资源量为931.9亿m~3,比多年平均多99.1亿m~3,年均偏多12%;2012—2016年供水总量总体呈下降趋势,从2012年的590.14亿m~3,下降到2016年的565.39亿m~3。建议持续推进节水型社会建设,合理确定生态环境目标,坚持生态优先,加快推进西北地区生态文明工程建设等相关长期战略对策。     

秃尾河流域植被覆盖变化及其对径流的影响

黄土高原地区水土流失严重,生态环境脆弱。随着退耕还林还草政策的有序实施,区域植被覆盖率从90年代末开始显著提高,但河川径流也随之显著减少,对黄土高原区的水资源安全造成了重要影响。选取陕北秃尾河流域为研究对象,通过分析流域植被变化特征,检验径流序列趋势变化、变异特征以及其与降水、植被指数(NDVI)的相关关系,探讨了降水与植被覆盖变化对径流的影响,并使用基于Budyko假设的弹性系数法对不同时段的贡献率进行了定量分析,指出其影响径流缩减的物理机制。研究结果表明:(1)秃尾河流域植被覆盖格局总体为东南高、西北低,且近年来逐渐趋好,特别是2000年后流域植被覆盖率显著上升,到2013年年均NDVI值已达0.45,其变化主要表现为西北部未利用土地转化为草地和林地;(2)近年来秃尾河流域径流显著持续减少,且以1983和1997年为拐点呈三阶段变化,而降水、潜在蒸散发呈不显著减少,且潜在蒸发量和径流量的下降趋势将可能持续;(3)1984—1997年间流域降水驱动径流减少,两者呈现较强的正相关性,1997年后流域植被覆盖变化显著,表现为与径流的强烈负相关性,并成为引发径流显著减少的主因;(4)由Budyko方程计算得到的下垫面参数n与年NDVI值具有相同的变化趋势,验证了弹性系数法的适用性。定量分析结果表明1984—1997年间气候变化与覆被变化对径流变化呈异向影响,气候变化使径流减少而覆被变化使径流增多,且前者贡献率明显高于后者。之后,覆被改变对径流缩减的影响显著增强,贡献率高达75%以上。由物理解析可知,当前气候环境下植被覆被变化正在逐渐主导流域的径流变化,"地表变绿"可能对流域水安全造成潜在威胁。     

1950—2016 年赣江径流量变化特征及其影响因素分析

为了阐明赣江径流近50 多年的变化特征及影响因素,以赣江外洲水文站1950—2016 年水文资料为基础,利用距平累积法分析赣江径流年际变化特征,结合 Mann － Kendall 检验法和滑动 T 检验法对赣江径流特征进行突变性检验,采用 Morlet 小波分析法对径流序列进行周期性分析,并对导致赣江径流序列产生这种特征及其变化趋势的原因进行了讨论。结果表明: ( 1) 赣江 10a 径流量呈现增加趋势,10a 径流量最小值发生在20 世纪60 年代,最大值发生在2010—2016 年; ( 2) 1962—1963 年和 2010—2011 年的赣江径流累积距平和年均径流量均呈现显著下降状态,且前者的变化特征比后者更加显著; ( 3) Mann － Kendall 检验结果和滑动 T 检验结果均表明赣江年均径流在 1991 年前后存在着明显的突变性特征; ( 4) 17a、6a 和3a 这 3 个周期的波动控制着赣江外洲水文站在1950—2016 年这整个时间域内的变化特征; ( 5) 赣江径流受气候变化和人类活动共同作用,气候变化主要影响径流长期 变化趋势,径流变化的突发点与人类活动关系更大。研究结果可为鄱阳湖流域赣江水资源科学、合理的规划及利用提供一定的参考依据。     

1951—2017年通辽地区气温、降水和蒸发演变规律研究

科学分析气温、降水和蒸发的演变规律,可为地区合理利用气候资源和发展农业生产提供参考依据。以 1951—2017 年通辽气象站的气候资料日值数据集为基础,运用年份突变检验、年际趋势分析和周期震荡分析等方法研究多时间尺度下年平均气温、年降水量和年潜在蒸发量的变化特征。运用 Mann-Kendall 检验、有序聚类检验和滑动 t 检验分析气候要素的突变特征,运用线性趋势和滑动平均分析气候要素的年际趋势,运用 Morlet 小波分析气候要素的周期震荡。结果表明: 年平均气温和年潜在蒸发量呈显著上升趋势,其变化率分别为 0. 38 ℃ /( 10 a) 、41. 40 mm /( 10 a) ; 年降水量呈微弱下降趋势,其变化率为－5. 26 mm /( 10 a) 。气温、降水和蒸发的突变年份分别为 1987 年、1963 年和1995 年。上述气候要素突变年份前后 10 a 均值的变幅分别为+14. 60%、－22. 74%、+8. 43%。56 a、15 a 为气温的第一、第二主周期; 41 a、18 a 为降水的第一、第二主周期; 55 a、30 a 为蒸发的第一、第二主周期。年潜在蒸发量具有 55 a 的显著变化周期。     

河道生态基流生态经济价值及其时间变化研究

为了解决普遍采用单方水资源价值计算河道生态基流价值的缺陷,以及探索河道生态基流价值定量化计算新方法,采用水力学方法将河道生态基流从径流量中分离出来,并确定河道生态基流对应水面面积,进而采用当量因子法计算河道生态基流价值和并探索分析了河道生态基流价值的时间变化特征。以渭河干流宝鸡段为例进行研究,结果表明:渭河干流宝鸡段的丰水年、平水年以及枯水年的年平均河道生态基流量分别为5.82 m~3/s、3.59 m~3/s和2.76 m~3/s。近21 a来,该段河道生态基流价值在时间上总体呈下降趋势,该价值多年平均值为5.61亿元,单方河道生态基流价值为6.27元/m~3,单方价值与价值总量变化趋势相反。河道生态基流价值年内变化具有明显的周期性,总体呈倒"V"字型,汛期河道生态基流价值比非汛期大,单方河道生态基流价值与之相反。通过相同区域以及相近区域的河道生态基流价值研究成果以及价值变化特征的对比分析,证明研究成果较为合理。该方法可为河道生态基流合理保障提供定量化依据。     

基于量纲分析的宁波象山港大桥桥墩局部冲刷规律研究

针对宁波象山港大桥桥墩冲刷严重问题，为了剖析潮流径流共同作用下跨海大桥复式桥墩局部冲刷机理，科学预测桥墩局部冲刷规律，通过系统分析、评估、复核象山港大桥相关试验成果和现场实测数据，深入研究了象山湾内关键水文泥沙参数( 波浪、潮流、潮位、泥沙量、海底冲刷) 变化特征，利用主因子分析及量纲分析等手段，建立象山港大桥桥墩局部冲刷公式，并利用观测数据进行验证。研究表明，象山湾内各涨急落急流速变化不大，涨急和落急之间差别明显。涨急和落急时的代表垂线平均流速分别为－1 m /s 和 1. 14 m /s，且涨落急时刻对应的代表潮位分别为 1. 37 m 和 0. 54 m。针对象山港大桥桥墩特性分别建立三类桥墩局部冲刷公式，计算得到的预测值与观测值误差在±5%以内，说明所提出的预测公式具有较好的预测效果，能有效地揭示象山港大桥的冲刷规律。     

遗传算法与最小二乘支持向量机在年径流预测中的应用

为克服最小二乘支持向量机(LSSVM)依赖人为经验选择学习参数的不足,利用遗传优化算法(GA)选择LSSVM惩罚因子C和核函数参数σ2,构建GA-LSSVM年径流预测模型,并构建LSSVM、GA-BP和传统BP模型作为对比,以云南省河边水文站年径流预测为例进行实例研究,利用实例前30 a和后22 a资料分别对各模型进行训练和预测。结果表明:GA-LSSVM模型对实例后22 a年径流预测的平均相对误差绝对值和最大相对误差绝对值分别为3.13%、8.66%,预测精度优于LSSVM、GA-BP和传统BP模型。GA算法全局寻优能力强,利用GA算法优化得到的LSSVM学习参数可有效提高LSSVM模型的预测精度和泛化能力。