多维时间序列突变点检测方法研究

水文系列的变异性检验是非一致性水文频率分析过程中的重要环节,其中跳跃性变异是非一致性的重要表现形式,准确识别突变点对认识水文过程发生的变化及开展实际水文水资源工作具有重要意义。对于多维时间序列而言,可能会出现各单维变点不统一的情况,为此,将启发式分割算法(BG算法)与线性加权综合统计量结合,应用于多维水文时间序列的变异点检测,通过综合各维度的统计结果,确定最终的突变点。统计试验结果表明：该法有利于排除多维系统中虚假突变点或弱突变点的干扰,得到更为合理的检测结果。对汉江黄龙滩入库洪水极值系列变异性检测的应用结果表明,洪峰和最大7 d洪量的单变量检测突变点分别为1990年和1985年,通过综合统计量判定最终的突变点为1985年,为解决多维水文时间序列突变点的统一检测问题提供参考。     

重标方差结合法在径流时间序列突变中的应用

在气候变化和人类活动的影响下,水文系统变异愈发剧烈,合理地进行水文预测和水资源配置显得尤为重要。文章将分形V/S分析方法结合非参数统计检验Wilcoxon秩和检验法相结合,提出V-W法来进行时间序列的突变点检测,进而研究径流时间序列的突变性,分析突变点相应的气候变化规律。研究成果对于径流时间序列突变应用具有一定的指导意义。     

合水水库不同径流尺度的变点检测

以合水水库为例,采用Mann-kendall和Pettitt突法变检测,分析该水库不同径流尺度的突变情况,结果表明：合水水库的月径流量和年径流量最显著的突变点分别为1973年3月和1972年,因此,不同径流尺度的突变时间几乎相当;合水水库的月径流和年径流的突变时间说明,不同径流尺度产生突变的主要原因是气候变化引起的。     

几种河川径流序列突变检验方法的对比

水文序列变异的诊断方法众多,各种方法所得突变结果不尽相同。为避免单种方法检测的不确定性,通过研究比较6种常用突变检验方法,以黄河上游三条代表性河流的河川径流序列变异为案例,对上述方法的基本原理、假设条件和成果合理性进行实证性对比研究,基于此提出突变检验的建议方案。曲线直观类方法适于突变时间范围的勾勒,变异年份须借助统计方法检验;参数统计法与非参数秩检验法各有优点,为避免同类方法的重复,建议各选其一用于突变检测和成果对比;宜严格控制显著性水平检验,当两个或两个以上的检测结果较一致才能议为可信的突变结果。实证研究表明,黄河上游黑河和白河径流序列(1985—2015年)的突变均发生在1993年,洮河径流序列(1956—2015年)的突变年份发生在1991年。研究属多种方法应用于水文序列突变检验的有效范例,可为突变检验相关理论体系的完善和方法的创新提供参考。     

径流序列变异诊断的近似熵与样本熵法对比研究——以新疆叶尔羌河为例

识别并诊断径流序列的变异点,是进行径流序列重构与一致性再建立的关键环节,对于认识水文机理、应对径流变化具有重要价值。选取1957-2016年叶尔羌河出山口卡群水文站实测日径流量数据,采用传统MannKendall突变检验法识别突变点,采用样本熵和近似熵法诊断序列的变异点并进行方法对比。结果表明:采用传统的突变检验方法 Mann-Kendall法进行突变点识别时,出现了多个虚假变异点,无法准确断定突变年份;采用近似熵法对径流量序列进行变异点诊断,发现1959、1987和2004年3个变异点,采用样本熵法对径流量序列进行变异点诊断,发现1987和2004年两个变异点。通过两种方法的对比分析发现,在同一维度下,样本熵较近似熵能更好地反映径流量序列的波动情况,并且样本熵具有更好的灵敏度。卡群站以上为高山分布区,人为干扰较小,自然因素成为影响研究区径流变化的主要因素。     

余弦相似理论在水文序列校正插补中的应用

大多数水文模型都需要用到水文序列作为输入参数,水文序列的准确性决定了模型计算结果精度的上限。由于实际运用中,常会有各种因素导致水文序列中的某些数据项出现异常或缺失的情况,如何利用已知的资料对异常或缺失的数据进行校正和插补一直是水文计算中的一个难题。文章针对此问题进行了系统的研究,结合时间序列相似性理论和粒子群优化算法提出了一个可行的水文序列校正插补算法,并使用二滩水库的实测径流资料对算法进行了验证,结果表明该算法能较好地处理水文序列中存在的异常值或缺失值。     

时间序列分析在中长期径流预测中的应用

时间序列分析是数据挖掘技术在水文领域应用较为广泛的一种方法,它可以从大量的水文数据中提取一般性的规律,为中长期径流预测提供新的分析方法和科学的决策支持。文中采用时间序列分析方法对察尔森水库的中长期径流进行预测,为开展中长期径流预测研究提供借鉴和参考。     

漳泽水库入库径流变化趋势及影响因素分析

采用M-K(mann-kendall)统计检验方法对漳泽水库的入库径流变化趋势进行了分析,采用BG(bernaola-galvan)分割算法对其突变点进行了分析,并在此基础上对漳泽水库入库径流变化的影响因素进行了分析。分析结果表明,漳泽水库年入库径流以及汛期和非汛期入库径流均呈现出显著的衰减趋势;并且入库径流1977~1980年间发生了衰减突变,突变幅度大,1980年以后未发生显著变化,维持在较低水平;而且人类活动是漳泽水库入库径流减少的主要因素。漳泽水库入库径流的衰减加剧了当地的水资源供需矛盾,因此,应进一步对漳泽水库的调度方式进行研究以实现流域水资源的可持续利用。     

黄河下游水沙突变特征分析

河川径流是黄河流域最主要的水资源,1950年以来黄河下游水沙量总体呈递减趋势。由于水资源在黄河下游社会经济发展中占有十分重要的地位,因此有必要了解黄河下游来水来沙的变化趋势。水文循环、自然条件的剧烈变化和流域内人类活动的影响通常会引起流域水文系统运行方式的改变,进而使径流序列发生变异,呈现出阶段性特征,并且变异前和变异后的水文序列总体分布发生显著改变。了解和诊断径流序列的变化规律,对水文分析、模拟和预测中统计方法的选择以及制定防洪减灾对策和水环境治理措施都具有重要意义。掌握黄河下游来水来沙变化趋势及变异成因是黄河下游水资源合理开发利用及水沙调节的关键。本文使用非参数统计方法、Mann-Kendall趋势检验方法和Pettitt变点检测方法对黄河下游5个水文站的年来水量与年来沙量系列分别进行了趋势检测及变异点检测。研究结果显示,黄河下游年来水量与年输沙量一级变点均出现在1985年,变异成因主要为气候变化及龙羊峡等水利工程建设运行。年来水量与年输沙量二级变点出现的年份不完全一致,5个水文站年输沙量系列的二级突变点为1996年,年输沙量系列突变时间晚于年来水量序列突变的时间,并且年输沙量系列的突变规律性较好,三门峡水库、刘家峡水库及小浪底水库的建设运行是二级变点出现的主要因素。     

基于小波分析的丹江口水库水文年度入库径流变化特征

根据丹江口水库运行调度的实践,采用Morlet小波函数,对丹江口水库水文年度、汛期和非汛期的径流时间序列进行小波分析,揭示了丹江口水库入库径流多时间尺度的复杂结构,并分析了不同尺度下径流序列的周期变化和突变点.研究结果表明:水文年度、汛期、非汛期入库径流序列都存在9,20,40,50a的主要周期,并且水文年度入库径流与...     

北京三百年降水序列的成分分析及其随机模拟

全球气候变暖背景下，降水量时域分布不均导致局部时段水资源短缺等问题日益严重，合理准确分析区域长序列降水变化规律和演变趋势尤为重要。基于北京地区1724—2019年降水时序资料构建不同长度的降水序列，采用BS-Pettitt耦合模型和极点对称模态分解算法对降水序列组成成分进行分析，并利用随机森林算法对其进行随机模拟。通过近三百年的降水时序检验分析，结果表明：北京地区降水量变化整体呈“上升—平稳—下降”趋势，降水序列在时域中存在1770年、1813年、1871年、1893年、1947年和1999年6个突变点；在频域中存在2.5～4年、7～15年、25～35年、74年左右和95～100年的准周期波动规律，且长时间序列在降水序列成分分析和随机模拟中均表现出较强优势。     

日径流序列混沌识别中合理长度的确定

混沌理论是进行水文时间序列分析的重要手段。为保证分析结果的可靠,主张充分利用现有资料,但目前缺乏时间序列长度对混沌特性识别影响的研究。以长江上游武隆站和北碚站日径流序列(1951年-2012年)为例,通过对二者进行混沌分析,研究了最大Lyapunov指数对序列长度的响应。结果表明,日径流时间序列长度过小时会影响混沌识别结果,使结果缺乏可靠性;并不是样本序列长度越长混沌识别结果越好;当序列长度达到3 000左右时,序列的混沌特性达到稳定,结果可靠并缩短了计算时间。     

时间序列分析在地下水位动态预测中的应用

运用时间序列分析理论,结合SPSS统计分析软件对贺兰县地下水位动态变化进行了模拟和预测。结果表明:研究区地下水位年际变化无明显上升或下降的趋势,这表明研究区地下水补径排条件近年来变化不大。受灌溉和降雨的影响,研究区地下水位变化主要表现为一年的显著周期。将时间序列分析方法应用于地下水位动态预测,可以了解地下水位的变化趋势和周期性。该法计算简单,所需资料较少,短期预测精度较高。但是在实际应用时,数据需要不断及时更新。同时由于没有考虑地下水流系统的动力学机制和未来突变情况,应用时受到了一定限制,还需进一步完善。     

支持向量机的混沌序列预测模型及在径流中应用

混沌和支持向量机理论为研究复杂多变的非线性水文时间序列开辟了新的途径。给出了应用支持向量机回归原理的混沌时间序列非线性的预测建模的思路、特点及关键参数的选取。根据重构相空间理论对月径流过程进行相空间的重构,探讨了支持向量机混沌时间序列非线性预测模型在月径流预测中的应用,在支持向量机建模过程中引入了经向基核函数,简化了非线性问题的求解过程。实例表明,该模型能较好地处理复杂的水文数据序列,且有较好的预测精度。     

水文学前沿科学问题之我见

认为水文时间序列年际演变、降雨空间分布及动态变化、水文现象与下垫面的关系、优先流、坡面流、水文尺度转换、水文模型的"异参同效"、水文非线性等问题是当前面临的主要水文学前沿科学问题。论述这些问题的科学内涵、突破的可能切入点,以及对水文学进一步发展的推动作用。指出水文学的前沿科学问题应与时俱进。期待有更多的学者,尤其是青年学者来关心、发现、探讨水文学前沿科学问题。     

人类活动对水文序列的显著影响干扰点分析--以黄河中游无定河流域为例

水文序列的一致性分析是水文计算中的一项重要内容,以黄河中游的无定河流域为例,运用斯波曼秩次相关检验法检验了该流域水文序列的趋势性,然后,利用有序聚类分析法推估了人类活动对序列的显著影响干扰点.结果表明1972年是无定河流域水文序列的突变点,1972年以后人类活动对该流域水文的影响更为显著.     

应对水文序列非一致性变化影响的溯源重构法研究

水文序列的非一致性特征导致多种常用水文分析计算方法在理论上陷入瓶颈,因尚未得到有效的解决,仍需不断探索研究。从因变量与自变量关系的角度看,引起水文变量非一致性变化的原因是影响因子自身的非一致性变化。据此,针对单个影响因子作用于水文变量的规律,提出源函数概念,依据水文变量与影响因子源函数间的统计乘积模型,构建新的函数,并据此函数将非一致性变化的影响因子的作用从原序列中剔除,实现了非一致性序列向新的一致性序列的转化。本文称该方法为溯源重构法。获得的重构序列可用于以一致性序列为基础的分析计算工作。对陕西省佳芦河流域非一致性年最大洪峰流量序列的应用研究表明,溯源重构法不仅能有效消除序列的线性、非线性趋势以及突变等三种非一致性特征,且重构序列的分布更符合原序列的抽样属性。相比于分解合成法仅能去除序列的一阶矩趋势,溯源重构法在去除一、二阶矩的非一致性上均能发挥作用。     

长江上游水库群联合调度下的河流水文情势研究

长江上游水库群的联合调度运行必然会对下游河道径流产生影响。选择北碚、高场、宜昌站作为水库群串、并、混联运行下的控制断面,通过IHA法选择出受水库群联合调度影响的14个水文指标,并采用CRITIC法改进RVA完成串并混联运行模式下的水文指标变化趋势和整体水文变异程度的研究。分析结果表明:①随着水库群联合运行数量的增加,长江干支流河道水文情势改变幅度增大;②水库群联合运行会使汛期流量显著降低,非汛期流量增加,同时会造成年最大(小)流量呈减少(增加)趋势;③水库串联运行模式会使最大流量发生时间延迟;并联运行模式会使汛期流量坦化现象更加显著;混联运行模式对水文情势的改变程度主要受调度方式和气候变化的影响,上游混联模式使宜昌站水文情势为低改变度。     

气候变但对石羊河流域水资源影响分析

本文研究了石羊河流域气候变化对水资源和干旱的影响,旨在为将来的水资源配置提供了决策依据。研究采用了Mann-Kendall秋序检测方法对石羊河流域气候变化趋势进行了分析。在变化趋势的分析中,同时引入一种适合非线性和非平稳时间序列突变检测的新方法一B-G分割算法来检测其趋势的突变性。研究结果表明:石羊河流域上游降水存在突变;而整个流域的气温均存在突变;上游和中游潜在蒸发量(PET )均存在突变;而整个流域的有效降雨不存在突变。特别是进入20世纪90年代后期以后,年平均温度增加幅度更为明显,潜在蒸发量(PET )也在增加,而降雨增加却不明显。     

中国四大河月径流随机变化特性的探讨

本文依据中国四大河(长江、黄河、松花江、西江)观测资料,用随机水文学的方法探索了四大河月径流时序变化特性和空间变化特性并在此基础上研究了表征月径流变化特性的模型。结果表明简单的季节性一阶自回归模型加上随机项的偏态变换可用来表征月径流的时序变化,主站模型可用来表征月径流的空间变化。结果还表明:长江和黄河月径流量的变化基本上是同步的,长江和松花江的月径流量变化表现出异步的趋势。