黑河流域参考作物蒸散量时间序列非线性特征研究

为了揭示黑河流域参考作物蒸散量的时间序列非线性特性,利用黑河流域及其周边的17个气象站,采用Penman-Monteith公式计算日、月、季和年的参考作物蒸散量,通过多重分形理论分析ET0时间序列的变异规律。结果表明:除年尺度时间序列为弱变异外,其他时间尺度均为中等强度变异;不同时间尺度参考作物蒸散量时间序列均具有多重分形特征,月尺度时间序列相较于其他时间尺度短距离变异显著,年尺度长距离变异显著。     

基于ICEEMDAN-MFDFA的广东日降水序列的多重分形特征

【目的】降水时间序列是典型的非平稳、非线性时间序列，在全球变暖的背景下呈现出明显的复杂波动特征。通过全面考察广东日降水序列的分形特征，为有效应对区域水旱灾害风险提供参考。【方法】引入改进的自适应噪声完全集合经验模态分解(ICEEMDAN)方法改善传统多重分形去趋势波动分析(MFDFA)方法在去趋势过程中的不足，利用ICEEMDAN-MFDFA方法得到1973—2021年广东日降水序列的多重分形结果。【结果】结果显示：广东日降水序列具有复杂的多重分形特征，多重分形谱表现为右偏、左勾状，Hurst指数小于0.5;各项多重分形谱参数呈现阶段性上下波动特征，谱宽、不对称指数、谱端高差和Holder指数的极值分别达到1.00、-0.72、1.01和0.12;降水序列的多重分形谱宽与谱端高差、不对称指数与Holder指数两两之间有着密切的联系。【结论】结果表明：降水序列内部演变的波动行为具有长程相关性，表现为反持续性；日降水对小幅度的局部气候波动较敏感，且有增大的趋势；当降水复杂性越强时对应着日降水增大的态势越明显，当多重分形谱的右偏程度越弱时其精细结构越丰富；与传统方法相比，ICEEMDAN-M...     

参考作物蒸腾量的多重分形特性分析

分析ET(Evapotranspiration,参考作物蒸腾量)的动力学特性,有助于进行中长期需水量的分析与预测。将多重分形特性分析方法应用于1978-2007年间30 a汉江流域3个典型站点(钟祥、天门、武汉)的参考作物ET时间序列。结果表明,逐日参考作物ET序列不仅具有不规则的高频振荡的特征,而且还具有明显的分形行为;在不同时间宽度(日、旬、月)下,逐日参考作物ET序列的多重分形特征最强。进一步的分析结果表明,序列中脉动引起的波动相关性和极端事件引起的胖尾概率等都是引起多重分形特征形成的原因。结合趋势转折分析方法发现:不同时间阶段内的多重分形特征显著;但在不同的时间段内,多重分形谱和局部分维宽度等都受到了极端事件的影响,且影响幅度与所处流域内的位置有关。     

河道水沙变化过程的多重分形研究——以长江重庆河段为例

河道水沙变化过程具有非线性特征,基于长江寸滩站、朱沱站和嘉陵江北碚站(简称"三站")1955-2011年的水文资料,应用多重分形消除趋势波动分析法(MF-DFA方法),研究长江重庆河段水沙变化过程的多重分形特征。结果表明:三站日流量和日输沙率序列具有多重分形特征,该多重分形特征是由序列的长程相关性引起的;日流量序列的奇异谱呈右钩状曲线,小涨落的影响在序列中占优势,日输沙率序列的奇异谱对称,大小涨落的标度行为在序列中基本一致;水沙时序变化的复杂程度可用多重分形谱宽Δα表征,且日输沙率序列的Δα相对较大,变化更为复杂;不同时段水沙序列的谱曲线形状存在较大差异,丰水丰沙时序的谱曲线较宽,顶部较圆滑,Δα较大,枯水枯沙时序的谱曲线较窄,顶部较尖锐,Δα较小。     

基于改进型MF-DFA的月径流序列多重分形分析

应用改进的多重分形消除趋势波动分析法对长江流域某水文站多年月径流资料进行分析计算,结果显示,月径流序列具有长程相关性和多重分形特征,并采用二项倍增串级模型,对其多重分形谱拟合,表明月径流序列具有较强的多重分形性。通过对其初始序列、重排序列和替代序列进行对比分析,揭示出月径流序列多重分形特征是序列本身的长程相关性和胖尾概率分布共同作用的结果,且胖尾概率分布起主要作用。     

基于多重分形原理的大坝位移分析与预测研究

大坝监测数据分析是大坝安全监测的重要环节,是认识大坝规律和判断大坝安全的重要手段。运用多重分形去趋势波动分析理论研究大坝位移时间序列的多重分形特性、大坝位移波动幅度和趋势、以及环境量与位移间关系,并运用分形预测原理对大坝位移时间序列进行了拟合和预测。结果表明:多重分形去趋势波动分析理论可以较好地应用到大坝监测数据分析中。     

大坝变形实测数据的多重分形特征解析方法

为更好地分析大坝变形实测数据的波动特征进而评价变形的整体性态,以某混凝土重力坝的实测数据为凭,将多重分形理论应用于大坝变形性态分析中,利用MF-DFA、MV-MFDFA和A-MFDFA解析变形性态的多重分形特征及其非对称性。结果表明,无论是多测点或单测点,实测序列均具有明显的多重分形特征,并且这种多重分形特征具有明显的非对称特性;实测序列从多测点到单测点、从整体波动到局部趋势均表现出良好的记忆性和长程相关性特征,在水位等大波动因素的影响下,该坝坝顶水平位移发展良好,大坝整体状态稳定。     

国内外河流(网)非线性动力系统防灾分形理论研究综述

正河流(网)非线性动力系统发展一般遵循"相对稳定一混沌一无序一分形自组织一恢复相对稳定"的变化规律,演变过程表现出一定的混沌分形特征。从长序列水文过程分形、洪水分期分形、河流形态演变分形、洪灾时序及频次分形、水文多尺度分形等5个方面,分析探讨了国内外河流(网)动力系统防灾分形理论研究动态及趋势展望。提出水利智能分形复合理论、流域多尺     

基于DFA的长江上游径流演化标度特性研究

针对河川径流时序所具有的非线性与非平稳性特征,运用消除趋势波动分析法（Detrended Fluctuation Analysis,DFA）对长江上游控制性水文站-宜昌站1878～2001年的月均流量时序的演化特征进行了研究,以揭示该流域河川径流的长程相关性及其内在规律性。结果表明：长江上游河川径流时序波动具有长程相关性,且其标度指数具有显著的区域性,即在短时间尺度上具有强烈的正持续性,在长时间尺度上具有强烈的负持续性,且其正持续性至多可持续19个月,显示了长江上游流域产汇流系统演化具有复杂的物理机制     

基于DFA的长江上游径流演化 标度特性研究

针对河川径流时序所具有的非线性与非平稳性特征,运用消除趋势波动分析法（Detrended Fluctuation Analysis,DFA）对长江上游控制性水文站—宜昌站1878～2001年的月均流量时序的演化特征进行了研究,以揭示该流域河川径流的长程相关性及其内在规律性。结果表明：长江上游河川径流时序波动具有长程相关性,且其标度指数具有显著的区域性,即在短时间尺度上具有强烈的正持续性,在长时间尺度上具有强烈的负持续性,且其正持续性至多可持续19个月,显示了长江上游流域产汇流系统演化具有复杂的物理机制。     

Multiscaling Analysis of Monthly Runoff Series Using Improved MF-DFA Approach

An improved multifractal detrended fluctuation analysis(MF-DFA) method is applied to analyze the long-term monthly runoff records of a hydrological station in the Yangtze River with seasonal trend eliminated, through which the long-range correlation and the multifractal characteristics have been found. The multifractal spectrum has been fitted by a generalized expression of the multiplicative cascade model, and the results show that the monthly runoff series has strong multifractal characteristics. Comparing the results for the original runoff series with those of shuffled and surrogate series, it concludes that the multifractal characteristics of the monthly runoff time series is due to the broadness of both the probability density function and long-range correlation, and the broadness of the probability density function is dominant.     

RCP情景下都柳江上游气候变化及径流响应分析

建立都柳江上游三水源新安江月水文模型,根据1968-2004年历史降雨、蒸发及径流数据运用遗传算法来率定和优选敏感参数,使用降尺度GCM数据驱动模型得到不同RCP情景下的流域未来月平均径流,并通过线性拟合方法分析都柳江上游未来气象要素及模拟径流过程。结果表明:2020-2099年都柳江年平均降雨基本处于稳定状态,年平均气温和蒸发呈波动增长,局部短时段下降。流域径流流量总体低于历史平均值,年际间波动降低,年内分布不均,主要集中在5-10月份。     

大通河流域生态流量确定及预警方案研究

生态流量是维护河流生态健康和功能的重要基础和保障。以大通河流域青石嘴站、天堂站、连城站、享堂站的长序列径流资料作为基础数据,采用基流比例法、Tennant法、最枯月平均流量多年平均值法、90%保证率法和7Q10法计算大通河流域生态流量,同时研究流域生态流量预警方案和预警流量控制指标。结果表明：基流比例法计算结果更具全面性和合理性,可以反映各年际各时段的流域生态流量;大通河流域生态流量的流量范围为多年平均流量的11%~35%,相应的青石嘴站、天堂站、连城站和享堂站的生态流量分别为5.57~17.73 m³/s、8.68~27.61 m³/s、9.08~28.88 m³/s和9.39~29.89 m³/s,经过保障度分析,各水文站全年生态流量保障度达到90%;依据确定的生态流量,将生态预警划分为蓝色预警、橙色预警、红色预警3个等级,并制定预警方案,该方案可以提高流量监测的可靠性和准确性,优化水库调度,维护生态环境健康。     

黄河下游年径流量及输沙量变化的EMD分析

运用EMD方法对黄河下游花园口站1952—2009年年径流量及年输沙量的时间序列资料分别进行了多时间尺度分析,得到了各自具有不同周期的波动分量以及趋势分量。结果表明:黄河下游年径流量、年输沙量的变化过程具有复杂的多时间尺度特性,是多种波动成分共同作用的结果;年径流量和年输沙量变化过程均存在3个波动周期,而趋势项呈递减的态势;相同尺度下的水、沙分量之间具有显著的相关性,而不同尺度下的水、沙分量之间基本无相关性。     

黄河流域径流情势区域变化特征分析

针对黄河流域径流情势的区域差异性,采用Mann-Kendall法检测1960-2015年黄河源头和上、中、下游重点控制站点的径流情势指标的变化趋势,并采用变化范围法(RVA)评估其综合变化程度。结果表明:除源区黄河沿站外,源区唐乃亥站和上、中、下游各站点的大部分径流情势指标的变化为下降趋势,尤其是汛期大部分月份的径流量、高流量及其历时显著减少,另外上、中、下游各站点的年最大径流量也都显著减少;部分径流指标存在一定的区域差异性,如源区黄河沿站6、9月径流量和最大径流量显著增加、上游年最小径流量出现时间有所推迟、中游高流量频率显著减少,最大径流量的出现时间显著移前、下游几乎所有月份的径流量均显著减少,最大径流量的时序显著前移等;从综合变化程度来看,流域各站点的径流情势发生了全面改变,整体改变度在中度及以上,其中频率和历时的改变度最大。利津站的改变度最大,龙门站次之。     

水量调度下西江下游枯季径流演变特征

对西江枯季水量调度下径流演变特征及极端枯水特征进行分析,为西江流域枯季水量统一调度和水资源高效利用提供参考。选取梧州水文站1950—2015年逐日流量资料,采用Mann-Kendall法、滑动T检验、R/S法等多种方法对西江下游枯季水量调度前后枯水年月流量序列进行趋势性对比分析,并详细探讨其变异性及未来变化特征。结果表明:西江下游枯季流量呈不显著上升趋势,呈正持续性,且变异可能性较小;水量调度后枯季11月份,次年1月份和2月份流量呈显著上升趋势,而10月份流量明显下降,即呈现拦蓄汛末洪水补给枯水月份特点,但作为枯水关键期的12月份流量呈微弱上升趋势值得关注;枯季各月流量的Hurst指数和相关系数C(t)表明,未来西江下游枯季各月流量仍与过去趋势相一致,且无显著变异。PPCC检验表明,LP-Ⅲ型分布描述西江枯水年月流量频率分布最优,以该分布频率P=90%为极端枯水标准,显示枯季径流前期随着指标流量尺度变小,极端枯水发生变多,但后期变少,可见枯季水量调度一定程度上有助于减少极端枯水事件的发生。     

基于博弈论可变集模型的节水型社会建设评价

节水型社会建设评价的研究是制定相关节水政策与措施的基础。在节水型社会建设评价的过程中,既存在清晰信息,也存在模糊信息。根据这一特点,结合陈守煜教授的可变集理论,运用博弈论组合主观与客观权重,提出了一种基于博弈论可变集的节水型社会建设评价模型。利用该模型对洛阳市节水型社会建设情况进行评价,并与模糊综合评价法、模糊物元法、TOPSIS法和VIKOR法的结果相对比。结果表明:洛阳市节水型社会建设呈现一种发展向上的趋势,节水情况越来越好,可变集模型与其他评价方法相比具有更高的准确性与合理性。     

南美洲巴拉那河流域水文气象要素演变特征及径流变化的气候响应

基于1951-2014年巴拉那河流域月尺度降水、气温、径流3个要素的观测数据,运用线性回归与MannKendall方法分析了序列的趋势性,运用小波方法分析了序列多时间尺度特征及气象因子与水文要素的内在联系。结果表明:在研究时段内,3个要素均有不同程度的增大趋势,气温与径流量显著上升,降水量不显著上升;在月尺度特征方面,3个要素均存在12个月左右的主周期,同时不同要素存在不同的次周期,其中气温存在微弱的6个月左右的次周期,月均降水量无明显次周期,径流量具有约36个月、48个月、64个月、100个月的次周期;在年尺度特征方面,3个要素均无明显主周期存在,降水量存在约3、4、8、10 a的次周期,气温无明显连续次周期,径流量的次周期特征与降水相似;交叉小波凝聚谱显示,巴拉那河流域月降水量的变化对径流量的影响远大于月均气温变化对其的影响;结合趋势性分析与小波分析可以清晰地了解流域内水文气象要素的变化规律与内在联系。