基于Archimedean Copula函数的流域降雨-径流关系变异分析

降雨径流关系是工程水文学领域中一个重要的应用问题,利用Copula函数在捕捉多变量间相依结构的灵活性这一优点,引入Archimedean Copula函数构建流域降雨-径流联合分布,诊断流域降雨-径流关系变异。以泾河流域为例,确定了降雨、径流分别服从Gumbel分布与对数正态分布,Copula函数检验结果表明,泾河流域降雨径流关系变异发生在1996年,并以降雨-径流关系变异点为分割点,将降雨、径流序列分割为1960~1996与1997~2010年两个阶段,分析表明两个时段降雨-径流关系发生较大变化,相同降雨情况下1997~2010年产流量相对1960~1996年减小30%以上,年降水量越小,产流量减小幅度越大,当年降水量为500mm时,减小幅度达到37.59%,并结合人类活动对照等分析,验证了Copula函数诊断流域降雨径流关系变异结果的合理性与准确性。     

变化环境下基于趋势分析的水资源评价方法

由于受气候变化和频繁人类活动的影响,用于水资源评价计算的年径流序列失去了一致性.本文针对非一致性年径流序列,提出基于趋势分析的水资源评价方法,可以推求过去、现在和未来各个时期变化环境下的地表水资源量.该方法假设非一致性年径流序列由相对一致的随机性成分和非一致的确定性成分两部分组成,采用相关系数检验法识别与检验年径流序列的线性趋势成分,并对确定性趋势成分进行拟合计算;根据时间序列分析的分解与合成理论,对年径流序列的随机性成分进行提取,采用有约束加权适线法对其进行频率计算;将确定性的预测值和随机性的设计值进行合成,得到过去、现在和未来不同时期年径流合成序列的频率分布.对无定河流域进行了实例验证,结果表明年径流量序列趋势变异显著;多年平均地表水资源量在过去(1958年以前)、现在(2000年)和未来(2010年)三个时期的评价结果分别为:16.432亿m3、7.686亿m3、5.598亿m3,未来与现在相比减小约27.2%,这种情形对无定河流域水资源的开发利用极为不利.     

分位数回归方法在盛夏日用电量预测中的应用

利用南方某市2010—2012年盛夏期间日用电量和日气温、降水、相对湿度等数据,探索了分位数回归方法在日用电量预测中的应用。均一化处理后得到的日用电量系数序列剔除了经济社会发展和双休日等因素影响,相关分析表明其变化与前日用电量和当日最高气温变化的关系最为密切;将前日用电量和当日最高气温作为预报因子建立分位数回归方程,独立样本检验结果表明预测效果良好;与常用的均值回归等方法相比,分位数回归方法能够给出预测值的条件概率分布情况,可为电力调度和风险管理提供更多参考信息,具有较好的应用前景。     

基于滑动Copula函数的降水和径流关系变异诊断

将滑动窗口与Copula函数相结合,提出滑动Copula函数的降水和径流的关系变异诊断新方法。以渭河流域华县站1951-2011年的实测月降水量和月径流量序列为例,画出不同滑动窗口的序列相依关系图,在欧式距离评判标准下,拟合降水和径流关系变异前后的最佳Copula函数。结果表明,华县站降水和径流关系变异年份为1972年和1984年,降水和径流关系在1951-1972年和1985-2011年服从T-Copula函数分布,1973-1984年服从Clayton-Copula函数分布。Copula函数模拟二元变量的诸多优点,有助于进一步认识降水和径流的尾部相关关系,为随机变量关系的变异研究提供一种新的途径。     

降水丰枯及下垫面变化对滦河干流径流量的影响

在收集滦河干流上游流域1961—2011年51年间的月降水和月径流实测资料的基础上,运用降水–径流双累积曲线和Kolmogorov-Smirnov双样本检验,将该流域的降水–径流回归关系划分为1961—1983年、1984—1999年和2000—2011年三个阶段,并分别建立了三个阶段丰水期和枯水期的降水–径流多元回归模型。三个阶段的多元回归模型均通过显著性检验,对实测年径流拟合的平均残差均小于15%,决定系数均大于68%。采用所建模型,定量分析了三道河子水文站控制流域内降水丰枯变化对径流的影响程度和流域下垫面改变对径流的影响程度。结果表明:在1961—1983年的下垫面条件下,相对于1961—1983年间的降水丰枯特征,1984—1999年、2000—2011年间降水的丰枯变化使得流域径流分别增加了8.08%和减少了25.34%;在1961—1983年的降水条件下,相对于1961—1983年的下垫面条件,1984—1999年、2000—2011年间的下垫面的改变使该流域径流分别减少了19.40%和43.16%。这对潘家口水库的入库流量势必产生一定影响。     

洪水序列变异条件下的频率分析与计算

海河流域由于兴建大量防洪和水保工程,改变了流域下垫面条件,导致天然洪水产汇流特性发生变化,洪水系列不再满足一致性假定,进行设计洪水的修订势在必行。以海河大清河水系南支沙河上游的王快水库入库年洪峰序列和年最大洪量序列为例,基于各序列变异点诊断结果,应用混合分布法和条件概率分布法,直接对非一致性洪水序列进行频率分析,得到基于变异序列的设计洪水成果。并将两种方法得到的设计洪水成果分别与1985年水利部规划总院(WRHPDGI)审定的王快水库设计洪水成果及不考虑变异条件下的P-Ⅲ曲线拟合设计洪水成果进行对比,结果表明,考虑变异条件下的不同标准的设计洪水值均较1985年设计洪水值有所减小,年洪峰减小幅度为15%~30%,年最大时段洪量减小幅度为5%~30%;较不考虑变异条件下的P-Ⅲ曲线拟合设计洪水成果也有一定程度的减小,年洪峰、年最大1日洪量、年最大6日洪量减小幅度小于10%,年最大3日洪量减小幅度为1%~15%。该结论可为大清河流域设计洪水的修订提供一定的理论依据。     

基于基尼系数的水文年内分配均匀度变异分析方法——以东江流域龙川站径流序列为例

由于受气候变化、人类活动及流域下垫面变化等因素的影响,许多水文要素序列不仅在年际形式上发生了变异,而且其年内分配特性也发生了不同程度的变异,严重影响了水利工程的规划设计以及水资源可持续利用和优化调配。目前有关水文要素年内分配特性的研究,多集中在分析水文要素年内分配的不均匀性上,很少涉及这种不均匀性是否随环境变化而发生变异,且有些不均匀性指标表达不直观、可比性不强,为此本文提出了基于基尼系数的水文年内分配均匀度变异分析方法。该法首先借用基尼系数构建水文要素年内分配均匀度模型,然后采用水文变异诊断系统分析年内分配均匀度序列的变异规律,最后利用均值差异法对其变异的物理成因进行分析。以东江流域龙川站多年逐月径流量序列为例,计算结果显示：龙川站径流年内分配均匀度GI在1973年发生了跳跃强变异,变异前后GI的均值相对增加了21.07%;这种变异约60%是由于人类活动特别是枫树坝水库的修建运行造成的下垫面变化引起的,而气候变化只占到约40%。     

径流对气候变化的响应研究-以黄河上游河源区为例

为了研究气候变化对径流的影响,选择黄河上游河源区为典型流域,构建多变量Copula联合分布模型,分析流域内主要气象要素与径流的相互响应关系。通过对多元相依结构分析,得到主要气候变化要素与径流变化的定量关系。结果表明,黄河上游吉迈水文站以上流域,径流受气候变化影响明显。长期以来主要气象要素,气温、降水、潜在蒸发能力(Penman-Monteith公式计算)与径流量的相依度指数分别为0.03、0.46、0.13,且在不同时期影响径流变化的主导因素各异。黄河上游径流受降水、冰雪、冻土融水和地下水共同补给,径流自演化过程复杂。     

降雨-径流关系非一致性演化的驱动因素诊断——以渭河流域为例

降雨-径流关系是流域产水能力的关键表征。受气候变化、下垫面改变和人类活动的耦合影响，降雨与径流之间的相关性呈现出一定的非一致性变化，不同因素的影响仍有待量化。耦合去趋势互相关分析与去趋势偏互相关分析方法，提出了一种降雨-径流非一致性关系驱动要素识别与影响估算方法，量化了气象条件、下垫面条件和人类活动的贡献。结果表明：构建的量化方法对非一致性序列具有良好的适用性；人类活动对渭河流域降雨-径流关系的影响最大，平均贡献率为58.86%，气象条件次之，下垫面条件影响最小；人类活动对渭河流域降雨-径流关系的影响在时域上总体处于持续增长态势，空间上呈现渭河干流上中游>泾河流域>北洛河流域。     

黄河干流年径流量非一致性频率计算

采用具有时变统计参数的GAMLSS（generalized additive model for location, scale and shape）模型,研究黄河干流年径流系列的非一致性水文频率计算方法。首先介绍了模型结构、参数估计及拟合效果的评价方法,然后在分析6个水文站1956—2017年年径流量变化趋势的基础上,构建非一致性水文频率计算备选模型集,选取AIC值最小的概率分布类型和参数作为最优模型,通过残差序列的统计特征和设计径流量的分位数图检验模型拟合效果。结果表明本文所构建的各优选模型与径流序列的拟合效果较好,各站年天然径流系列对应的设计径流量有随时间减少的趋势。在水资源评价和调配中,应充分考虑径流的非一致性特点,开展变化环境下水资源的预报预测及不确定性评估工作。     

东江流域枯水径流变异根本原因分析

随着社会经济的发展,人口的增加,水资源的供求矛盾日益突出,枯水问题越来越受到广泛的关注。本文以东江流域为例,采用根本原因分析法(RCA法)归纳和探究了枯水径流变异的原因,并以因果树的方式直观地展现了其因果关系。首先对东江流域干流站点和支流站点枯水期径流序列变异分析后,发现干流4个站点径流发生了变异,且有明显联系;其次结合流域枯水期径流、降雨、蒸发、水库蓄水量数据分析,构建出东江流域枯水期径流变异因果树;最后综合分析得出结论:气候对东江流域枯水径流序列变异影响不大;影响主要来自于人类活动,导致序列变异的主要原因是新丰江水库和枫树坝水库的径流调节。     

气候变化和人类活动对北洛河径流的影响

气候变化和人类活动影响下径流变化的归因研究对于应对径流变化具有重要价值。以渭河的北洛河流域为研究对象,应用Budyko假设和TOPMODEL模型分析了气候变化和人类活动对径流的贡献率,在较可能的气候变化范围内设定气温和降水变化的25种情景,分析了各情景对径流的影响。结果表明,历史降水、径流呈减少趋势,气温呈增加趋势,气温的升高和降水量的减少同时影响径流量的变化。两种模型模拟的人类活动对径流的贡献率分别为58.9%和65.2%,人类活动是近50年来径流量显著下降的主要原因。不同气候变化情景下的月径流变化有明显差异,降水变化对径流的影响大于气温,表明流域未来降水变化是影响水资源变化的主要因素。     

沮河流域径流变化特征及归因分析

径流变化的特征及归因分析对区域水资源规划和合理开发利用具有重要意义。本文以沮河流域为研究区域,利用线性回归法、五年滑动平均法及重标极差（R/S）分析法阐述水文要素的变化规律,通过Mann-Kendall突变检验和有序聚类法确定沮河黄陵站径流序列突变年份,利用基于Budyko假设的互补关系法及累积量斜率变化率比较法（SCRAQ法）对径流变化进行归因分析。结果表明,1967—2019年期间沮河流域年降水量呈上升趋势,年潜在蒸发量和年径流深呈下降趋势,且径流序列在1985年发生突变;两种方法计算得到的气候变化对径流减小贡献率分别为24.04%和11.71%,人类活动的贡献率分别为75.96%和88.29%,水利水保措施及煤矿开采等剧烈的人类活动是沮河流域径流减小的主要驱动因子。     

解集模型在多站资料生成中的应用初探

本文采用空间解集的方法来研究一个 Y 形流域模型的多站水文时间序列模拟。以下游站水文时间序列作为高聚集水平序列,采用一阶自回归模型模拟其年径流序列;用空间解集模型将该模拟序列解集成上游各站的年径流序列。用典型解集方法将下游站年径流序列解集成月径流序列,并作为高聚集水平序列,进一步用空间解集模型将其解集成上游各站的月径流序列。最后对研究结果作出综合性评述。     

西江流域降水气温关系变异诊断及驱动力分析

气候变化的加剧和气象灾害频发,使得西江流域的降水-气温相依结构是否发生变化及其背后的驱动力尚不明晰。本文基于Copula函数的极大似然比（CLR）方法,对两者的相依结构进行变异诊断,并考虑当地气象因子和遥相关因子,探究变化背后的驱动力。结果表明,西江上游流域降水-气温相依结构在2002年2月发生了变异,郁江流域在1985年4月发生了变异。风速、相对湿度在全时间序列中和其相依结构有着较显著的正、负相关关系,并且北极涛动是主要驱动力,它影响着东亚季风,然后对当地风速产生影响,进而影响降水-气温关系,使其相依结构发生了显著变异。     

非一致性最低通航水位设计的保证率频率法

变化环境导致水位序列的高阶矩呈现显著的时变性，仅考虑均值变异得到的最低通航水位设计值已无法反映真实水位情况。针对该问题，本文基于分解合成思想和二阶矩变异分析方法，提出方差变异条件下非一致性最低通航水位设计的保证率频率法，并以高道水文站为研究对象对该方法进行验证。结果表明，考虑方差变异的情况下，高道站95%和98%年保证率水位序列在现状环境条件下的水位设计值较过去分别偏大2.15 m和1.60 m（当设计频率取80%时）。此外，考虑方差变异、仅考虑均值变异、未考虑任何变异三种情况得到的水位设计值存在明显差异，证明了在进行非一致性最低通航水位设计时考虑均值变异和方差变异的必要性。     

水文变异条件下文峪河生态径流过程的推估方法

受气候变化与人类活动的影响,水文序列的一致性发生变异,原有生态径流过程的水文学推求方法等受到严重挑战。针对水文变异条件下生态径流过程推求所遇到的一致性缺失和流量0值处理问题,提出变异点识别与水文频率法、生态水深流速法相结合的处理思路,解决水文序列不一致和流量0值过多情况下的生态流量过程推估问题。研究以提取变异点位置为基础,依据干扰强度划定不同水文变异阶段,并应用水文频率法与生态水深流速法相结合分阶段对文峪河水库坝址处生态径流过程进行计算,再以天然序列推估的生态流量过程为衡量依据,对天然径流序列、人类弱扰动序列以及强扰动序列的生态保证率进行统计,揭示河流生态水文的演变规律与过程。     

灞河流域气候变化及其对径流的影响研究

根据1961—2010年的灞河流域内的逐月水文气象数据,采用Mann-Kendall法对水文气象要素进行变化趋势分析,采用双累积曲线和复回归模型进行径流量的气候变化响应研究。结果表明:流域内年径流量显著减少,年平均气温和年降水量均无显著的变化趋势,仅仅表现为气温略升高、降水稍减少;气温变化和降水变化对径流量的影响各自存在3个突变点,突变点前后径流量增加或减少的变化明显,由回归分析可知,气温升高、降水减少是径流量减少的主要原因。     

基于非一致融雪洪水的水库漫坝模糊风险分析

采用Pettitt非参数检验法和Mann-Kendall非参数趋势检验法分析肯斯瓦特水库入库年最大洪峰流量序列的非一致性,利用“分解-合成”理论对其进行了一致性修正,并通过基于直角梯形模糊数的风险分析法给出过去、现状两种条件下的水库漫坝模糊风险率。研究结果表明,年最大洪峰流量序列的变异点发生在1993年,序列整体上升变化趋势不显著,跳跃变异为其主要变异形式;在现状条件下不同截集水平 所对应的水库漫坝风险率区间上限估计值均较过去条件下的估计值要大,表明现状条件下融雪洪水受流域气温显著上升的影响,增大了水库漫坝失事的风险。结果可为有效利用汛期洪水资源、提高水库防洪效益、保障下游防护区的安全提供科学依据。 关键词：融雪洪水;非一致性;年最大洪峰流量;模糊风险率     

流域下垫面变化对水库防洪风险率的影响北大核心CSCD

近年来海河流域内的人类活动加剧,流域下垫面条件发生了明显的变化,严重影响了流域入渗、径流关系等水文过程的特征,进而影响到了流域内水库的防洪风险率。为了研究下垫面变化对水库防洪风险率的影响,以王快水库为例,用降雨径流相关法和峰量相关法,对水库主汛期的洪峰洪量序列进行了"还现"修订,再对修订前后的主汛期洪水序列进行了频率分析计算,并在给定的调度规则下对不同汛限水位方案进行了调洪模拟,得到洪水序列修订前后水库主汛期的防洪风险率。结果表明,由于下垫面的变化,导致王快水库的各种防洪风险率均都有着不同程度的减小。但从水库防洪安全的角度考虑,王快水库主汛期的汛限水位提高至193 m比较合适。