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。     

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.     

广东省主要河流最低通航水位变异分析

近些年剧烈的气候变化和高强度的人类活动,使得基于一致性的传统最低通航水位设计方法不再满足航运设计需求。本文选取广东省东江、西江、北江、韩江四个主要河流为研究对象,采用水文变异诊断系统对其年平均水位序列进行诊断分析,发现四大河流的控制出口站年平均水位序列均发生了中变异或强变异。针对变化环境下的水位资料,用综合历时曲线法对变异前后和整体的日水位序列进行分段计算,比较各站整体与变异后段序列设计水位值,结果显示潮安站偏大超过30%,其他站偏小超过30%;对保证率频率法中的年通航特征水位序列进行变异诊断,发现其也发生了不同形式和不同程度的变异,从而揭示了这两种传统计算方法在"非一致性"水位序列下存在的问题。     

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。     

基于非一致性水文序列的水库极限防洪风险复核分析北大核心CSCD

随着气候变化、人类活动影响的加剧,水文序列一致性条件遭到破坏。本文选择下垫面变化剧烈的西大洋水库控制流域为研究区域,采用水文变异诊断系统,分析其年最大洪峰流量序列的变化趋势及变异点,确定序列变异形式;根据非一致性水文序列频率分析方法,分别得到过去条件下、现在条件下的洪峰流量序列以及相应频率的设计值;以西大洋水库校核洪水位为极限防洪风险控制指标,采用频率分析法,分别计算出过去条件下极限防洪风险率为0.00769%,现在条件下极限风险率为0.00508%。显然,无论是过去还是现在条件下,复核后的西大洋水库的极限防洪风险率均小于现有的万年一遇校核标准(0.01%),计算结果可以为西大洋水库实行动态汛限水位控制,充分利用汛期洪水资源,提高水库的综合效益等方面提供理论指导。     

基于非一致性水文序列的水库极限防洪风险复核分析

随着气候变化、人类活动影响的加剧,水文序列一致性条件遭到破坏。本文选择下垫面变化剧烈的西大洋水库控制流域为研究区域,采用水文变异诊断系统,分析其年最大洪峰流量序列的变化趋势及变异点,确定序列变异形式;根据非一致性水文序列频率分析方法,分别得到过去条件下、现在条件下的洪峰流量序列以及相应频率的设计值;以西大洋水库校核洪水位为极限防洪风险控制指标,采用频率分析法,分别计算出过去条件下极限防洪风险率为0.00769%,现在条件下极限风险率为0.00508%。显然,无论是过去还是现在条件下,复核后的西大洋水库的极限防洪风险率均小于现有的万年一遇校核标准(0.01%),计算结果可以为西大洋水库实行动态汛限水位控制,充分利用汛期洪水资源,提高水库的综合效益等方面提供理论指导。     

基于小波分析的非一致性洪水频率计算方法——以西江梧州站为例

西江流域由于大量兴建堤防工程导致洪水归槽,改变了原天然河道的洪水槽蓄关系,使得用于防洪规划和洪水灾害风险评估的洪水序列失去了一致性。目前洪水归槽问题研究主要集中在出槽洪水的归槽还原计算方面,对于干支流洪水与区间洪水的遭遇考虑不足,对洪水发生变异的成因及非一致性洪水的频率计算方法也缺乏系统性的研究。本文提出基于小波分析的非一致性洪水频率计算方法,并在西江梧州站作了实例验证。该方法首先利用小波分析将非一致性洪水序列分解成确定性趋势成分和随机性成分;再采用非线性函数(如幂函数、对数函数、指数函数、多项式函数等)对趋势成分进行拟合,得到非一致性洪水序列在时间域上的确定性规律;采用P-Ⅲ型频率曲线对随机性成分进行频率分布拟合,得到洪水序列在频率域上的随机性规律;采用分布合成法对确定性的预测值和随机性的设计值进行合成计算,再采用传统的一致性频率计算方法推求合成序列的频率分布,据此可以得到过去、现状、未来不同时期的洪水频率分布规律,从而可以推求变化环境下河道断面的洪水频率分布,为防洪规划和洪水灾害风险评估提供设计依据。     

基于可变核的月径流改进非参数解集模型研究

径流序列模拟可为水资源系统规划和管理提供可靠依据.现行非参数解集模型模拟存在难以保持首尾自相关结构一致性,可能会产生大量负径流值的边界问题等不足.本文应用核密度估计理论,综合考虑年径流量和前期一阶月径流量与模拟月径流量的关系,采用可变核带宽方法减小边界影响,构建了月径流改进非参数解集模型,并将该模型与传统相关解集模型进...     

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%。     

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。     

应用极点对称模态分解分析径流时空演化规律

研究径流演化规律对水文预报和水资源合理配置具有重要意义。鉴于径流序列具有多时间尺度与非线性趋势混叠的特征,利用自适应、无基的极点对称模态分解(ESMD)将长江上游干支流8站的年、月、日径流序列分解为各模态分量和趋势余项,甄别大尺度循环和非线性趋势;利用周期图、趋势余项、时频分析,同时掌握径流周期、趋势、突变规律,并与现有方法对比分析。结果表明:时间上,主要存在2年、6年、10～11年的年际与6个月、1年、2年、4年、22～23年的年内周期规律。空间上,除朱沱站年内、年际径流呈增加趋势,其余站径流均呈减少趋势;8站的突变规律也不完全相同。ESMD能同时从周期、趋势、突变来挖掘径流水文特性,为径流时空演化规律分析开辟新思路。     

基于HHT的径流变化特征分析及验证

Hilbert-Huang变换方法(Hilbert-Huang Transform,简称HHT)是针对非线性、非平稳序列的一种新的时间序列分析方法。本文以大理河流域青阳岔水文站近40年来逐年径流实测序列为例,首先采用HHT方法得到反应周期的本质模态函数(Intrinsic Mode Function,简称IMF)分量、反应变化趋势的趋势项Res及表征波动能量的HHT谱,计算表明青阳岔水文站年径流量呈明显下降趋势,下降速率约为436980m3/a,同时其存在约29a、15a、6a及3a的变化周期。继而分别采用Mann-Kendall(简称MK)检验法及Mexhat小波变换方法分别对该序列径流特征进行分析并与HHT方法计算结果进行对比,结果表明HHT得到的结果与MK检验及小波变换得到的结果基本一致,但比小波变换具有更高的周期分辨率。MK检验法则发现该径流序列存在的突变点。这不仅验证了HHT对水文时序分析的适用性,而且可充分挖掘径流序列所蕴含的水文信息,这表明采用多种方法进行分析能够从多角度探索序列径流变化特征,有助于全面认识水文过程的变化特性。     

基于经验模态分解的非平稳水文序列预测研究

在全球气候变化和人类活动影响下,降雨和径流过程的非平稳特征日趋显化,如何通过有效的方法提高预测精度,准确地预测非平稳时间序列变化,为管理者提供决策支持至关重要。经验模态分解(EMD)是"分解—预测—重构"预测模式中的重要方法之一,通过其与径向基神经网络(RBF)的耦合,构建了改进RBF预测方法,研究了"分解—预测—重构"预测模式对渭河流域降雨(弱趋势)和径流(强趋势)两种非平稳时间序列的预测效果,总结了"分解—预测—重构"模式的适应范围。同时,针对重构过程中高频分量误差偏大的问题,提出了误差控制的改进措施。计算结果显示,RBF神经网络对具有弱趋势的非平稳时间序列(降雨)可获得比较满意的预测效果,平均相对误差为11%,是否分解预测对其预测精度影响不大;而对具有强趋势的非平稳时间序列(径流),RBF神经网络模型的预测效果并不理想,平均相对误差达到54%,而经过分解—预测—重构处理后,平均相对误差可降至30%,基本满足中长期水文预测精度要求。且若实施误差控制,平均相对误差可再减小2%。研究表明,"分解—预测—重构"的处理方法适用于具有强趋势变化的非平稳时间序列,其特点在于可有效分离时间序列中的周期和趋势变化成分,预测中使不同成分得到有效外延。同时,这种处理思路与径流序列基于物理驱动机制的普遍认识较为相符,更有利于开展有关水文过程的扩展性分析。误差控制方法在径流预测中能有效降低高频分量预测误差对整体预测效果的影响,可为其他类似的非平稳时间序列预测提供借鉴。     

黄河中游区间干支流径流变化特征与归因分析

为探究黄河中游径流时空变化特征及其驱动因素,本文采用Spearman秩相关系数、水文情势突变指标及双累积曲线法对中游头道拐-花园口区间干流4个水文站及11条典型支流1957—2018年实测降雨、径流数据进行统计分析。结果表明:黄河中游干流站年径流量呈显著减少趋势(显著性水平0.001),各站年径流发生两次突变,且都出现在1969年与1987年前后;区间11条支流多年径流深自1970s后显著减少,头道拐–龙门区间径流占整个中游区间径流的比例由2000年前的31%减至之后的23.5%,龙门断面以下区间占比则明显上升;人类活动对头道拐–龙门与龙门–潼关区间多年平均径流变化贡献率分别为62.68%和79.85%,坝库工程、引水灌溉及梯田林草等水利水保工程措施是黄河中游径流锐减的主要驱动力。     

环境变化对汉江上游径流影响的定量分析

气候和土地利用等环境变化的水文响应研究对流域水资源利用具有重要价值。以汉江石泉水文站上游为研究区,采用7种基于Budyko理论的弹性系数法和SWAT模型定量分析了气候变化和人类活动对径流变化的贡献率,设置多种气候变化和土地利用变化情景,分析其对径流的影响。结果表明,石泉水文站年径流呈减少趋势,气候变化对径流减少的贡献率为65.3% ~ 68.1%,人类活动的贡献率为31.9% ~ 34.7%,气候变化是近56年径流减少的主要原因。气候变化情景的模拟显示径流变化主要由降水变化主导。土地利用自然增长情景和极端草地情景使石泉水文站年径流量增加,而退耕还林、极端耕地和极端林地情景使年径流量减少。     

基于小波分解的投影寻踪自回归组合模型及其在年径流预测中的应用

为了进一步提高中长期径流预测精度,针对历史径流序列的非线性、随机性的特点,采用对原序列先处理再预测的研究思路,吸取小波分析的分频数据处理功能和投影寻踪自回归的高维数据逼近能力,构建基于小波分解的投影寻踪自回归模型。该模型首先利用小波分解方法将年径流序列分解为一个近似信号和多个细节信号,再对不同信号序列分别建立投影寻踪自回归模型进行预测,最后重构各序列预测结果。以长江宜昌站年径流为实例进行预测,同时探讨小波分解尺度数对组合模型预测结果的影响。结果表明:与投影寻踪自回归模型、BP神经网络模型和ARMA模型相比,新模型提高了预测精度,增强了预测稳定性,并且尺度数对组合模型的预测结果影响不大。     

基于V/S分析的河川径流长记忆性研究

针对河川径流的复杂波动性,将V/S分析引入到河川径流中进行长记忆性研究。通过V/S分析计算黄河上游兰州站和贵德站年径流序列的Hurst指数,与R/S分析进行比较,并进行稳定性与短期相关性检验,结果表明：兰州站、贵德站年径流序列V/S分析的Hurst指数均大于0.5,表明两站均具有较强的长记忆性,相对于R/S分析不易受短期相关性的影响,是一种稳健有效的分形方法,为河川径流长记忆性分析提供一种新的思路和方法。