变化环境下水文设计值计算方法研究综述

系统总结了国内外在变化环境下单、多变量水文设计值计算及计算成果不确定性评估三方面的研究成果,重点评述了基于水文极值系列重构、分布函数加权综合和变参数概率分布模型3类单变量水文设计值计算方法,分析了考虑边缘分布非一致性和结构参数非一致性的变参数联合分布函数模型,指出一致性条件下多变量重现期和设计值计算方法无法应用于非一致性条件下的多变量情景。提出了变化环境下水文设计值计算领域需进一步深入研究的问题,包括已建工程设计洪水复核调整、多变量情形下组合设计值计算、计算成果可靠性评估等。     

变化环境下雅砻江流域水文极值演变及不确定性分析

为了探讨环境变化前后雅砻江流域的水文极值演变特征及不确定性,以雅砻江流域雅江水文站和洼里水文站为代表站,基于年极大值和超门限阈值样本,结合序列变异理论、多种极值统计模型(GEV、GPD、P-III)和轮廓似然函数参数估计及不确定性分析方法,分析了变化环境下雅砻江水文极值序列演变特征。结果表明:受气候变化和人类活动的影响,雅江水文站和洼里水文站环境变化前后的最优分布线型由P-III型分布转变为GEV分布。环境变化后的水文极值序列相应设计流量增大,重现期变小。设计值估算中,重现期越长,相应设计流量的不确定性也越大,其中参数的不确定性对于设计值的影响最为显著,但极值选样及分布函数的不确定性也不容忽视。轮廓似然函数法的使用可有效降低设计值不确定性,基于极值理论与轮廓似然函数估计法进行变化环境下水文极值演变分析可提高设计值的可靠性。研究成果可为雅砻江流域水库设计管理及防洪规划等提供参考。     

变化环境下海河流域水文循环及时空演化规律分析

受人类活动和自然因素共同作用的结果,对海河流域水文循环过程产生影响。通过对降水量过程、径流量过程和入海水量等进行分析,降水量呈递减趋势,导致径流量和入海水量也呈递减趋势。递减原因除降水量减少因素外,人类活动对水循环及水资源影响也是一个重要原因。通过对环境变化下海河流域水文循环时空分布影响分析,为今后制定水资源开发利用规划提供参考依据,使水资源得到充分利用。     

变化环境下气象水文预报研究进展

随着全球气候变化、下垫面改变及高强度人类活动的不断加剧,流域降水、蒸发、径流等气象水文要素都受到直接性的影响,水文序列的一致性假设不复存在。在变化环境下,传统径流预报方法适用性逐步变差,从而对气象水文的精准预报带来挑战。本文分别从气象水文预报的各个环节——多源降水数据融合、数值天气预报、流域水文模型、参数率定、数据同化、集合预报等方面综述了变化环境下的气象水文预报的研究进展。可以看到,国内外学者围绕上述技术都开展了大量研究,并取得了大量成果。未来针对变化环境下气象水文预报研究,将主要围绕以下方向开展:(1)落地和预报降水精度及时空分辨率的进一步提高;(2)水文模型结构的改进及不确定性分析;(3)水文预报误差的描述方法及其可靠性。     

变化环境下流域气象水文要素的相关性演化

为了探究流域气象水文要素间相关性结构及其演化, 采用交叉小波分析、去趋势波动分析( DFA) 、去趋势互相关分析( DCCA) 和去趋势偏互相关分析( DPXA) 对渭河流域 1960- 2015 年的气象水文数据( 年降水量、年蒸发皿蒸发量、年径流深等) 进行了时频域相关性分析和长程相关性分析, 探讨气象水文要素间的相关性结构变化和长程相关性特征。交叉小波分析表明, 研究期内蒸发、降水、径流任意两因子间相关性在不同时频域存在差异, 相关结构上 存在 1~ 2 和 8 a 的相似主导周期, 宏观上降水2径流间多尺度相关结构发生退化, 共振周期减少。长程相关分析表明, 径流、蒸发和降水序列的 Hurst 指数均大于 0.5, 表现出良好的长持续性特征, 当前降水( 径流、蒸发) 会对未来 某一时刻的降水( 径流、蒸发) 产生影响; DCCA 结果表明, 降水-径流间表现出长程相关性, 而降水-蒸发和径流-蒸发 呈长程反相关性, 呈现出不同的长程互相关结构; DPXA 结果表明, 扣除第三因子影响后, 降水-蒸发和径流-蒸发长程相关性发生突变, 从而降水-径流、降水-蒸发和径流2蒸发两两间均呈长程互相关性, 暗示降水、径流和蒸发三者间 长程相关性的互馈特征, 相比于 DCCA 结果, DPXA 的结果显然更具有说服力。透过滑窗分析可发现降水-径流、降水-蒸发之间的长程互相关性在时域上没有发生突变, 未来降水量的可能增加将引起径流量增大, 并间接引起渭河流域受水量制约的蒸发量增大; 径流-蒸发间长程互相关性于 1962 年由长程反相关突变为长程相关, 随后长程相关性持续增强, 标志着渭河流域未来蒸发的变化可能会引发更大的径流波动。     

流域水文模型不确定性研究进展

流域水文模型不确定性显著影响模拟结果的精度,科学分析流域水文模型的不确定性是实际应用过程中的重要环节,对流域水污染科学管理具有重要意义。针对不确定性的分类,着重对近年来流域水文模型在输入数据、参数以及结构方面的不确定性研究进行总结,概述每种不确定性的来源及影响,并从降低流域水文模型不确定性的角度展望未来的研究重点和方向：(1)空间输入数据具有尺度效应,应权衡好模型尺度与计算量、精度的矛盾;(2)优化多源数据融合算法,提高降水数据的完整性和准确度;(3)探究参数动态变化和空间异质性对参数组合的影响;(4)推动并行和集群等高算力手段在多模型耦合模拟中的应用。     

变化环境下基于回归分析的非一致性水文频率计算方法

基于非一致性水文频率计算原理的频率计算方法,存在确定性成分参数选取主观性强,无法反映多影响要素的问题。提出了变化环境下基于回归分析的非一致性水文频率计算方法,将该方法应用在鄱阳湖水位非一致性频率计算中。结果表明：鄱阳湖年均水位序列呈现出下降的趋势,枯水期出现的频率有所提升,重现期缩短,导致鄱阳湖干旱情况频发。分析结果与鄱阳湖实际的水位状况较为一致,该方法具有较好的可行性和可靠性。     

水文模型参数不确定性分析方法探讨

应用基于马尔科夫链蒙托卡罗(Markov Chain Monte Carlo)理论的MH (the Metropolis Hastings algorithm)算法,以尼泊尔Bagmati流域为案例,对水箱模型参数进行优选和不确定性评估.结果表明,该方法能有效探寻模型参数的概率分布和统计特性,尤其对于参数统计特性未知的复杂模型来说,其仍是洞察模型参数概率分布的较优选择.     

非一致性条件下水文设计值估计方法探讨

非一致性水文频率分析中,为了刻画未来环境变化对水文极值分布函数的影响,常假定分布函数中的分布参数随时间或其它因子变化,这就导致了某一量级洪水在未来发生的可能性每年均不同,是随时间变化的,使得现行水文频率分析框架中熟于理解的重现期/设计值概念难于应用。为此,提出"等可靠度"概念,即假定在工程的设计使用寿命期内,非一致条件下的频率分析结果与平稳条件下的成果应具有相同的水文设计可靠度,由此可以继续采用现行水文频率分析框架中的重现期与可靠度的概念探讨非一致条件下频率分析中设计值的估计问题,并建立了一致/非一致性条件下计算方法的联系,保证了非一致性条件下水文设计成果与现行工程采用的成果之间的衔接与协调。     

变化环境下水文资料序列一致性探析

受气候变化和人类活动的共同影响,实测的水文系列资料会在一定程度上发生相应的变化,由于水文资料的非一致性会相应影响到水文水文模拟的可靠性和精度,为此,文章以辽宁为例,结合改进的有序聚类方法在变化环境下水文资料非一致性进行分析,结果表明:该地区年最大降水水量非一致变化较为明显,与气候变化指标关系密切,年最大径流量非一致变化显著性不高。该成果对研究辽宁地区水资源保护规划具有重要的参考价值。     

水文模型模拟水文极值的不确定性分析

以黄河源区为研究区,运用GLUE法分析了HBV模型和新安江模型模拟水文极值的不确定性。目标似然函数阈值分别选用0.7、0.6、0.5,将得到的洪水和枯水水文极值以及选出的模拟结果按丰水年、平水年和枯水年过程分别进行分析。结果表明:两个模型均擅长于模拟洪水,而且对洪水模拟的不确定性较对枯水模拟的不确定性低;从两个水文模型模拟日过程估计区间的差别看,HBV模型估计区间与实测相比,洪水年总体偏低,枯水年总体偏高,平水年不存在明显趋势,新安江模型则不存在这个特点;在相同的参数采样方法和策略下,HBV模型的不确定性比新安江模型更显著;两个水文模型对枯水指标Q_(90)和Q_(75)模拟的不确定性都较大;新安江模型对洪水指标Q_(25)和Q_(10)的估计区间小于HBV模型的,不确定性水平较低。     

气候变化下水文模拟不确定性若干问题讨论

在阐释水文不确定性定义的基础上,根据气候变化下水文模拟不确定性的分类,总结了气候变化情景、水文模型和评估过程方面不确定性研究的基本范式,概述了每种不确定性的来源及影响,综述了气候变化下水文模拟不确定性研究进展。指出了未来水文系统模拟不确定性研究的重点和方向：结合复杂网络,增强对极端气候事件预估的可靠性;科学处理数据时间窗问题和冗余性,为无资料地区径流预测提供支撑;揭示变化环境下非平稳异方差性水文序列的发生规律。     

流域变化环境下水文非平稳异方差序列随机建模研究进展

气候变化和高强度人类活动的显著影响使流域水文序列出现异方差性,破坏了Box-Jekins法ARMA模型建立的前提条件。基于国内外相关研究进展和存在的主要科学问题,提出了目前几个主要研究内容和研究途径。金融学、经济学和信号处理等领域的观测序列与流域变化环境下水文非平稳序列异方差性波动特性相似,而且这些领域中已取得了许多成功的案例。应用金融学、经济学和信号处理等领域的异方差性原理和方法,结合流域水文特性,开展变化环境下水文非平稳异方差序列随机建模是可行的,与分布式水文模型相比,该方法是一种实用的建模途径。文中提出的一些思路可为变化环境下精确描述流域水文要素值的变化规律、涉水工程的规划设计与科学管理以及干旱风险调控提供依据。     

康山围垦后水文,气象要素变化的分析

本文通过对康山围垦前后水文、气象要素进行定性定量分析,揭示了康山围垦对生态环境的影响程度。     

水文模型不确定性研究方法耦合分析

为了探索解决在提高区间覆盖率的同时降低预测区间平均带宽的问题,将dual EnKF方法与GLUE方法2种水文模型不确定性研究方法进行了耦合分析,得到了dual E-G方法。以新安江模型为例,采用3个评价指标(覆盖率、平均带宽和平均不对称性)评价了dual E-G方法在3个流域(甲河流域、天河流域、灞河流域)的预测区间性质,并与GLUE方法进行了对比。结果表明：dual E-G方法可以同时改善3种不确定性指标。该成果可为水文模型预报、洪水决策风险分析等方面的深入研究提供有益参考。     

小河流域森林的环境水文效应研究

本文选用多水源（地表、壤中、地下）流域水文模型（SAC），对小河流域代表森林覆盖情况好、中、差的三个典型年组（1965年组、1988年组、1974年组）进行水量模拟，定量分析了森林覆盖率的变化对水文特征值的影响，计算了各年组典型年经过小河水文站入库的泥沙量及营养盐负荷量，从而说明了植树造林等工程措施在水土保持、流域面源污染控制中所起的作用。     

论变化环境下的地表水资源评价方法

由于受气候变化和人类频繁活动的影响,用于水资源评价计算的天然年径流序列失去了一致性。针对非一致序列的“还原”和“还现”计算方法不能反映不同时期环境变化的问题,从水文变异诊断系统、考虑土地利用和覆被变化的流域水文模型、适应变化环境的非一致性序列水文频率计算方法3方面论述了变化环境下的地表水资源评价方法,指出水文变异诊断系统可以识别非一致性年径流序列发生变异的形式和时间。采用考虑土地利用/覆被变化的流域水文模型或适应变化环境的水文频率计算方法,可以从成因途径或统计途径得到反映过去、现在和未来变化环境下地表水资源量的评价成果。     

流域年径流量变化的分析估算

随着经济建设不断快速发展，人类活动的影响不断加剧，各个流域的年径流量均呈现减少的趋势。针对这种情况，本文分析了人类活动后流域年径流量减少变化的原因，并对各种原因造成的减少量进行了估算，达到了定性定量，可供参考。     

GLUE框架下似然函数对水文模型不确定性的影响

似然函数的选取对模型参数不确定性结果存在较大影响。本文以淮河上游大坡岭水文站控制流域为例,采用GLUE不确定性分析方法、SCE-UA优化算法与流域水循环系统模型(HEQM)耦合,探索Nash-Sutcliffe系数与水量平衡系数这两个似然函数对模型参数敏感性、取值分布特征以及不确定性的影响。结果表明:从敏感性分析结果来看,Nash-Sutcliffe系数作为似然函数时,所选择的9个参数均为敏感性参数,而水量平衡系数作似然函数时,仅有1个敏感性参数,Nash-Sutcliffe系数更适合作似然函数;从不确定性区间评价结果来看,水量平衡系数作为似然函数时,模拟结果的覆盖率和对称性均优于Nash-Sutcliffe系数。以上研究可为GLUE方法似然函数的选取提供参考,也为多目标GLUE方法中权重的分配提供理论依据。     

变化环境下渭河流域生态水文情势演变归因研究

采用生态最相关水文指标(ERHIs)评估渭河流域生态水文情势改变程度,通过主成分分析法筛选出7个指标作为渭河流域的ERHIs,并基于可变下渗容量模型的“观测-模拟”对比分析法对渭河流域生态水文情势演变进行定量归因。结果表明:咸阳水文站和华县水文站径流序列呈显著下降趋势,1990年是径流序列的突变点;咸阳站和华县站实测ERHIs综合改变度为41%和34%,模型模拟的两站ERHIs综合改变度均为18%;气候变化和人类活动导致渭河流域水文情势发生改变,两者对咸阳站ERHIs综合改变度的贡献率分别为44%和56%,对华县站的贡献率分别为53%和47%。