基于Copula函数的组合变量联合概率分布研究及应用

基于Copula函数原理,利用武江流域实测水文资料,以广义GDP为洪峰洪量边缘分布,构建了流域组合变量Copula概率分布模型,分析了洪峰与洪量、洪量与洪水历时、洪峰与洪水历时的联合概率分布,绘制各种变量组合下的联合分布图及重现期等值线图,并比较了同重现期条件下,洪水单变量设计值与多维联合设计值的区别。结果表明:广义GDP分布能很好的描述洪峰、洪量边缘分布,而基于广义GDP分布和指数分布构建的两变量Copula联合概率分布模型不限定变量的边缘分布,对各种类型的水文变量联合分布拟合效果较好;能全面反映洪水各特征属性不同等级下的联合发生频率,对同一频率下联合分布推求的洪水设计值比单变量设计值偏于安全。基于Copula函数的组合变量概率分布模型描述洪峰流量、洪量、洪水历时等特征的联合分布,较为全面地反映组合特征的洪水发生的概率和重现期,进一步反映洪水风险。     

应用超阈值抽样及Copula函数推求水库设计洪水

按照超阈值理论对洪水资料进行抽样,应用Copula函数分别建立了超阈值洪水洪峰、3d洪量和7d洪量与其发生时间的联合分布,得到了不同量级洪水在发生时间上的概率分布图,对水库汛期防洪调度运用具有一定的指导意义。同时,应用Copula函数建立了年最大超阈值洪水洪峰、3d洪量和7d洪量的联合分布,以此得到设计标准和校核标准的设计洪水,并通过同频率放大法得到了设计洪水过程线,该洪水过程线更符合水文现象的内在规律,展现了超阈值理论和Copula函数在水文洪水频率分析计算领域的良好应用前景。     

金沙江流域降水和径流时空演变的非一致性分析

基于金沙江流域1966~2010年降水和径流资料,采用单变量Mann-Kendall(MK)趋势分析法、突变检验法和多变量MK法对金沙江流域近几十年来的降水和径流变化进行了非一致性分析。结果表明:金沙江流域年降水和年径流整体呈上升趋势,特别是从20世纪90年代之后增大趋势较为明显。其中金沙江流域中游以上区域的年降水通过显著性检验,上升趋势较为明显,而各个水文站点的年径流均未通过显著性检验,仅存在微弱的上升趋势。中游攀枝花站集水区域的面平均年降水趋势存在突变点,在1997年之后显著增加,而其年径流则不存在突变点,其他站点面平均年降水和年径流趋势都不存在突变。此外,中游龙街站集水区域的面平均年降水和年径流通过多变量MK显著性检验,表明龙街站降水和径流联合变量呈显著增加趋势。     

基于多变量M-K检验的北江流域降水趋势分析

降水是北江流域水资源的主要来源,因此研究北江流域降水趋势有利于水资源合理规划和实现可持续利用,但目前的趋势分析主要以单变量趋势检验为主,对多变量的趋势分析研究较少。基于此,分别采用单变量和多变量M-K检验趋势分析方法,针对北江流域6个代表性气象站点1959~2009年逐日降水资料,以各站的年降水量、年降水天数和年最大降水量三个变量为主要研究对象,分析得到北江流域的降水变化整体趋势。结果表明,仁化站、韶关站、乐昌站、连州站和广宁站的变化趋势不显著,清远站的变化趋势显著。在整体趋势分析方面,多变量趋势分析方法可同时考虑降水的多重属性特点,从而可更好分析流域降水整体趋势。     

基于M-K检验方法的沈阳地区典型水文站近53年洪水要素演变分析

结合沈阳地区两个典型水文站近53年洪水要素,结合M-K检验方法对其站点洪水演变趋势进行分析,分析结果表明:东陵站洪峰呈现上升趋势外,其最大1日和最大3日洪量都呈现略递减变化趋势,大河泡站洪峰和洪量都呈现递减趋势,但趋势变化较弱;两个站点峰量关系均较好,相关系数在0.9以上,属于高度相关;东陵站洪峰突变年份在2000年,而洪量突变主要发生在80年代,大河泡站洪峰突变年费在1972年,而洪量突变主要发生2000年代,洪量和洪峰突变特征不同。     

石羊河流域出山径流特征值和变化趋势分析

根据石羊河流域8个出山口水文站55年较长系列水文资料,采用Mann-Kendall秩检验等3种方法,对流域各出山径流的长期变化趋势进行显著性检验,并给出趋势方程。流域出山径流多年变化总体呈现减少趋势。统计分析出流域各代表站出山径流特征值以及典型年的平均流量。     

浙江省主要河流水沙特征及变化趋势分析

以浙江省主要河流为研究对象,选取11个水文控制站1956~2013年的水沙序列资料,对径流、悬移质泥沙输沙量进行年内变化、年际变化、代际变化的特征分析。运用改进的M-K趋势检验及线性滑动回归分析等方法,系统分析了6大主要河流水沙变化趋势。研究表明:水沙年内、年际变化有一定的相关性,泥沙的变化幅度大于径流的变化幅度,径流变化趋势不显著,但73%的水文控制站的输沙量呈显著下降趋势。     

Copula函数在水文水资源中的研究进展与述评

Copula函数是一种灵活构造多变量联合分布和处理多变量问题的有效工具,在水文水资源领域应用广泛;随着研究的广度和深度不断推进,显示出其良好的适用性和不可替代的优越性。重点综述了近10年来Copula函数在水文事件多变量频率分析、水文事件遭遇组合分析、水文随机模拟、水文模型与预报以及其他问题中的最新应用研究进展与不足。从应用条件、参数估计、不对称性、拟合优选、尾部特性、多变量重现期选取、成果抽样误差等方面阐述了Copula函数应用需要注意的问题。展望了未来Copula函数在水文水资源领域应用中的研究重点和发展方向,为今后的研究提供借鉴和参考。     

3维干旱变量联合概率分布研究

研究多变量干旱特性联合分布的推求方法。选择干旱历时、干旱烈度和烈度峰值为水文干旱特性变量。单变量的边际分布参数分别采用矩法、概率权重法、极大似然法和遗传算法进行计算和优化。应用检验、Kolmogorov-Smirnov等6种检验法进行单变量分布的拟合度检验。采用Pearson’s古典相关系数,Spearman秩相关系数,Kendall’s,Chi-Plots和K-Plots进行变量间的相依性度量。选择4种常用的3维Archimedean Copula函数进行干旱特性变量联合分布拟合。根据RMSE、AIC和BIC准则选择最优copula。在此基础上,采用基于Rosenblatt变换的Bootstrap法进行3维copula的拟合度检验。模型应用于渭河流域北洛河状头站径流序列,结果表明:Gumbel-Hougaard copula拟合效果最好,可以描述洛河状头站3维干旱变量的联合分布。     

大凌河流域上游水资源变化趋势及成因研究

R/S和Mann-Kendall都是用来研究径流和降雨变化的常用方法,R/S方法可以揭示序列的水文特征和变异点,但不能说明研究对象未来的变化趋势;Mann-Kendall可以检验水文序列趋势和变化的程度,但不能预测水文时间序列未来的趋势特征。针对R/S和Mann-Kendall法在水文变化趋势分析中的优点和不足,提出了二者相结合的水文变化趋势特征分析,并将其应用于大凌河流域上游的水资源变化趋势分析中。研究表明,R/S和Mann-Kendall综合分析法较好地揭示了降水和径流的变异点,也揭示出降水变化趋势不明显,径流呈现较为显著的下降趋势。本文对径流和降水不对称的相应关系及其成因进行了分析,得出流域内大量的水利工程截留和人类活动取用水成为径流显著下降的主要驱动因素。     

天山南坡黄水沟与清水河寒区流域极端水文事件对气候变化的响应

冰川、积雪和冻土变化产生的水文效应对下游水资源供给具有重要影响,近几十年来新疆区域洪水呈显著加重趋势,尤其是南疆区域洪水明显加剧. 以天山南坡黄水沟与清水河寒区流域为研究区域,通过分析水文站极端水文事件,结合流域上游山区巴伦台气象站资料,研究了高寒山地流域在气候变化背景下极端水文过程出现时间、年最大和最小径流的响应特征. 结果表明：1986年是水文过程的突变点,从1986年开始随着降水、气温的增加,河流径流量呈增加趋势;最大年径流出现时间从6月中下旬推迟到7月下旬;最大径流和最小径流与年径流量呈正相关关系,最大径流与夏季降水关系密切,而最小年径流与冬春季的气温关系密切. 随着1986年以来的气温升高,冻土退化产生的水文效应使冬季径流增加明显,也使年最小径流明显增大;1986年以来降水变化决定着年径流量增加,使年最大径流集中出现在夏季且量级增大. 总体来讲,20世纪80年代中期以后山区河流年极端洪峰量增大,洪水量增多,年际间变化幅度明显增大,从而对下游造成更严重的灾害. 因此,加强气候变化对寒区流域水资源和洪水灾害的影响评估,使科学技术在减灾方面发挥主导作用.     

Trend detection in the water regime of the main rivers of the Province of Mendoza,Argentina

Hydrologic systems are potentially sensitive to climate change. The objective of this paper is to detect possible changes in the runoff regime of mountain rivers in the Province of Mendoza, Argentina. The methodology is based on parametric (Student’s t-test) and non-parametric (Mann-Kendall) statistical tests applied to time series of monthly, maximum and minimum flows, and of typical daily flows derived from the flow duration curve. Both tests yielded similar results for a 5% significance level. No trend was detected in monthly, annual, maximum, minimum and typical flow series on the Diamante River at La Jaula and the Grande River at La Gotera. Trends rose with late spring and summer flows in the Mendoza River at Guido. In the Atuel River, at La Angostura, flow trends increased in all months, with the exception of the December through February period. The annual flow of the Tupungato and Mendoza at Guido, the daily minimum of Vacas and Atuel at La Angostura, and the drought flow of Vacas, Tunuyán and Atuel have significantly increasing trends. Puente Sosneado on the Atuel is the only one with negative trends in the flow series corresponding to the February–April period, and to annual and typical flows exceeded 90, 180, 270 and 355 days a year. In summary, of the 210 time series analyzed, only 40 exhibit changes and most of them are associated with low-water periods.     

青海柴达木盆地巴音河上游径流量对气候变化和人类活动的响应

基于1959-2013年径流量及气象数据,运用Mann-Kendall趋势检验、R/S分析、累积量斜率变化率等方法,分析了青海柴达木盆地巴音河上游径流的年际变化、年内分配、变化趋势及其周期性,定量评估了降水变化和人类活动对径流量变化的贡献率。结果表明：巴音河上游径流量以0.2×10⁸ m³·（10a）^-1倾向率呈显著上升趋势,Hurst指数为0.78,存在20 a左右的丰平枯变化周期,21世纪流域进入丰水期;径流量变化以21～22 a的年代际变化周期最为显著,同时存在10～11 a的年际变化主周期;径流量年内分配不均匀,集中于夏秋两季,径流量呈现先增后减的单波峰分布特点,进入21世纪,年内最大月径流量呈现向后推迟的趋势,年内分配趋于集中;径流突变发生在2001年,降水对巴音河上游径流量增加的贡献率为83.06%,人类活动的贡献率为16.94%。因此,气候是影响巴音河上游河流径流变化的主要因素,人类活动的影响次之。研究结果对巴音河流域未来水资源开发利用和生态环境保护有一定的指导和借鉴意义。     

变化环境下石羊河流域年径流频率计算

受气候变化与人类活动的影响,水文序列一致性遭到破坏,传统的频率计算方法受到挑战。针对石羊河流域8条河流年径流量序列,在基于水文变异诊断系统进行变异分析的基础上,采用条件概率分布法和混合分布法进行了变化环境下的年径流频率计算。结果表明,石羊河流域年径流量序列以向下跳跃变异为主,变异年份多集中在1960年附近;变异序列的两种分布均通过K-S检验,最优分布的拟合效率系数均大于0.97;对比由考虑变异的理论分布与不考虑变异的一致性P-III型分布确定的设计年径流量,当设计频率高于90%时,大靖河与西营河的设计年径流量值相差较大。因此,石羊河流域新建水利工程的规划设计,应适当考虑水文资料的变异特性,选择合理的频率分析方法确定设计年径流量。     

渭河流域上游枯水径流特征与机理分析

选取渭河干流及上游主要支流葫芦河、牛头河、藉河的秦安、社棠、天水、武山和北道5个水文站1956-2005年50 a逐月径流资料(社棠从1959年开始共47 a资料), 利用传统概率统计法和时间序列分析法, 对渭河流域葫芦河、牛头河、藉河3条支流和渭河干流的年最小枯水流量特征、月最小流量特征、枯水发生时间进行了分析, 并从气象及人类活动两方面分析了枯水径流及极值的形成机理. 研究表明: 渭河流域上游年平均流量与多年平均最小流量的倍比较大, 且下垫面越复杂, 人类活动越频繁, 最小流量受到的影响越大; 最小月平均流量相比瞬时最小流量更为稳定; 耕地面积与枯水径流呈负相关关系, 不同时期、不同量级的枯水流量随着耕地面积的增大而减小.     

1956-2012年黄河源区流量演变的新特征及其成因

利用黄河源区唐乃亥水文站1956-2012年的逐月流量实测资料,通过趋势分析、小波分析以及不均匀系数和贡献的计算,分析了1956-2012年57 a来黄河源区流量的趋势、年内双峰型变化新特征及其主要成因.结果表明：近57 a来黄河源区流量演变包括2个上升时段（1956-1967年和2002-2012年）、1个下降时段（1989-2002年）和1个振荡调整时段（1967-1989年）.流量年内分配不均匀性最大的是1980年代,最小的是1990年代.流量年内分配主要表现为双峰型,峰值点主要出现在7月和9月,但出现月份存在年际、年代际变化,且峰值点的月份也随着丰、枯水年存在着变化.降水对流量的正贡献呈7、9月双峰型,温度的负贡献则使9月峰值消失.当夏季高原附近区域,尤其是高原北侧低层600 hPa位势高度场降低,高原夏季风偏强时,有利于黄河源区降水增加、流量增大,出现流量年内分配的峰值点,且夏季高原高度场的变化对流量年内分配第二个峰值点（秋季）的出现有一定的指示意义.     

乌力吉木仁河水文要素时间尺度变异分析

由于气候变化和人类活动的影响,水文要素的分布形式和参数可能在统计意义上产生了变异。为了揭示水文要素在时间尺度上的变异关系,将乌力吉木仁河梅林庙测站1956~2000年的逐月径流资料,按照不同的时间尺度划分为季度、汛/非汛期和年径流序列,利用水文变异诊断系统分别对其进行变异诊断,并查阅相关文献得出剧烈的人类活动是导致变异的主要原因。通过归纳不同时间尺度的变异诊断结果得出,对于按照季度尺度划分的径流序列,不同月份径流量占年径流量的比例是影响季度变异的主要因素,在变异程度方面,第一季度的变异程度最大,而第三季度的变异程度则最小;对于汛/非汛期尺度划分的径流序列,其变异则受所包含月份的综合影响,且月径流量比例系数越大,其影响程度也越大;对于年径流序列,其变异则主要受到第三季度或汛期径流的影响。     

运用频率计算河川基流量方法研究

河川基流量是水文水利分析计算、水资源评价、洪水分析、地下水径流特性分析中的重要内容。国内外河川基流量分割方法很多,不同方法的分割结果也不尽相同。通过对甘肃黄河流域洮河水系4个水文站,长江流域白龙江水系2个水文站、内陆河流域黑河水系3个水文站共计9站的1980～2000年20a的实测资料运用滤波算法对基流进行切割,根据年径流量运用PⅢ型曲线查出频率,再根据频率与基流建立模型,得到河川基流量计算的简便实用方法,提高山丘区地下水资源量评价的效率,细化水资源评价结果,便于推广使用。     

近50年来中国六大流域年际径流变化趋势研究

应用1950年以来的中国六大流域19个重点控制水文站年径流观测资料,采用MK检验方法研究了中国六大江河的年径流量变化情况。结果表明,近50年来中国六大江河的实测径流量均呈下降趋势。其中海河、黄河、辽河、松花江实测径流量下降明显,严重影响了我国社会经济的发展。     

南水北调西线一期工程坝址处径流量计算与分析

南水北调西线一期工程调水区所涉及的6条河流(泥曲、达曲、色曲、杜柯河、玛柯河、阿柯河)坝址处均无实测的径流资料,开展该地区的水文研究属于无资料水文预报问题(PUBs)。利用年径流量的变差系数Cv值、年际变化绝对比率P和不均匀系数α对坝址下游的朱倭、朱巴、足木足、绰斯甲4站的实测年径流的年际变化进行分析,计算结果为各坝址径流年际变差系数Cv为0.15~0.26,表明调水区的多年径流量变化不大;年际变化绝对比率P为1.88~3.00,其中朱倭站的径流年际变化最大,最大径流量是最小径流量的3倍,绰斯甲站的最大径流量是最小径流量的1.88倍,4站的径流变化都不剧烈;径流不均匀系数α为0.58~0.75,表明该流域径流量的年际变化较为均匀;利用水文比拟法对坝址处的径流进行了计算,并根据R/S分析法对坝址处径流序列的未来趋势进行了初步分析,各坝址处的年径流序列的赫斯特系数均大于0.5,说明各径流序列的未来趋势具有持续性,即未来趋势与历史呈正相关,6个调水坝址中只有扎洛和克柯处的径流未来是减少的,其余坝址处径流都是增加的,这样西线一期工程调水区的河流有利于水资源的可持续开发利用。