水文时间序列复杂特性的研究与定量表征

应用小波分析方法及相关理论,以海河流域黑龙洞泉域47a(1956～2002年)年降雨序列和黄河利津站54a(1950～2003年)年径流序列为例.深入研究并定量描述随序列长度变化时水文时间序列主周期值和复杂特性的变化规律和特征.分析结果显示:不同方法(熵谱分析(MESA)、连续小波变换和小波方差分析)对相同长度序列的周期识别结果一致,不同长度序列的主周期值不同;此外,不同长度序列(包括原序列和消噪序列)的信息量系数(ICF)和分维数(D)也不等.研究结果表明:(1)水文序列特性复杂多变,存在整体变化特性和十分复杂的局部特性;(2)由局部特性发生变化造成序列的复杂程度随序列长度而变化,从而引起序列主周期值及复杂度(ICF和D)随序列长度变化而变化;(3)相比于序列的整体变化特性.局部特性更加复杂多变且更难以进行描述,因此也难以进行准确地模拟预测.对于引起水文序列局部特性变化的物理机制仍需进行深入探讨.     

甘肃黄河流域与疏勒河流域降水径流变化特性对比分析

分析了甘肃黄河流域及内陆河疏勒河流域降水径流的年际变化特性。结果表明,黄河流域降水量与径流量变化一致,总体呈现减少的趋势;内陆河疏勒河流域降水量与径流量的变化趋势不一致,降水量呈总体减少趋势,径流量为总体增加趋势。两流域径流补给来源有差异,黄河流域径流补给来源为降水,疏勒河流域径流主要补给来源除降水外,与气温升高融雪水增大有关。     

挟沙水流紊动特征的小波分析研究

采用三阶Db3小波函数对挟沙水流脉动流速进行消噪,小波分析较好的时频特性能有效地消除原始信号的高频噪声。将消噪后的脉动流速用不同尺度的小波进行分解,较大尺度下的小波分解刻划信号的总体趋势和形状,体现湍流的相干结构;而较小尺度下的分解则反映信号变化较快的高频部分,反映湍流的小尺度旋涡的各向同性的无序紊动特性。     

基于样本熵理论的自适应小波消噪分析方法

小波消噪方法的核心问题是阈值的选择及确定.依据样本熵的特性,将样本熵与小波分析方法耦合起来,提出了一种自适应确定阈值的小波消噪分析方法.该方法计算了不同阈值对应噪声序列的样本熵值,得到阈值与样本熵值之间的关系曲线,当样本熵值达到最大时,此时阈值为所求阈值.通过算例加以验证分析,结果表明,自适应小波消噪分析方法能较好地实现水文序列的信噪分离,其消噪结果符合序列本身的特性及评价指标的要求,这为合理确定阈值提供了一种新的途径和方法.     

淮河干流径流量长期变化趋势及周期分析

基于淮河干流鲁台子站1951～2008年径流量资料,采用最小二乘法、PIII曲线法和小波分析方法系统分析鲁台子站径流量的变化特征。结果表明:汛期径流量占全年径流总量的64%,年际变化最大相差4.7倍;从线性趋势来看,年径流量减少速率为0.68×108m3/a,其中汛期径流量减少速率为0.24×108m3/a,非汛期径流量减少速率为0.44×108m3/a,汛期径流量丰枯变化跟全年径流量相似程度高,非汛期径流量的年际波动较平稳;三种小波母函数对年径流序列周期分析结果略有差异,Mexcian hat小波检测结果偏宏观,Morlet小波和cmor2-1小波检测兼顾微观周期,cmor2-1小波更加准确全面反映径流周期变化,综合分析得出鲁台子年径流序列2年左右的主周期和8年左右的次周期。     

皇甫川流域径流变化规律研究

根据皇甫川流域1956～2005年逐月的实测资料,应用分析、小波分析等方法对皇甫川年径流的变化特征进行了分析。结果表明:皇甫川流域径流逐年代减少,年内分配不均,集中度高,年际变化较大;经分析表明皇甫川年径流减少具有持续性;运用小波分析方法,对年径流时间序列进行了多时间尺度分析,表明2016年左右皇甫川流域径流处于偏枯阶段,水资源将成为影响该地经济可持续发展的重要因素,应引起足够重视。     

黄河流域典型支流水土流失对全球气候变化的响应

黄河流域是世界上水土流失最为严重的地区之一,全球气候变化导致土壤侵蚀的任何变化,均对黄河流域水土保持及其中、长期战略的制定具有重要影响.本研究选取黄河流域12条典型支流,根据1961～1990年降水、径流和泥沙的实测资料,分别建立了各典型支流降水～径流深、径流深～侵蚀模数的统计关系.通过对英国HadlyCM3模型输出的未来不同时期降水资料进行Delta尺度处理.获得未来不同时期的降水量.基于已建立的统计关系,系统分析了各支流在不同气候情景(A2、B2)未来不同时期(2010～2039年、2040～2069年、2070～2099年)水土流失的潜在变化.总体而言,在全球气候变化的影响下,黄河流域典型支流在未来100年内的降水、径流深和侵蚀模数均呈增加趋势.因此,应加强黄河流域水土保持建设,重视气候变化对黄河流域的水土流失的潜在影响,并制定相应的应对措施.     

和田河流域近 60 年降水尧气温与径流演变特征研究

以新疆和田河流域为例,采取Mann-Kendall趋势检测法、Pettitt突变检测法与小波分析等方法剖析了研究区近60年气温、降雨和径流变动特点。结果显示：（1）研究区降水、气温和径流均有增加或升高趋势,其中气温变化呈显著增加;（2）研究区降水、气温、径流突变分别发生于1986年、1996年和1993年;（3）研究区降水、气温和径流均无显著性周期性变化,但存在短时间段周期变化,降水在研究时段内呈现丰枯交替变化,自20世纪90年代逐渐湿化。气温呈现逐渐升高的发展趋势。20世纪90年代以前,径流年代际变化以偏枯为主,近20年年代际变化以偏丰为主。     

黄河流域水文设计成果修订研究

将黄河流域主要控制站/区间的降雨、径流、洪水资料系列延长至2010年并分析其变化特点,在对实测径流还原的基础上,通过降雨径流关系变化分析下垫面变化对径流系列一致性影响,并采用多种方法进行一致性处理,提出3种下垫面情景的天然径流系列并推荐近期I下垫面情景的黄河设计径流成果。分析了影响洪水一致性的因素,对主要影响因素进行还原,对影响黄河中下游常遇洪水量级的因素进行还现,提出黄河流域各站天然设计洪水及中游现状下垫面5年一遇及以下设计洪水。     

叶尔羌河源流区近50年来年径流变化及其对气候变化的响应

  基于新疆卡群水文站和塔什库尔干气象站1959～2005年的观测资料,运用小波分析和统计分析相结合的方法,从多时间尺度研究叶尔羌河源流区近50年来年径流的非线性变化趋势,以及径流对气候变化的响应。结果表明: 1）年径流、气温和降水的主要变化周期几乎一致,年径流和年降水量都存在24年的主要变化周期,而年平均气温则是23年。2）年径流量表现出具有时间尺度依赖性的非线性变化趋势,与区域气候变化密切相关。3）年径流变化是区域气候变化响应的结果,从8（2³）年、4（2²）年和2（2¹）年时间尺度上来看,年径流量与年平均气温和年降水量之间存在显著的线性相关关系。     

南水北调西线雅砻江调水工程温波引水枢纽坝址径流计算的研究

南水北调西线雅砻江调水工程（简称西线调水）是从长江的一级支流雅砻江上游区引水至黄河源头地区的跨流域调水工程，是补充黄河水资源不足与解决我国西北和华北部分地区干旱缺水的重大战略措施，由于引水枢纽坝址缺乏实测水文资料，我们依据附近孜水文站实测资料，采用一些非确定性的数理统计模型来计算温波引水坝址的设计年径流量，并对计算成果进行了合理性分析，结果表明，上述计算成果基本反映了温波引水坝址径流变化的客观情况，从而为南水北调西线雅砻江调水工程缺乏实测水文资料地区的水文计算提供了科学依据。     

东亚和南亚夏季风对中国季风区径流深影响

为揭示中国东部季风区径流深对东亚和南亚夏季风变化的响应规律,建立了八大流域VIC(Variable Infiltration Capacity)水文模型以及应用了Mann-Kendall和局部加权回归分析(Locally Weighted Scatter Plot Smoothing, LOWESS)相关性检验方法,并分析了径流深系数空间变化情况。结果表明:东亚夏季风与径流深显著性相关范围要明显大于南亚夏季风,主要位于长江流域以北和松花江流域以南的广大地区以及华南部分地区,并分别成正相关和负相关;而南亚夏季风与径流深显著性正负相关的区域则分别位于华南地区及长江流域上游部分地区。此外,季风区径流深系数空间差异明显,易产流区主要位于长江流域及东南沿海地区,而黄河及海河流域则产流较难。因此,对东亚及南亚夏季风的研究可为预测中国东部不同地区的水文过程及水资源变化提供重要的科学参考。     

1975-2011年渭河上游径流演变规律及对气候驱动因子的响应

为探讨渭河上游径流的变化特征及其对气候变化的响应,选取1975-2011年河流实测径流量进行计算和分析. 结果表明：近40 a来,渭河上游径流总体呈明显下降趋势,其中,20世纪90年代前处于丰水期,90年代后进入枯水期,进入21世纪有明显增多趋势. 径流年际丰枯变化激烈,枯水年的发生概率高、持续性强,最长的连枯年份达8 a. 径流量集中在汛期,各年代的分配峰型有所不同,在70、80年代为7、9月双峰,之后变为单峰型分布. 流域内气候增暖明显,降水减少,蒸发加剧;90年代为明显的暖干型气候,21世纪初期气候向暖湿型转变的过程对径流的增加十分有利. 径流对气候变化有较强响应,但响应程度随时间变化而变化. 通过定量分析气候因子对径流变化的贡献值,发现由于气候增暖导致潜在蒸散量的加剧对径流变化的负贡献达60%以上,绝对值高于降水量的正贡献.     

长江流域水沙周期特征及可能影响原因

运用小波变换的方法研究了长江流域干流站(屏山站、宜昌站、大通站与汉口站)以及位于支流嘉陵江流域的北碚站近40年来月均流量与输沙率,研究认为:(1)水利工程(本文主要指水库)对下游河道输沙率的影响远远大于对流量的影响;(2)葛洲坝是低水头径流式发电站,对下游流量变化影响不大,虽然在建库初期对输沙率有一定影响,导致下游河床下切,但远未达到使输沙率固有的1年周期受到影响的程度;(3)三峡大坝的建设已经对下游输沙率产生严重影响,使其固有的1年周期消失,但三峡大坝下游河道输沙率对这种影响的响应与距三峡大坝的距离成反比,即愈往下游,输沙率受三峡大坝的影响愈小;(4)输沙率变化对水利工程影响的敏感程度受流域尺度的影响,流域尺度越大,其反应就愈迟钝,反之亦然。     

三峡水库运行下长江中游典型河段水情变化及趋势预测

以1983-2014年长江中游5个水文站实测水文资料为依据,利用Morlet小波和ARIMA模型等方法,系统分析了三峡水库运行下长江中游典型河段水情变化特征及其未来变化趋势.结果表明：三峡水库运行后,长江中游典型河段流量年际变化不显著,年内月分配较明显的趋于均匀化,这是气候波动与以三峡水库为标志的人类活动综合作用的结果;长江中游典型河段径流变化以18~26 a、8~13 a的周期变化较为明显,周期中心分别为22 a和12 a,并存在更小尺度的周期,三峡水库的运行对典型河段径流大尺度的变化周期影响微弱,对小尺度的变化周期产生了一定的影响;总体上,2014年以后典型河段流量将偏丰,并持续若干年.其中枝城站流量将在2014年以后一段时期呈增大趋势,由偏枯期转为偏丰期,大致持续到2017年;沙市、监利、城陵矶、螺山站流量在2011年由偏枯期转入偏丰期之后,一直呈增大趋势,将于2016年左右达到最大值,之后呈减小趋势,但仍将处于偏丰期,大约持续到2018年.     

天山南坡清水河与阿拉沟流域径流变化特征及其对气候变化的响应

依据1956-2012年天山南坡清水河流域的克尔古提水文站以及阿拉沟流域的阿拉沟水文站资料,采用Mann-Kendall非参数检验法和交叉小波变换法,分析了清水河与阿拉沟出山径流的趋势、突变、周期变化等特征,并进一步探讨了出山径流对气候变化的响应。结果表明：清水河与阿拉沟流域年径流量均呈上升趋势,其中1988年为径流突变年,该年前后年均径流变化态势不同,1988年以后径流升幅显著。同时,流域径流过程呈现多时间尺度的周期变化,以32 a以上大周期为主,2 a和8 a小周期变化为辅。因流域下垫面特征等差异,清水河出山径流对降水变化的响应程度强于阿拉沟,而阿拉沟出山径流对气温敏感性高于清水河。且受冰川径流调节作用与多年冻土退化的影响,阿拉沟径流过程对气温的滞后性强于清水河。     

气候变暖情景下黄河上游径流的可能变化

根据水文气象台站观测资料, 分析了全球变暖情景下黄河上游唐乃亥以上流域温度、降水和径流的变化状况, 并采用假定气候组合对未来数十年黄河上游唐乃亥以上流域的径流变化进行了预测. 结果表明: 黄河上游的温度与全球变暖有着明显的对应关系, 近几十年来, 流域各个地方的温度有不同程度的上升. 降水变化因流域各地所处位置、地势、地形的不同而差异较大, 受温度上升和主要产流区域降水大幅减少的影响, 近10余年来黄河上游的径流量呈持续递减的态势. 在未来几十年, 如果遭遇到气温升幅与降水减幅较大的"暖-干"气候组合时, 流域产水量将有较大的减幅; 当气温变化不大而降水增幅较大时, 流域产水量将有明显的增加, 同时由于冰雪及冻土融水的补给, 此气候情景下黄河上游唐乃亥以上流域径流量的增幅还将略大于降水量的增幅.     

长江-黄河源寒区径流时空变化特征对比

长江源区比黄河源区寒冷而干燥, 年径流量仅为黄河源区的60%, 径流年内分配较黄河源区均匀性差, 丰水年与枯水年比例基本相当, 而黄河源区枯水年占较大优势. 近40 a来长江源区径流量总体上呈明显的递减趋势, 黄河源区径流量则呈现略微增长趋势. 长江源区径流量以8～9 a的周期变化较为显著, 黄河源区径流量则以7～8 a周期比较显著. 对寒区径流变化的主要影响因子分析表明, 长江源区温度因子对径流年际变化影响大于黄河源区, 而降水因子影响相对较小, 长江源区寒区水文环境对径流影响较大是造成长江、黄河源区径流差异形成的主要原因.     

环境变化对黄河中游汾河径流情势的影响研究

20世纪70年代后我国许多河流的径流量呈下降的趋势.在这些趋势变化中,如何区分人类活动及气候变化的影响是当前流域水文研究的热点和难点.提出了区分人类活动和气候变化影响的分析思路以及定量计算方法.介绍了SIMHYD概念性降水径流模型,并应用黄河中游汾河流域"天然"时期的水文、气象资料率定了模型参数,通过水文模拟还原了人类活动影响期间的天然径流量,进而分析了汾河流域径流情势的变化原因.结果表明:SIMHYD降水径流模型对汾河流域天然月径流过程具有良好的模拟效果;就1970-1999年的平均状况而言,气候因素和人类活动对径流的影响量分别占径流减少总量的35.9%和4.1%,人类活动是汾河流域径流减少的主要因素.     

雅鲁藏布江流域气候和下垫面变化对径流的影响研究

典型高原寒区雅鲁藏布江流域径流变化是反映该区域气候和下垫面变化的重要指标。在全球升温背景下,由于观测资料稀缺,导致缺乏针对整个流域的气候和下垫面变化对径流影响的研究。因此,本研究基于1986—2010年的气象数据和奴下水文站月尺度、动态土地利用数据等,利用改进的水文模型并结合不同的模拟策略厘清了流域1991—2010年不同时段间气候和下垫面变化对径流的影响。结果表明：在1991—2010年期间,不同时段间气候和下垫面变化对径流变化的贡献率差异较大,气候变化对径流变化的贡献率高于下垫面变化,且使径流量增加。从空间上看,气候变化对流域产流的贡献率在上游和中游都较大,在下游东北部的贡献率较小,而在该区域下垫面变化的贡献率较大。雪冰融水径流呈增加的趋势,对年径流的平均贡献率在21.1%~48.6%范围内,多年平均贡献率为33.6%;雪冰融水径流一般从4月开始增大,8月达到最大,10月达到消融末期。本研究的开展和发现既是雅鲁藏布江流域水文、水资源基础性研究的需要,具有重要的理论研究意义,同时也可为该流域的水资源保护、规划与管理提供科学理论和决策依据,具有重要的现实意义。