水文变异的主因分析研究——以渭河为例

为研究水资源变异的重点影响时段,本文创新性地提出一种新型的主因素分析方法,依靠时间尺度进行划分,把诊断分析的结果列为研究基础资料,这些数据资料必须满足先后时间的嵌入关系,并且会对水资源的变异现象产生重要的影响作用,然后利用拓扑学上的时间尺度变异关系图谱,同时比较计算公式中的重要影响系数,最终来研判出造成水资源序列变异的关键影响时段。采用设立在岐山测站在1966至2010年期间观测到的渭河径流序列,并将其观测结果作为实例,分析该河流在不同时间尺度上的变异主因,分析结果表明,不论是在所研究的季节尺度还是汛/非汛期尺度上,暑期的七、八月份均是在时间尺度上造成水资源变异的主要原因。该研究结果意义重大,对于指导当地水资源的规划、管理、配制、泄洪、防洪等水文工作以及关注水资源在关键时段的作用原理,起到了指领性作用。     

水土保持地区人类活动对汛期径流影响的估算

人类活动对于流域水文要素时变过程的影响显著,确定人类活动影响下水文要素时序的显著转折点、选出相对"天然"的序列,对于开展水土保持效益评价研究具有重要意义。以延河流域为例,采用数理统计方法推估获取人类活动影响下汛期径流时序的显著转折点,以显著转折点前的数据建立预测模型,对比分析汛期径流量的实测值与预测值,其差值即为人类活动对汛期径流的影响程度。较之传统研究方法,本文以汛期水文数据取代年均数据,以汛期降水径流综合系数代替年径流系数,从而减弱了黄土高原地区降水、径流变化幅度巨大的干扰影响。结果表明,从20世纪50年代末至80年代末,1970年为人类活动下延河流域径流时序的显著转折点,1970年以后人类活动对流域水文的影响更显著,1981年达到最大值,为72.04%。20世纪70、80年代人类活动对延河汛期径流量的影响一直处于负面减流状态。人为因素是延河径流量演变的主要驱动因子。     

基于相关积分法的水文时间序列变异性度量

人类活动加剧了水文系统的变异。本文提出一种概率统计方法,来度量水文时间序列发生变异的程度。基于相关积分的概念,定义水文时间序列的变异标度指标——变异度和变异率。以北江流域径流量序列为例,证明该方法的有效性,并对北江流域径流序列的变异程度做了初步评价。     

渭河源区典型小流域水沙演变规律分析

根据渭河源区清源河典型小流域实测水文资料,分析了流域水文要素的年内和年际变化规律,流域降水、径流和泥沙主要集中在汛期,5-9月降水量占全年的78.5%,5-10月径流占全年的78.7%,5-8月输沙量占全年的88.9%。受上游修建水库、水土保持等人类活动的影响,流域汛期径流和泥沙1997-2013年比1980-1996年均减少了5.9%。流域面平均降水量、平均流量、平均输沙量年际变化不稳定,总体呈减少趋势,序列最大可能变异点分别为1995年、1994年和1997年。建立了流域年降水量与年径流深、次降水量P+Pa与次径流深相关模型,相关系数达到0.902和0.860。以年最大洪峰流量为参数,分别建立了流域年径流量与年输沙量、次径流量与次输沙量关系模型,相关系数达到0.835和0.917,公式模拟值与实测值接近,误差较小,可以作为以径流推算泥沙的重要依据。通过定性定量分析人类活动对流域径流、泥沙的影响程度,对区域抗旱防洪减灾、水资源管理、小流域治理及生态环境保护具有重要意义。     

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。     

考虑水文变异的大通河生态需水研究

鉴于变化环境对流域水文情势的影响,开展水文变异条件下的生态需水研究尤为紧迫。以大通河流域为研究对象,采用水文变异诊断系统对变异前后的水文序列进行划分,分析变异成因;应用5种概率分布函数拟合变异前月均流量序列,推求概率密度最大处流量,将其作为当月生态需水;最后计算生态需水满足率,分析水文变异对生态需水的影响。研究表明：（1）尕大滩站在1973年、1990年发生弱变异;天堂站、享堂站在1990年发生中变异;（2）变异后,汛期生态需水满足率相比变异前平均下降7%,非汛期生态需水满足率相比变异前平均上升11%;(3)降水减少导致汛期生态需水满足率下降,冻土退化促使非汛期生态需水满足率上升;水利工程建设导致汛期生态需水满足率下降,非汛期生态需水满足率上升。研究结果可为大通河流域水资源开发利用和生态保护提供重要参考。     

乌力吉木仁河三级区水资源变异及归因分析

随着气候变化和人类活动对水资源影响越来越显著,大量水文序列的统计规律不再满足一致性要求而出现了变异。水资源日益重要的社会地位,要求在对水文变异进行检测的同时,需进一步量化影响其变异的因素,但目前归因分析的研究仍以定性或半定量为主。由于降雨和径流是水循环中关键的水文要素,且分别可以反映气候变化和人类活动对水资源的影响,利用降雨-径流关系提出了定量研究水资源变异的归因分析方法。结合乌力吉木仁河三级区1956~2000的年径流和年降雨序列,在对其分别进行变异诊断的基础上,定量地分析了造成该区水文变异的原因。计算结果表明:气候变化对乌力吉木仁河三级区水资源变异的贡献率为24%,而人类活动影响的贡献率为76%,可见人类活动是造成该区水资源变异的主要因素。     

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。     

中国主要江河径流变化成因定量分析

变化环境下中国主要江河实测径流量发生了较为明显的变化,科学理清径流变化原因是流域水资源评价和管理的重要基础工作。基于中国七大江河代表性水文站1956-2018年的实测径流量资料,诊断了变化环境下水文序列的变异性特征;采用水文模拟途径,定量评估了不同驱动要素对径流变化的影响。结果表明:①淮河、长江和珠江实测径流量变异性特征不明显,相比而言,北方主要江河实测年径流量系列存在较为明显的突变性,但最显著的变异点发生时间存在差异,变异前后降水径流关系发生较大变化。②RCCC-WBM模型能够较好模拟中国南方湿润区和北方干旱区江河天然径流量过程,该模型可以用来还原人类活动影响期间的天然径流量。③总体来看,人类活动对中国北方江河径流量的影响大于气候变化的影响,气候变化是中国淮河及其以南江河径流变化的主要原因。     

中国主要江河径流变化成因定量分析

变化环境下中国主要江河实测径流量发生了较为明显的变化，科学理清径流变化原因是流域水资源评价和管理的重要基础工作。基于中国七大江河代表性水文站1956—2018年的实测径流量资料，诊断了变化环境下水文序列的变异性特征；采用水文模拟途径，定量评估了不同驱动要素对径流变化的影响。结果表明：①淮河、长江和珠江实测径流量变异性特征不明显，相比而言，北方主要江河实测年径流量系列存在较为明显的突变性，但最显著的变异点发生时间存在差异，变异前后降水径流关系发生较大变化。② RCCC-WBM模型能够较好模拟中国南方湿润区和北方干旱区江河天然径流量过程，该模型可以用来还原人类活动影响期间的天然径流量。③总体来看，人类活动对中国北方江河径流量的影响大于气候变化的影响，气候变化是中国淮河及其以南江河径流变化的主要原因。     

变化环境下半干旱草原流域径流变化特征及其影响因子定量分析

地表水文过程在气候波动和人类活动的作用下发生了不可忽视的变化,这种变化对于内蒙古半干旱草原流域来说更为显著。采用改进的M-K趋势检验法、双累积曲线法、累积距平法和小波变换法对典型半干旱草原流域——锡林河流域1963～2015年径流序列的变化特征进行了剖析,并以社会经济指标量化流域内人类活动影响及细化降水特征因素,运用统计检验和主成分分析进行了变化环境下流域径流主要影响因素的定量分析。结果表明,锡林河流域径流量在水文年、季尺度呈现显著(p0.05)减少趋势;流域径流的突变年份为1998年,在其前后影响径流变化的主导因素发生变化,1998年以后径流受到人类活动和气候变化的双重影响;水文年和枯水季径流序列均存在6年、25年左右的周期,而丰水季径流不存在显著周期变化;尽管气候因素中的降水、蒸发、相对湿度及所有人类活动因素与径流显著相关而影响径流,但其中人类活动为径流变化的主导因素。     

不同时间尺度的中长期水文预报研究

为研究中长期水文预报时间尺度对预报精度的影响,选取最近邻抽样回归模型与基于小波分析的组合模型对长江干流典型断面不同时间尺度的径流序列进行中长期径流预报。将1980~2012年的逐日径流资料经过时间聚集方法转换成三天、周、旬、半月、月、双月、季、半年、九月、年等10个不同时间尺度,对高场、寸滩、宜昌、螺山、汉口、大通6个典型断面的径流进行拟合和预报。结果表明:随着预报时间尺度增加,预报精度呈现先降低后提高的趋势,其中,在月时间尺度上预报效果最差,三天和年尺度上预报效果相对较好。     

额尔古纳河流域近50年水文气象要素变化分析

应用预置白处理后的Mann—Kendall非参数检验方法及小波分析方法,分析了额尔古纳河流域20个水文气象站点近50年水文气象要素(气温、降水和径流)的变化趋势以及典型站点降雨量、径流量的多时间尺度特征。同时应用聚类分析方法推算了径流量序列的突变点。结果表明,该区域气温呈现明显升高的趋势,其中海拉尔站可能由于城市化进程的影响气温升高幅度最大。流域年降水总量变化趋势不显著,但某些月份降水量存在明显增加或者减小的趋势,其中显著增加的月份为11、12和1月,显著减小的月份为7、8月;降水趋势显著变化的站点主要分布在该流域的呼伦湖水系和海拉尔河水系。流域年径流量有减少趋势但不显著,然而4、5月份大多数站点径流量出现显著减少趋势。小波分析表明,典型站点年降水量存在25a左右的主周期,年径流量存在20～26a的主周期。各个站点径流量序列的显著跳跃点大都发生在1999年,这与通过小波分析得出的有关突变点的结论相一致。     

基于条件分布模型的气象水文干旱传递分析

气象干旱发展到一定程度可以传递为水文干旱。以潘家口水库流域1961—2010年逐月平均降水数据和潘家口水库的入库径流序列为基础数据,分别计算了1、3、6、12个月时间尺度的标准化降水指数（SPI）和标准化径流指数（SRI）,以表征研究区域的气象干旱和水文干旱。基于条件分布模型,分析了不同时间尺度的气象干旱传递到未来的不同等级和不同的预测期（或滞后期）的水文干旱的概率。结果表明,当SPI时间尺度较短或预测期（滞后期）较短时,其对应的SRI水文干旱等级越倾向于维持与SPI相同的干旱等级;随着SPI时间尺度的增长或预测期（滞后期）延长,其对应的SRI水文干旱等级略低于气象干旱或恢复到正常状态。     

Rainfall-Runoff Modeling using Clustering and Regression Analysis for the River Brahmaputra Basin

In this research, k-means, agglomerative hierarchical clustering and regression analysis have been applied in hydrological real time series in the form of patterns and models, which gives the fruitful results of data analysis, pattern discovery and forecasting of hydrological runoff of the catchment. The present study compares with the actual field data, predicted value and validation of statistical yields obtained from cluster analysis, regression analysis with ARIMA model. The seasonal autoregressive integrated moving average (SARIMA) and autoregressive integrated moving average (ARIMA) models is investigated for monthly runoff forecasting. The different parameters have been analyzed for the validation of results with casual effects. The comparison of model results obtained by K-means & AHC have very close similarities. Result of models is compared with casual effects in the same scenario and it is found that the developed model is more suitable for the runoff forecasting. The average value of R² determined is 0.92 for eight ARIMA models. This shows more accuracy of developed ARIMA model under these processes. The developed rainfall runoff models are highly useful for water resources planning and development.     

喀斯特流域径流量时序演变特征分析——以贵州省为例

以贵阳水文站近45年年径流量序列为例,利用Mo r let 小波变换对喀斯特流域径流量时序演变特性进行了分析预测。结果表明: ( 1)贵阳水文站年径流主要存在4a和25a 两个时间尺度的周期变化,在这两种时间尺度下,径流演变呈现出较明显的丰、枯交替振荡。( 2) 2000年以后的10a左右,年径流量有由丰转为枯、逐步下降的趋势。( 3)年平均径流量的丰、枯周期变化主要受年平均降水量的影响;人类活动对喀斯特流域年径流量有增加和减小两方面的影响,总体上会使径流量略有增加。      

流域水文年及丰枯水期划分方法

研究流域水文年及丰、枯水期划分方法,为水文水利计算提供科学依据。通过分析流域径流变化特点,提出径流累计距平法。将该方法用于黑河上游流域,结果表明:该方法为黑河上游流域确定了合理的水文年及丰、枯水期;在不同水文年起讫日下,黑河上游流域年径流时间序列的统计特性和典型年的径流年内分配特征发生显著变化。因此,径流累计距平法可用于划分流域水文年及丰、枯水期,统一水文年划分方式对水文水利计算十分必要。     

中长期径流预报的一种灰关联模式识别与预测方法

基于时间序列多重信息利用的扩维原理和灰色系统理论的关联分析思想,提出一种应用于水文中长期预报的方法.它的特点是直接从径流序列的扩维相型关联分析中,寻求径流情势变化规律,较适合于缺乏输入因子资料或选择影响因子有困难条件下的水文中长期预报.利用海河、黄河和长江流域若干水文站的实测资料序列对该方法做了初步验证.