波谱分析方法在水文上的应用

本文试图以长江宜昌站105年水文系列(1877～1981)为对象,通过分析其年最高水位变化的规律,来探讨波谱分析在水文上的应用。经实际计算,发现长江上游洪水周期性很明显,目前正处于洪水位的多发期。时间序列波谱分析是自回归髓机模式中常用的一种数据分析方法,其适用性较广,在水文气象学中一般用来分析数据系统的物理属性(如频率结构)、识别周期成分或过滤噪声等。波谱分析大体经历了调和分析(富里叶级数展开,也称谐波分析)、功率谱分析(自相关函数的富里叶变换)和最大熵谱分析(简称MEM)等发展过程。由这些方法与其他数学方法相结合又形成一些所谓二次谱方法,如球面谐波分析、时—空谱分析和车贝雪夫—富里叶     

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.     

基于遗传熵谱估计的年径流周期识别

为识别年径流量序列的隐含周期,提出基于加速遗传算法的熵谱估计算法,与传统的方差谱和Burg谱相比,该方法由熵谱分析的4个等价条件构建多目标函数,并以加速遗传算法作为优化算法,谱估计结果不依赖于初始值的选取,对数据长度、信噪比和初相位有较强的适应性。在三川河流域后大成站1956-2000年径流量序列周期识别中的应用结果表明,在95%的置信检验水平下,序列中存在着12.29年和2.67年的显著隐含周期,为三川河流域年径流的变化规律和变化的阶段性研究提供了一条新的定量研究手段。     

基于小波变换的水文序列的近似周期检测法

将小波变换引入随机水文过程的研究领域,根据水文现象的物理成因,通过对水文旬进行小波变换,借以测定水文序列隐含的近似周期,并利用Ｆ检验最终确定水文序列隐含的近似周期,计算结果表明,用小波变换确定水文序列隐含的近似周期准确性较高,是一个较邹的确定水文序列近似周期的方法。     

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。     

地质时间序列的频谱分析方法及应用

介绍了地质时间序列随机模型及研究时间序列相关关系的频谱分析方法,给出了显著周期检验的Ｆｉｓｈｅｒ准则。研究结果表明,频谱分析能够很好地确定地质时间序列的隐含周期及相关关系,从而揭示地质时间序列的内部特征。     

水文时间系列周期分析方法探讨

以分析广东省降水周期变化规律为例，探讨了最大熵谱方法在提取水文时间系列的主次周期上以及小波变换方法在分析水文时间系列的多时间尺度演变规律上的应用。由计算结果分析得到广东省降水过程主要存在的周期特性和旱涝变化趋势，为广东省降水趋势预测提供了重要信息。     

0-1测试方法的径流时间序列混沌特性应用

径流时间序列混沌特性识别的常用方法是基于相空间重构的关联维数法、最大Lyapunov指数法和Kolmogorov熵法。引入一种新的时间序列混沌特性识别方法:0-1混沌测试方法。该方法直接应用于时间序列不需要相空间重构,并且通过量化指标K_c是否接近于0或1来识别时间序列的混沌特性。以Logistic映射生成的序列、金沙江流域和美国Umpqua河多年日径流序列为研究对象,首先利用0-1混沌测试方法进行了混沌特性识别和判定;然后基于相空间重构,运用相空间重构、伪最近邻点法、关联维数方法、最大Lyapunov指数法和Kolmogorov熵5种非线性研究方法分析了这两列径流时间序列混沌特性。研究结果表明0-1混沌测试方法简单有效。以上方法交互验证了该两列径流时间序列存在低维混沌特性。     

云南高原径流时空随机分布规律研究

本文对我省４５个测站的实测年、月径流序列用随机水文学的理论和方法进行了分析。用线性回归趋势分析检验趋势成分，用聚类分析法检验跳跃成份。用自相关分析和谱分析检验周期成分和相依成分，求得年、月径流序列的随机特性及地区分布规律。     

挠力河流域降水量序列的功率谱分析和最大熵谱分析

功率谱分析是以傅立叶变换为基础的频域分析方法;最大熵谱分析是以信息论中熵的概念为基础,建立适当阶数的自回归模型,用Burg算法求解,提取序列的显著周期.研究表明,该站降水量存在3～4年和8～9年的主要周期,与功率谱分析相比,最大熵谱分析具有分辨率高、峰值偏离小等独特优势,提取的主次周期更符合实际,从而揭示了时间序列的内部特征.     

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。     

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。     

近60年长江中游宜昌站水沙变化与驱动因素分析

根据长江中游宜昌站1952～2015年长时间序列径流泥沙资料,运用Mann-Kendall趋势检验法、小波分析法和均值差异T检验等方法,揭示宜昌站径流泥沙的演变规律及其驱动因素。结果表明:(1)径流量无显著下降趋势,而输沙量下降趋势明显;(2)径流量在2005年发生突变,输沙量在2002年发生突变;(3)通过小波分析发现年径流量和年输沙量存在以20～24a为主周期的变化规律;(4)年径流量可分为1952～1955,1961～1968,1979～2001年3个多水期和1956～1960,1969～1978,2002～2015年3个少水期,输沙量可分为1952～1993,1998～2002年2个多沙期和1994～1997,2003～2015年2个少沙期;(5)年输沙量显著减少主要为水库拦沙、河道采砂和水土保持工程等人类活动所致。     

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。      

天山北坡玛纳斯河355a来年径流量的重建与分析

玛纳斯河树轮年表序列与该河肯斯瓦特水文站年径流总量相关显著,使用5个树轮年表序列较好地重建出天山北坡玛纳斯河肯斯瓦特水文站355a来的年径流总量,解释方差达61%.355a重建流量变化表明:1)玛纳斯河年径流总量355a来大致经历了11个偏枯水期和10个偏丰水期,最长的偏丰水期为1670-1699年,持续了30a,最长的偏枯水期为1949-1994年,持续了46a;2)最显著的两个百年流量变枯趋势为1872-1995年和1671-1775年,径流量减少率分别为0.19×10⁸m³·(10a)^-1和0.26×10⁸m³·(10a)^-1;3)在1711-1712年、1872年重建流量发生过两次突变,前者年径流量由多到少突变,后者相反;4)重建流量最丰水的年代为17世纪80-90年代,比现今偏多17.9%～18.1%,最枯水的年代为19世纪60年代,比现今偏少16.7%;5)重建流量存在着58～59、9.6、27.2、16.9、4.8、4.3、2.9～3.0a的变化周期.     

Maximum entropy method: an unconventional approach to explore observables related to the electron density in phengites

The maximum entropy method (MEM) is used here to get an insight into the electron density [ρ(r)] of phengites 2M ₁ and 3T, paying special attention to the M1-formally empty site and charge distribution. Room temperature single crystal X-ray diffraction data have been used as experimental input for MEM. The results obtained by MEM have been compared with those from conventional structure refinement which, in turn, has provided the prior-electron density to start the entropy maximization process. MEM reveals a comparatively non-committal approach, able to produce information related to the M1-site fractional occupancy, and yields results consistent with those from the difference Fourier synthesis, but free of the uncertainties due to the abrupt truncation of the series. The charge distribution is investigated by means of the notion of ‘‘site basin’’, i.e., those site-centered volumes delimited by a surface such as ∇ρ·n = 0. In particular, we observe: (1) the overall partitioning of the basin total charge between cation and anion sites, and the interlayer site charge seems to depend on sample composition, and (2) the apical-oxygen plane total basin charge and hydroxyl basin charge are presumably related to the polytype. The MEM-determined electron density does not allow full exploration of the critical points for very complex structures as micas, insofar as conventional room temperature experimental diffraction data are used.     

Flood frequency analysis based on simulated peak discharges

Flood frequency approaches vary from statistical methods, directly applied on the observed annual maximum flood series, to adopting rainfall–runoff simulation models that transform design rainfalls to flood discharges. Reliance on statistical flood frequency analysis depends on several factors such as the selected probability distribution function, estimation of the function parameters, possible outliers, and length of the observed flood series. Through adopting the simulation approach in this paper, watershed-average rainfalls of various occurrence probabilities were transformed into the corresponding peak discharges using a calibrated hydrological model. A Monte Carlo scheme was employed to consider the uncertainties involved in rainfall spatial patterns and antecedent soil moisture condition (AMC). For any given rainfall depth, realizations of rainfall spatial distribution and AMC conditions were entered as inputs to the model. Then, floods of different return periods were simulated by transforming rainfall to runoff. The approach was applied to Tangrah watershed in northeastern Iran. It was deduced that the spatial rainfall distribution and the AMCs exerted a varying influence on the peak discharge of different return periods. Comparing the results of the simulation approach with those of the statistical frequency analysis revealed that, for a given return period, flood quantiles based on the observed series were greater than the corresponding simulated discharges. It is also worthy to note that existence of outliers and the selection of the statistical distribution function has a major effect in increasing the differences between the results of the two approaches.     

钦州市降雨及入海河流径流演变规律与趋势分析

依据钦州市58a平均降雨量和3条入海河流控制站径流量长序列资料,采用滑动平均、线性回归、Spearman、M-K及R/S法综合分析降雨径流的趋势性及突变特征。结果表明,钦州市降雨量总体呈弱增加趋势,增加率为0.742mm/10a,而茅岭江、钦江、大风江流域径流量存在总体减少趋势,减少率分别为0.2×108m~3/10a、1.1×108m~3/10a、0.4×108m~3/10a。运用复Molet小波分析多时间尺度周期性,降雨量序列存在5个时间尺度,22a和15a时间尺度分别为序列第一、三主周期;径流量序列存在3个时间尺度,其中22a和8a时间尺度分别为径流量序列第一、二主周期。     

人类活动和气候变化影响下的黄河下游 月径流时-频综合特征的小波分析-自组织映射网络（WA-SOM）分析

以黄河利津站54年（1950～2003年）的月径流序列为基础资料,以1970年为分界点,对比分析黄河下游1950～1969年和1970～2003年的各月径流序列和年径流序列的变化特征;  并把 1950～1969年和 1970～2003年的各月径流序列的特征值和主周期作为自组织映射网络（SOM）的输入向量,分别建立小波分析-自组织映射网络（WA-SOM）耦合模型,根据其输出结果对比分析1970年前后黄河下游各月径流序列的变化情况。研究表明: 1970年以后,黄河下游各月径流量明显减少,各月径流序列（除1月和12月）的C_V和C_S显著增大,整体来看,主周期变得更加复杂;  并且在1970年之后,3月、4月、5月和6月的径流序列变得相似,汛期8月、9月和10月的径流序列特征差异很大。     

甘肃省石羊河流域径流多年变化特性研究

基于第三次甘肃省水资源调查评价收集的1956-2016年系列径流资料,补充至2018年,对甘肃省石羊河流域径流多年变化特性进行研究,主要对其变化趋势、突变年份、周期变化、年际变化特性进行研究。以降水补给为主的甘肃省石羊河流域径流量的大小,制约着地区经济的发展。经采用累积滤波器法和斯伯曼秩次相关法分析得出石羊河从北向南趋势由增向减的变化,采用滑动t检验法得出石羊河突变年份在1990年左右,采用谐波分析法得出石羊河北部周期为32年,南部径流周期不明显,径流年际变化较稳定。