基于滑动Copula函数的降水和径流关系变异诊断

将滑动窗口与Copula函数相结合,提出滑动Copula函数的降水和径流的关系变异诊断新方法。以渭河流域华县站1951-2011年的实测月降水量和月径流量序列为例,画出不同滑动窗口的序列相依关系图,在欧式距离评判标准下,拟合降水和径流关系变异前后的最佳Copula函数。结果表明,华县站降水和径流关系变异年份为1972年和1984年,降水和径流关系在1951-1972年和1985-2011年服从T-Copula函数分布,1973-1984年服从Clayton-Copula函数分布。Copula函数模拟二元变量的诸多优点,有助于进一步认识降水和径流的尾部相关关系,为随机变量关系的变异研究提供一种新的途径。     

降雨-径流关系非一致性演化的驱动因素诊断——以渭河流域为例

降雨-径流关系是流域产水能力的关键表征。受气候变化、下垫面改变和人类活动的耦合影响，降雨与径流之间的相关性呈现出一定的非一致性变化，不同因素的影响仍有待量化。耦合去趋势互相关分析与去趋势偏互相关分析方法，提出了一种降雨-径流非一致性关系驱动要素识别与影响估算方法，量化了气象条件、下垫面条件和人类活动的贡献。结果表明：构建的量化方法对非一致性序列具有良好的适用性；人类活动对渭河流域降雨-径流关系的影响最大，平均贡献率为58.86%，气象条件次之，下垫面条件影响最小；人类活动对渭河流域降雨-径流关系的影响在时域上总体处于持续增长态势，空间上呈现渭河干流上中游>泾河流域>北洛河流域。     

利用区域流量历时曲线模拟东江流域无资料地区的日径流过程

根据流量值与流域空间特征值之间的相关关系来构建区域化流量历时曲线，以流量历时曲线取代常规的流量过程作为流域降雨径流模型参数优化的目标函数，分析该方法的可行性与模拟精度。由东江流域中的11个子流域所组成的研究区域能得到精度良好的区域化流量历时曲线，以TOPMODEL模型作为流域降雨径流模型，用区域化流量历时曲线作为优化目标函数，验证流域星丰和岳城的计算结果表明该方法是可行的，能得到较为满意的模拟精度，可以将该方法应用于广大的无资料地区推求日径流过程。     

基于分位数回归的滦河流域降水及径流变化特性

目前对降水、径流变化特性的研究多集中于序列均值特征上,从分析结果无法了解降水、径流序列在分布尾端的变化情况,且易受异常值干扰。为解决上述问题,本文采用分位数回归方法分析了滦河流域降水、径流的变化特性。首先采用Pettitt变异点检测和Mann-Kendall趋势分析法对序列在均值特征下进行分析,结果表明各子流域年降水序列基本满足一致性,而年径流序列具有非一致性,呈现出突变变异;年降水、径流序列响应关系不明显。然后利用分位数回归方法对年降水、径流序列在高、低分位数水平下的变化特性进行分析,得出大部分子流域年降水序列在不同分位数水平下基本保持一致性,而年径流序列在高、低分位数水平下均表现出减小趋势,且高分位数水平下的减小速率较低分位数大;在高或低分位数水平下,部分子流域年降水、径流序列之间具有一定的响应关系;但对整个流域而言,径流序列主要受人类活动影响,年降水、径流之间的响应关系不明显。该结论可为降水、径流之间变化特性的研究提供新参考。     

长江入海水沙通量与三角洲演变模式关系

为了研究流域水沙变化对河口三角洲演变模式的影响,建立了长江口三角洲地貌演变速率和流域入海水沙通量响应曲线,明确了历史时期和近期入海流量和输沙率改变对三角洲演变模式影响。结果表明:流域入海流量无明显的变化趋势,输沙率和含沙量均表现为阶梯性减小趋势,近期(2003-2010年)流量年内分配比例10月和11月减小,12月至次年3月增加,输沙率洪季减小幅度大于枯季;河口三角洲演变模式经历了淤涨~淤涨减缓~侵蚀的过程,建立了其冲淤速率和流域入海水力要素关系曲线,表明输沙率对三角洲淤涨中贡献大于流量,但大水年或枯水年流量影响不容忽视;近期水沙组合发生明显变化,促使三角洲淤涨的水沙组合比例减少,侵蚀比例增加,平衡状态中,流量引起淤涨比例增加,输沙率引起淤涨比例减少,表明流量在三角洲演变模式中的作用有增强趋势。     

西江流域降水气温关系变异诊断及驱动力分析

气候变化的加剧和气象灾害频发,使得西江流域的降水-气温相依结构是否发生变化及其背后的驱动力尚不明晰。本文基于Copula函数的极大似然比（CLR）方法,对两者的相依结构进行变异诊断,并考虑当地气象因子和遥相关因子,探究变化背后的驱动力。结果表明,西江上游流域降水-气温相依结构在2002年2月发生了变异,郁江流域在1985年4月发生了变异。风速、相对湿度在全时间序列中和其相依结构有着较显著的正、负相关关系,并且北极涛动是主要驱动力,它影响着东亚季风,然后对当地风速产生影响,进而影响降水-气温关系,使其相依结构发生了显著变异。     

基于Vine Copula的短期径流预报不确定性分析

定量分析短期径流预报序列的不确定性特征,对于提高水库短期运行计划的可靠性具有重要意义。针对常用多元椭圆Copula或阿基米德Copula难以有效刻画短期径流预报不确定性特征的问题,本文引入了Vine Copula对不同径流量级及不同预见期下预报不确定性进行定量评估,进而分析了先验信息对于后续时段预报不确定性的影响。以雅砻江流域锦西水库为例进行验证,结果表明：相较于传统多元Copula函数,Vine Copula构建的相对预报误差联合分布均能通过假设检验且拟合效果最好,模拟结果的统计量与实测数据相差较小;通过利用调度期内已经发生的相对预报误差信息,可以有效减小后续时段相对预报误差期望值及90%置信水平分位距,降低预报的不确定性。     

洪水序列变异条件下的频率分析与计算

海河流域由于兴建大量防洪和水保工程,改变了流域下垫面条件,导致天然洪水产汇流特性发生变化,洪水系列不再满足一致性假定,进行设计洪水的修订势在必行。以海河大清河水系南支沙河上游的王快水库入库年洪峰序列和年最大洪量序列为例,基于各序列变异点诊断结果,应用混合分布法和条件概率分布法,直接对非一致性洪水序列进行频率分析,得到基于变异序列的设计洪水成果。并将两种方法得到的设计洪水成果分别与1985年水利部规划总院(WRHPDGI)审定的王快水库设计洪水成果及不考虑变异条件下的P-Ⅲ曲线拟合设计洪水成果进行对比,结果表明,考虑变异条件下的不同标准的设计洪水值均较1985年设计洪水值有所减小,年洪峰减小幅度为15%~30%,年最大时段洪量减小幅度为5%~30%;较不考虑变异条件下的P-Ⅲ曲线拟合设计洪水成果也有一定程度的减小,年洪峰、年最大1日洪量、年最大6日洪量减小幅度小于10%,年最大3日洪量减小幅度为1%~15%。该结论可为大清河流域设计洪水的修订提供一定的理论依据。     

基于Copula函数的北京市设计降雨研究

准确描述不同重现期下的设计降雨,能够为水利工程规划设计和防洪减灾提供重要的科学依据。本文以北京市2005—2018年20个站点逐小时的降水数据为基础,采用超定量法提取各分区不同场次强降雨的降雨历时和降雨量,构建了各个分区降雨历时和降雨量的二元分布,并计算了各个分区在不同重现期下的设计雨量。结果表明：北京市城区的强降雨事件明显多于山区,且降雨历时以服从广义极值（GEV）分布和对数正态分布为主,而降雨量则均服从GEV分布;在大多数分区通过Gumbel Copula函数可以更好地表征降雨历时和降雨量二者的联合分布,而在少部分分区运用Frank Copula函数来表征更佳;运用二元Copula函数可以较好地推求不同重现期下的设计雨量。     

Copula预测方法及其在年径流预测中的应用

运用Copula函数将自变量和因变量的相关程度和相关模式有机结合,构建两变量联合分布函数,从而研究两变量与联合分布之间的相依结构;在此基础上,根据样本值未知的因变量边缘分布与联合分布的关系,结合样本值已知的自变量概率分布,对因变量未知值进行预测。年径流预测研究表明,基于Copula函数的预测方法原理明晰、计算简便、性能稳定、预测精度较高。     

窟野河径流变化检测及归因研究

窟野河径流变化是气候变化和人类活动作用的结果,也是流域水资源开发利用及治理保护的重要依据。基于窟野河流域温家川站径流量(1954—2010年)资料,采用MK-P法和Pettitt法进行突变年识别及归因分析;并借助SCRAQ法估算降水、潜在蒸发和人类活动对径流的影响。结果表明:窟野河径流量呈显著减小趋势,且在1979年和1996年发生两次显著突变。与基准期相比,人类活动强度较低期(1980—1996年)降水、潜在蒸发、人类活动对径流的影响比例分别为29.21%、-3.63%,74.42%;人类活动强度较高期(1997—2010年)所占比例分别为20.62%,-1.53%和80.91%;与人类活动强度较低期相比,人类活动强度较高期占比例分别为11.85%,-0.16%和87.99%。大规模水土保持和高强度煤矿开采对窟野河径流突变具有重要影响。     

径流对气候变化的响应研究-以黄河上游河源区为例

为了研究气候变化对径流的影响,选择黄河上游河源区为典型流域,构建多变量Copula联合分布模型,分析流域内主要气象要素与径流的相互响应关系。通过对多元相依结构分析,得到主要气候变化要素与径流变化的定量关系。结果表明,黄河上游吉迈水文站以上流域,径流受气候变化影响明显。长期以来主要气象要素,气温、降水、潜在蒸发能力(Penman-Monteith公式计算)与径流量的相依度指数分别为0.03、0.46、0.13,且在不同时期影响径流变化的主导因素各异。黄河上游径流受降水、冰雪、冻土融水和地下水共同补给,径流自演化过程复杂。     

黄土区坡面与小流域植被变化的水文效应分析

选择黄土丘陵沟壑区的向阳沟小流域，利用1996—2001年实测水文资料，从坡面径流小区和小流域两个尺度层次分析植被变化对暴雨产流产沙和土壤水分的影响。结果表明：径流小区植被度增大，可减少次暴雨产流量、产沙量，使土壤含水量降低；流域植被度增大，可降低洪水径流总量和输沙量，显著削减洪峰流量，且减沙效益大于减水效益。同时，建立了人工牧草小区产流量与植被度等因素之间的多元线性回归方程，并探讨了相对土壤含水量与小区植被度之间的关系。     

气候变化和人类活动对灞河流域径流情势的影响分析

灞河径流决定其下游浐灞生态区的用水安全,开展其变化情势研究对有效管理区域水资源具有重要意义。基于灞河上游罗李村和中游马渡王水文站1959—2010年实测径流及流域降水、蒸发资料,采用肯德尔秩次相关法检验径流序列变化趋势、Mann-Kendall非参数检验法和累积距平法辨识各水文气象要素的突变点,并将累积量斜率变化率比较法用于定量计算气候变化和人类活动对灞河径流的影响程度。结果表明:11959—2010年间上游径流量相对稳定,但中游径流量有减少趋势,且在1988年发生突变后呈现出显著的减小趋势。2气候变化和人类活动对灞河上游径流变化的贡献率分别约为97%和3%,对中游径流变化的贡献率分别约为37%和63%。未来只有合理开发、开源节流并举,才能保障区域可持续发展。     

三峡水库运行后洞庭湖水沙变化及影响因素

水库建设改变江湖关系,影响下游水沙情势,进而对流域状况、人类生活和社会发展产生影响。本文根据2003—2019年洞庭湖三口、四水及长江水沙数据,运用Mann-Kendall趋势检验、滑动平均值等方法分析洞庭湖水沙变化趋势,并用Mann-Kendall突变分析方法对有显著变化的站点进行突变分析。结果表明,2003—2019年,荆江三口各水文站年输沙量、弥陀寺站与康家岗站年径流量有显著变化且具有突变点,荆江三口其余各站年径流量及四水各站水沙无显著变化。其中弥陀寺年径流量和年输沙量变化的突变点分别位于2014年和2010年,其余存在显著变化的各站年输沙量突变点皆位于2008年前后。长江干流来水来沙是影响洞庭湖水沙的重要因素,受2008年三峡水库开始175 m试验性蓄水影响明显,采砂活动等因素也可能与洞庭湖湖区冲淤情况存在关联。     

沮河流域径流变化特征及归因分析

径流变化的特征及归因分析对区域水资源规划和合理开发利用具有重要意义。本文以沮河流域为研究区域,利用线性回归法、五年滑动平均法及重标极差（R/S）分析法阐述水文要素的变化规律,通过Mann-Kendall突变检验和有序聚类法确定沮河黄陵站径流序列突变年份,利用基于Budyko假设的互补关系法及累积量斜率变化率比较法（SCRAQ法）对径流变化进行归因分析。结果表明,1967—2019年期间沮河流域年降水量呈上升趋势,年潜在蒸发量和年径流深呈下降趋势,且径流序列在1985年发生突变;两种方法计算得到的气候变化对径流减小贡献率分别为24.04%和11.71%,人类活动的贡献率分别为75.96%和88.29%,水利水保措施及煤矿开采等剧烈的人类活动是沮河流域径流减小的主要驱动因子。     

渭河流域水沙演变规律分析

近年来大规模的水利水保措施的实施使得渭河流域产流产沙条件发生了明显变化。因此,分析该区的水沙变化特性具有重要意义。根据渭河流域1960-2010年共51年的实测水沙资料,运用滑动平均法、Mann-Kendall法等分析了流域的水沙演变特征以及水沙关系。结果表明:渭河水沙年内分配不均匀,水沙系列均呈现显著的下降趋势。相关分析显示径流量的平均变化率是-1.2163亿m~3/年,输沙量的平均变化率是-0.0742亿t/年。径流量在1989年发生了突变,输沙量的突变点发生于2002年。流域径流量和输沙量呈现正相关关系,汛期水沙相关性高于非汛期,不同时间段的水沙相关关系具有明显差异。人类活动通过改变下垫面条件,作用于水沙关系,使得流域水沙双累积曲线在1984年和2002年发生了改变。     

基于改进多元模糊均生函数的天然径流预测及其验证

天然径流的计算是区域水资源评价和水利水电工程设计的基础。在综合前人已有成果的基础上,提出了改进多元模糊均生函数时间序列预测模型。模型有机整合了模糊均生函数、逆推思想、提取优势周期、外部预测因子以及最优子集回归等思想和方法,解决了传统模型中周期算法的临近数据失效、模型结果仅具有统计意义等问题。模型被运用于渭河流域咸阳站的天然径流预测,并从分布特征、统计参数、降水径流关系三个方面对其结果的可靠性和方法的有效性进行了验证。结果表明,该模型适用于天然径流预测,且可获得较高的预测精度。