非一致性水文频率计算的基因途径Ⅰ:水文基因遗传、变异和进化原理

随机水文过程受到随机性和确定性因素的综合影响,其时间序列不仅具有反映遗传特性的纯随机成分,还含有反映变异特性的确定性跳跃、趋势、周期成分和随机性相依成分,使得随机水文过程表现出复杂的变化形态和演变规律.为了对上述复杂的变化形态和演变规律进行统一认识,本文从随机过程模拟和时间序列分析两个角度描述了非一致性水文序列的遗传和变异特性或规律,同时对非一致性水文频率计算途径进行比较,说明非一致性研究面临的主要问题.在此基础上,本文借鉴生物基因概念来定义水文基因,并分别利用常规矩、权函数矩、概率权重矩、线性矩等描述水文基因的构建和表达过程;同时定义跳跃、趋势、周期、相依和纯随机成分为构成水文基因的5种水文碱基,综合考虑非一致性水文序列的遗传成分和变异成分,并阐述其遗传、变异和进化原理,以揭示水文要素概率分布遗传、变异和进化的演变规律.     

基于水文变异诊断系统的黑河流域上中游径流序列变异

目前黑河流域的水文气象要素的时空变异分析已经有了较多研究,但各种水文序列检验方法的特点与优势不同,得出的结论也不尽相同。本文采用水文变异诊断系统将数理统计分析与物理成因相结合,对黑河流域莺落峡、正义峡水文站1960—2008年的年径流序列的趋势和跳跃变异进行综合诊断,并分析黑河流域上中游7个气象站点对应的年降水、气温序列的变化趋势,以寻求年径流序列变化的物理成因。结果表明:在趋势和跳跃变异分析方面,黑河上游莺落峡水文站和中游正义峡水文站的年径流序列分别在1980和1990年发生跳跃变异,各气象站点降水序列和年均气温均呈现一定的上升趋势;在径流序列变化的物理成因方面,气候条件的改变是上游径流量变化的主要原因,1990年后中游地区年径流量减小,则很大程度上与中游耗水量大幅增加有关。     

基于相关系数的水文相依性变异分级方法——以自回归模型为例

水文过程演变存在时间相依性,含有相依成分的水文序列无法满足水文计算中的一致性假设,给水问题研究带来诸多困难.针对水文序列相依性变异这一现象,以自相关模型为例,提出基于相关系数的水文相依性变异分级方法.该方法通过计算相依成分与原序列之间的相关系数,并选取合理的相关系数阈值,将相依性变异程度分为无变异、弱变异、中变异、强变异、巨变异.通过推导相关系数与序列各阶自相关系数之间的公式,说明相关系数主要取决于1阶到p阶自相关系数的大小,从而阐明分级方法的理论基础.以一阶和二阶自回归模型为例,利用统计试验验证了公式的合理性,并说明了相关系数和自相关系数的联系.将所提分级方法应用于3个实测径流序列进行分析,结果显示水文过程常常存在相依性与随机性并存的现象.     

基于相关系数的水文序列跳跃变异分级原理与方法

跳跃变异是环境变化影响下水文过程发生急剧变化的一种重要表现形式,体现了水文非线性系统对外界干扰的响应.目前研究主要是对序列跳跃变异发生的时间、次数等进行识别和检验,但缺乏对其变异程度进行定量描述和分级,给开展流域环境变化研究及其影响评价带来很大困难.本文选取相关系数作为基础指标,提出了一种理论严密且便于应用的水文序列跳跃变异分级方法,并利用统计试验验证了文中方法对变异点显著性的检验精度,以及跳跃变异分级原理的合理性和分级方法的可靠性.经推导相关系数与跳跃变异相对幅度的关系,选取不同显著水平下的若干典型相关系数值作为分级阈值,将跳跃变异程度划分为无变异、弱变异、中变异、强变异、巨变异5个等级.通过应用于分析我国不同气候区的5个实测水文序列,结合物理成因分析验证了该方法的实用性.     

非一致性水文频率计算的基因途径Ⅱ:水文基因诊断系统与非一致性常规矩基因方法

非一致性水文频率分析是变化环境下工程水文计算需要解决的主要问题之一.本文从随机水文序列组成的角度,将不同时间尺度下的非一致性水文现象概化为具有遗传、变异与进化特性或规律的水文过程,据此借鉴生物基因理论提出水文基因的概念,并定义常规矩基因为水文序列的各阶原点矩和中心矩.为了识别与检验水文基因的各组成成分,创建了水文基因诊断系统.为了阐述水文基因的遗传、变异与进化原理,以P-Ⅲ分布为例详细描述了常规矩基因的构建与表达过程.以澜沧江流域允景洪站年最小1月流量序列为例,对上述基于常规矩基因的非一致性水文频率计算方法进行了可行性和实用性验证.结果表明: 该方法能以水文基因变异识别为基础,揭示非一致性水文序列的演变规律,不仅为变化环境下工程水文计算提供了新的研究途径,也能为水安全评价提供重要的参考依据.     

水文跳跃变异综合加权识别方法——以澜沧江下游戛旧水文站径流序列为例

跳跃变异是全球气候变化背景下水文过程发生剧烈变异的重要表现形式,其准确识别对认识水文过程发生的变化及开展实际水文水资源工作具有重要意义.针对目前传统方法在样本两端有时检验结果不可靠、多种方法检验结果常常不一致等问题,本文通过对常用的12种变异点检验方法对比研究,基于赋权方式提出了水文跳跃变异综合加权识别方法,并利用Monte-Carlo统计试验验证了该方法的可靠性.结果表明: 12种跳跃变异检验方法的效率受变异点前变差系数(Cv)、变异点前偏态系数(Cs)、均值变幅系数、Cv变幅系数、Cs变幅系数等因素的影响较大,但与序列均值无明显关系.以各方法的性能差异为基础,基于统计试验结果对各检验方法赋予权重.其中,滑动秩和检验法和滑动游程检验法的权重最高,RS检验法的权重最低.通过赋权方式,可以在各方法检测结果不一致时选取综合权重最大的变异点作为最终结果.将该方法应用于澜沧江下游戛旧年径流极大值(1日、3日、5日、7日、1月)序列进行分析,结果显示各个序列均在2004年发生了明显跳跃变异,且与该流域水文过程变化、水利工程建设等物理成因十分吻合,验证了该方法的合理性和可靠性.     

枯水期非一致性最低通航水位的综合历时曲线设计法

全球气候变化和频繁人类活动导致水文序列的二阶矩变异现象日益凸显,样本的“一致性”内涵发生了变化,只考虑均值一阶矩变异的非一致性水文序列分析方法不再适用于所有的非一致性问题,基于样本一致性的传统最低通航水位综合历时曲线设计方法给枯水期低水位下的船舶通航带来了更大的安全隐患,使得最低通航水位更加不能满足航运设计需求.本文运用水文变异诊断系统分别检验水文序列的均值和方差二阶矩变异,在此基础上,结合时间序列的分解合成原理,提出枯水期非一致性最低通航水位综合历时曲线设计法.并以澜沧江流域的允景洪站为计算实例,比较分析现状与过去远期、过去近期不同时期的设计水位值,以及考虑二阶矩变异、仅考虑均值变异、未考虑变异3种不同情况下的设计水位值.结果表明: 方差变异成分改变了允景洪站设计水位值的变化趋势,并且与仅考虑均值变异的设计水位值的差值低至-1.11 m,与未考虑变异的设计水位值的差值低至-1.01 m,从而揭示了方差变异对设计水位的影响以及二阶矩变异分析在航道规划设计中的重要意义.     

近50年安徽池州市降水序列的统计诊断与分析

根据安徽省池州市气象站1960~2009年的逐月降水观测资料,利用小波分析、改进R/S法、Mann—Kendall法和滑动t-检验等方法对研究区降水特征及变化规律进行分析研究.结果表明:1.池州市近50a降水呈微弱减少趋势,气候倾向率为-3.8819mm/10a.春秋两季降水呈减少趋势,趋势均不显著;夏冬两季呈增加趋势,其中冬季趋势显著.小波分析表明池州市逐季降水序列存在4~5a的振荡周期,年内降水量夏季最多,冬季最少.2.Hurst指数分析表明各月尺度降水序列均存在一定等级的正持续性/反持续性强度.年季尺度方面,只有夏季具有反持续性,分形维数较大,复杂性程度高.3.突变性检验表明研究区存在两次突变情况:秋季降水序列在1986年左右发生了突变,冬季降水序列在1999年左右发生突变.     

水文变异下的黄河流域生态流量

使用t检验和Mann-Whitney U检验对黄河干流7个水文站月均流量进行水文变异分析,探讨了水文变异成因,在此基础上,确定变异前各月月均流量序列最适概率分布函数,将概率密度最大的月平均流量定义为河道内生态流量。经与Tennant法、最小月平均流量发和逐月径流法比较,考虑水文变异的河道内生态流量计算方法是可行、合理的。水文变异后,黄河干流7水文站月均流量普遍减少,月均流量满足河道内生态流量的频率降低。研究结果表明,人类活动是黄河生态系统水环境恶化的重要原因。在流域生态管理中,确保变异后生态流量满足频率与变异前相当。研究对于理解在当前气候变化与人类活动双重影响下,干旱半干旱区流域水资源科学管理具有一定理论与现实意义。     

2000—2020年黄河流域植被生态质量变化及其对极端气候的响应

黄河流域处于我国生态保护和建设的重要战略地位,但流域生态环境脆弱,特别是在人类活动和气候变化等因素影响下,流域生态特征逐步发生变化,生态安全面临重大挑战。为了掌握极端气候变化对黄河流域植被生态特征影响,以植被生态质量指数(EQI)为评价指标,利用2000—2020年黄河流域气象数据和遥感数据,采用线性趋势分析、Hurst指数和相关分析等统计方法,分析了黄河流域植被生态质量的时空变化特征,探讨了气候变化背景下极端气温指标和极端降水指标与植被EQI变化关系。结果表明：(1)2000—2020年,黄河流域季尺度和年尺度植被生态质量指数均呈波动增加趋势(P<0.05),其中夏季增加趋势最大,平均每10年生态质量指数增加6.7;(2)2000年以来黄河流域有97.7%的地区植被生态质量指数呈上升趋势,其中趋势率>5/10a的面积占比为37.4%,且流域Hurst指数达到0.8,表明流域植被生态质量指数具有强持续性,未来大部分流域植被将持续改善。(3)流域植被生态质量指数与极端气温类指数以负相关为主,相关系数多介于-0.3—0.3之间,其中霜冻日数(FD0)和夏日日数(SU25)与植被...     

Spatio-temporal variation in vegetation net primary productivity and its relationship with climatic factors in the Shule River basin from 2001 to 2010

The study area incorporated the Shule River basin, located in northwest Gansu Province, an important water source and ecological division within the Hexi Corridor. We calculated NPP using MODIS images, meteorological data, vegetation type maps, and the improved CASA NPP model. We analyzed NPP spatio-temporal characteristics in the study area for 2001–2010 using linear trend analysis, coefficient of variation, and the Hurst index. The following general outcomes were found: NPP in the study area showed considerable regional differences. NPP gradually decreased from southeast to northwest, with significant linear longitudinal patterns. Inter-annual variability showed overall growth over the study period. Significant NPP increase occurred for 25.15% of the total study area, whereas 11.93% showed significant decrease. The Hurst index indicated that the majority of NPP changes followed the same trend, with 78.3% of the study area expected to continuously increase, and 21.7% expected to decrease in the future. There was a weak relationship between NPP and annual precipitation, but no significant relationship between NPP and annual average temperature, indicating that precipitation was the key annual influence. Temperature was the dominant climatic factor affecting NPP on a monthly scale, and precipitation and temperature annual correlations were lower than those for the monthly scale.     

浑太森林流域径流过程模拟

基于浑河与太子河上游1998-2007年北口前站和南甸峪站水文数据以及清原、新宾和本溪县气象站点同期气象数据,应用DHSVM分布式水文模型模拟浑太流域的水文过程,验证模型的科学适用性,并提供最敏感模型参数的参考值.结果表明：浑河源区月径流模拟的Nash-Suttclife系数(E值)在率定期(1998-2002年)和验证期(2003-2007年)分别达到0.9675和0.8957,较好重现了研究区的月径流过程.太子河上游流域的年、月径流模拟值的E值均大于0.6,说明模型在浑太流域有较好的适用性、率定的参数方案有良好的可靠性.本文为无站点观测资料的流域水文研究建立了一个坚实的框架,并构建了合理的参数方案.     

Spatial variation of water temperature characteristics and behavior in a Devon river system

SUMMARY. 1. The results of 5 years of continuous monitoring of river water temperatures at seventeen stations within the Exe basin, Devon, U.K., are presented and discussed.
2. Systematic spatial variation in mean annual water temperature was evident and was strongly related to the topographic variable of elevation. Deviations from this relationship reflect local influences of vegetation shading, runoff source and channel character.
3. Considerable spatial variation in temperature extremes was also apparent, and the Exe basin differs from several other British river systems in exhibiting highest peak temperatures at downstream sites on the mainstream. Discharge from Wimbleball Reservoir exerted a significant influence on annual maxima and minima.
4. A clear seasonal cycle characterized all stations and was objectively defined by second-order harmonic functions which varied in amplitude and phase across the study area. Marked spatial variability in the magnitude and timing of diurnal temperature fluctuations, in temperature duration curves and in accumulated temperatures was also recorded.
5. The implications of the spatial variation in thermal regime for the growth of brown trout was also investigated.     

三峡水库运行对长江荆南三口水文和生态的影响

基于1990—2014年荆南三口五站实测原型日流量水文序列,采用Mann-Kendall法、累积距平法检验分析其水文特征与变化趋势,并应用生态水文变化指标体系和变化范围法评估分析了三峡水库运行对荆南三口河流33项生态水文指标变化的影响.结果表明:1990—2014年,三口年平均流量呈现显著减少趋势(P<0.05),减小率为19%,拐点年份出现在2003年,2003年前荆南三口年平均流量为1981.1 m³·s^-1,2003年以后的年平均流量为1603.25m³·s^-1,前后相差377.85 m³·s^-1.1—4月的平均流量明显增加,偏离度分别为1.58、1.86、0.83、0.62 ;5月下旬至6月上旬明显增加;7、8月有较小程度的减少,偏离度分别为-0.12、-0.10;蓄水期(10月)显著减少,偏离度达-0.40.年极小值流量均有较高程度的改变,年极大值流量中仅1、3 d年均极大值流量有中等程度改变,其他年极大值流量改变程度低.低流量过程改变程度高,而高流量过程改变程度低.     

近20年辽宁省植被动态特征及其对气候变化的响应

区域归一化植被指数(NDVI)变化特征对环境容量和生态发展方向有重要指示作用。基于SPOT/VEGETATION NDVI数据和ESA CCI-LC植被分类数据，利用Theil-Sen+Mann-Kendall、变异系数、Hurst指数和相关性分析方法，对辽宁省2000—2019年不同植被类型归一化植被指数时空变化特征和气候因子之间的响应关系进行分析。结果表明：(1)NDVI均值呈现从乔木到草原逐渐降低的趋势，不同植被类型在生长季具有不同的生长习性；(2)各植被类型都呈增加趋势，结合Hurst指数和Sen趋势，辽宁省36.26%的植被将趋于改善，约有61.51%的植被将趋于退化；(3)变异系数结果表明：所有植被类型中以乔木植被最为稳定，草原型植被最不稳定。(4)辽宁省各植被类型NDVI与降水显著正相关，与气温相关性相对较低。结果可为辽宁省生态评价和碳循环研究提供植被覆盖动态参考。     

2001-2010年疏勒河流域植被净初级生产力时空变化及其与气候因子的关系

通过改进的光能利用率CASA模型估算2001-2010年间疏勒河流域陆地生态系统的净第一性生产力（NPP）,采用线性趋势分析、变异系数和Hurst指数等方法,分析了NPP的时空变化特征及其与气候因子的相关性。结果表明：①疏勒河流域NPP的空间分布具有明显差异,空间上呈现西北低、东南高的趋势,且具有较明显的经向"条带"分布特征,2001-2010年,NPP平均值为102.26 gC m^-2 a^-1。②2001-2010年,疏勒河流域NPP总体呈增长趋势,年际波动较大,NPP明显增加的区域占总面积25.15%,明显减小的区域约占11.93%。③Hurst指数分析显示,疏勒河流域NPP变化的同向特征强于反向特征,其中持续改善地区占总面积的78.3%,21.7%的区域将由改善转为退化。④在年尺度上,降水是植被NPP变化的主要影响因素,NPP与降水呈弱的正相关关系,与温度相关性不显著;在月尺度上,温度是NPP变化的主要控制因子。疏勒河流域NPP对气候因子不存在明显的时滞和累积效应。