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.     

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.     

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Hurst系数与Bartels统计量的水文变异度及其敏感性

近年来由于受全球气候变化和频繁人类活动的影响,水文序列的纯随机成分叠加了跳跃、趋势、周期、相依中的任意一种或多种变异成分,急需明确采用何种指标度量它们变异的程度.本文定义了基于Hurst系数与Bartels统计量的水文变异度以衡量其变异程度,采用蒙特卡洛统计试验方法检验并分析了它们对不同变异成分的敏感性.结果表明: 当水文序列存在跳跃、趋势变异时,Hurst变异度和Bartels变异度均能反映其变异状况,但Hurst变异度对微弱的跳跃或趋势变异更敏感;当序列存在周期变异时,仅Bartels变异度能反映序列的周期变异程度;当序列存在相依变异时,Hurst变异度和Bartels变异度均能反映其变异程度,但Bartels变异度能反映更加微弱的相依变异程度;Hurst变异度、Bartels变异度均随着4种成分变异幅度的增大而增大,说明Hurst变异度、Bartels变异度可以衡量水文序列的变异程度.以澜沧江流域各气象站气温序列为例,发现各站气温出现了向上的趋势或跳跃变异,说明整个流域近年来出现了气候变暖的现象,且上、下游气温变异度更高,体现出本文所提方法的实用性.     

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。     

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.     

水文变异下长江荆南三口河道内生态需水量变化及贡献因素

基于1951—2015年长江荆南三口5站实测原型年径流量序列,采用Mann-Kendall等方法检测其径流序列的突变年份.在此基础上,运用GEV概率密度最大流量法计算荆南三口河道内生态需水量,并从多时空尺度视角分析河道内生态需水量的时空差异及其贡献因素.结果表明: 研究期间,新江口、沙道观、康家岗、管家铺和弥陀寺水文站的第一次径流突变年份分别为1990、1959、1959、1972和1972年,并将第一次突变以前的月均流量序列作为水文变异前的水文序列.在水文变异条件下,长江荆南三口1—12月的各月生态需水量分别为69.63、26.15、55.65、452.65、2166.44、4660.83、10875.66、9966.49、7868.38、4773.60、1655.01和338.49 m³·s^-1.新江口、沙道观、康家岗、管家铺和弥陀寺5个水文站的年均生态需水量分别为901.57、507.00、221.30、1438.03和581.62 m³·s^-1.水文变异后,荆南三口满足河道内生态需水的频率大幅下降,由变异前的55%以上下降至变异后的20%以下,生态需水缺乏现象严重.影响荆南三口河道内生态需水时空变化的因素主要为不同时期水利工程、各行业用水量等人类活动.     

水文变异条件下鄱阳湖流域的生态流量

受气候变化和人类活动综合影响,鄱阳湖流域水文状况发生变异。河流生态系统适应了变异前的水文状况,变异后势必会影响当地生态系统。基于此,采用8种变异检测方法对水文变异进行综合诊断,阐明水文变异原因。在此基础上,采用15种概率分布函数分别拟合5站各月变异前日流量序列,最终确定5站点各月最优分布函数及所对应的概率密度最大处的流量,即得河道内生态流量。研究表明:(1)抚河于1962年发生弱变异,赣江、修河于1968年发生中变异,信江、饶河于1991年发生弱变异;(2)变异后,赣江、信江、饶河、修河生态需水满足率平均上升11%,抚河生态需水满足率下降32%;(3)水文变异增加提高生态需水满足率,水利工程建设降低年均生态需水满足率、提高干季生态需水满足率。高森林覆盖率提高干季生态需水满足率,对年均生态需水满足率影响不明显。研究结果为鄱阳湖流域水资源管理及区域水资源规划与配置提供重要科学依据。     

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.     

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。     

西南岩溶槽谷区隧道建设的水文生态环境效应研究进展

西南岩溶槽谷区隧道分布密集,隧道突水引发了一系列的生态环境问题。梳理了隧道建设产生的生态环境效应现状,包括:改变水资源分布格局及水文过程,诱发地质灾害,降低土地质量和引起土壤污染,影响植被生长与分布等。在隧道影响水文和水资源方面已有丰富的研究成果,而在对土壤和植被的影响研究方面缺乏统一认识。指出了未来研究的总体趋势和方向:隧道影响水资源分布格局与水文过程的水文地质模式,降水、地表水、土壤水、地下水及隧道水的转换过程与地下水流场演化机制,岩溶隧道区植被生理过程与多样性变化等。     

How to comprehensively evaluate river discharge under the influence of a dam

The dams in the upper reaches of the Yangtze River are highly concentrated. Dam construction can effectively solve water shortage problems; however, the natural hydrological regimes of rivers have changed to varying degrees under the influence of water conservancy projects. In this study, a comprehensive method is proposed to analyze the hydrological regime changes in a river impacted by a dam through the evaluation of hydrological periodicity, hydrological frequency and hydrological parameters. Hydrological periodicity is used to evaluate the time series from the vertical multiyear perspective, while hydrological frequency is used to evaluate the time series from the horizontal one-year perspective. The two parameters have complementary roles. The indicators of hydrologic alteration and environmental flow component parameters are used to analyze the changes in various hydrological factors affected by the dam. The results demonstrate that the construction of dams can change the multiyear periodicity of the flow and reduce the peak flow. As a result, downstream fish may be unable to sense the reduced floods and fail to spawn. The indicators of hydrologic alteration and environmental flow component parameters can complement each other and can be used to evaluate changes in a hydrological regime influenced by a dam. This comprehensive method can be used to analyze how the hydrological regime is affected by this dam.     

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.     

Does stream flow structure woody riparian vegetation in subtropical catchments?

The primary objective of this study was to test the relevance of hydrological classification and class differences to the characteristics of woody riparian vegetation in a subtropical landscape in Queensland, Australia. We followed classification procedures of the environmental flow framework ELOHA – Ecological Limits of Hydrologic Alteration. Riparian surveys at 44 sites distributed across five flow classes recorded 191 woody riparian species and 15, 500 individuals. There were differences among flow classes for riparian species richness, total abundance, and abundance of regenerating native trees and shrubs. There were also significant class differences in the occurrence of three common tree species, and 21 indicator species (mostly native taxa) further distinguished the vegetation characteristics of each flow class. We investigated the influence of key drivers of riparian vegetation structure (climate, depth to water table, stream‐specific power, substrate type, degree of hydrologic alteration, and land use) on riparian vegetation. Patterns were explained largely by climate, particularly annual rainfall and temperature. Strong covarying drivers (hydrology and climate) prevented us from isolating the independent influences of these drivers on riparian assemblage structure. The prevalence of species considered typically rheophytic in some flow classes implies a more substantial role for flow in these classes but needs further testing. No relationships were found between land use and riparian vegetation composition and structure. This study demonstrates the relevance of flow classification to the structure of riparian vegetation in a subtropical landscape, and the influence of covarying drivers on riparian patterns. Management of environmental flows to influence riparian vegetation assemblages would likely have most potential in sites dominated by rheophytic species where hydrological influences override other controls. In contrast, where vegetation assemblages are dominated by a diverse array of typical rainforest species, and other factors including broad‐scale climatic gradients and topographic variables have greater influence than hydrology, riparian vegetation is likely to be less responsive to environmental flow management.     

水文过程及其尺度响应

水文循环机制涉及到各个尺度界面的水文过程关系.水文变量(降雨、径流等)随时间和空间变化很大,是与尺度响应的非线性过程.尺度转换是建立合适的参数去描述这些过程, 涉及到如何穿越不同尺度约束体系(水文过程)的限制.基于对水文响应及其尺度转换认识所建立起来的现行水文模型的主流是还原分析方法,采用小尺度演绎方法,过度参数化成为习以常规,导致无资料流域预测结果的很大不确定性.因此,尺度转换是水文过程研究所面临的主要难点和热点问题.水文模型只有建立在对尺度相关的水文过程深刻理解基础上,对于预测水文响应才是有效的.预测径流在时间和空间的结果是根据径流系统穿越尺度过程的动态分析得出的,把尺度分析转变于水文变量的谱分析,即通过水文变量的谱相分析,认识发生在不同尺度范围内潜在的秩序和规律,研究他们形成的机制,寻求决定水文过程规则的通用表达方式,开发尺度转换的方法.     

鄱阳湖不同水文连通性子湖水生植被覆盖度对年际水位变化的响应

水位变化是影响水生植被生长的主控环境因子,研究其对不同水文管控模式子湖的水生植被覆盖度的影响具有重要的现实意义.本研究基于谷歌地球引擎(GEE)遥感云计算平台,以鄱阳湖自由连通子湖蚌湖、局部控制子湖大湖池为研究对象,采用像元二分法估算2000-2019年间水生植被生长期的植被覆盖度并分析其时空分异特征,运用Sen+M-...