（自然地理学专业论文）基于dclddcrt法年径流时间序列特征研究.pdf

福建师范大学于延胜硕士学位论文 摘要 水是承载人类社会生存和发展不可或缺的自然资源。只有充分了解河川径流 的变化特征及其规律，才能合理地利用水资源和有效地管理水资源，才能更加有 效地解决与水资源有关的问题。 径流变化的非线性和不确定性，是水文研究的难点所在。线性分解时间序列 方法是研究非线性和不确定性的有效工具，可以用于揭示年径流序列变化的趋势、 跳跃和周期特征，但已有的研究，很少涉及序列长度对径流线性分解结果的影响， 以及序列长度合理的确定等问题。 本论文分别以我国东南的闽江流域竹歧站和东北的松花江流域白山水库两区 域近7 0 年的径流序列为研究对象，研究了序列长度对径流线性分解结果的影响； 提出了差积曲线一线性分解( d c l d ) 法并用于探讨丰枯变化过程下的径流特征；提 出了径流变异点识别差积曲线一秩检验联合( d c r t ) 法。结果表明：序列长度对径流 线性分解结果的影响显著，d c l d 法可以较好地分析丰枯年际变化过程下径流时间 序列特征，且闽江流域径流有显著的趋势和跳跃特征，以2 2 年为主周期，白山水 库在三个丰枯变化时间尺度内的径流特征相似，都有显著的趋势和跳跃特征，以 准7 年为周期，d c r t 法识别闽江竹岐站年径流序列的变异点在1 9 5 4 年，该识别法 相对简单、方便且比较直观。 关键词：径流特征，时间序列，d c l d 法，d c r t 法 福建师范大学于延胜硕士学位论文 中文文摘 径流是地球表面水循环过程中的重要环节，也是水资源的主要来源，影响着人 类的生产和生活。全面掌握径流多年的变化状况和长期演化规律，可以为社会经济 发展所面临的水资源安全和生态环境保护等问题提供理论指导与应用基础，因此， 研究径流特征和变化规律有十分重要的意义。 由于受到自然因素和人类活动的影响，径流表现出复杂性、不确定性和非线性 特征，径流特征是水文研究中的难点问题之一。线性分解时间序列方法是研究复杂 性、不确定性和非线性问题的重要方法之一，它可以揭示出时间序列趋势、跳跃和 周期等特征而被广泛应用在降雨、径流等水文时间序列中。 目前，线性分解时间序列方法主要应用于径流时间序列特征分析、径流时间序 列的预测以及趋势、跳跃和周期等判别方法的探讨等三个方面。但是，已有的研究 主要是基于已有的或可以搜集得到的水文序列长度进行分析，序列长度对径流线性 分解结果的影响尚不清楚，这是其一。其二，虽然分析径流趋势、跳跃和周期等特 征有比较多的方法，但还比较复杂，比较简单、方便的新方法应用于径流特征分析 还有待进一步研究。 因此，本论文分别以我国东南地区闽江流域竹歧站和东北地区松花江流域白山 水库两区域近7 0 年的径流序列为研究对象，应用d c l d 方法，分别就径流序列长度 的选取对其线性分解的影响、丰枯变化过程的径流特征和径流变异点的识别方法进 行了探讨，主要结论如下： ( 1 ) 序列长度对径流线性分解的影响分析 选取了闽江流域下游竹歧站年径流( 1 9 3 6 - - - 2 0 0 4 年) 和松花江流域上游白山水库 入库径流序列( 1 9 3 3 - 2 0 0 0 年) 的近7 0 年径流序列作为研究对象，首先以4 0 年左右 的序列长度为基准，然后每次依次增加5 年，从而构成6 种不同的时间序列，并对 各种序列进行线性分解。其次，对各种不同序列长度线性分解的结果进行对比分析， 结果表明序列长度对径流线性分解的结果影响显著。 ( 2 ) 丰枯变化过程下径流特征分析的d c l d 法 由于序列长度对径流线性分解结果有一定的影响，指出可以根据径流变化的时 间尺度来分析径流特征。因此，选择径流年际变化的丰枯变化过程作为时间尺度， 并利用差积曲线来划分径流的丰枯变化过程，通过划分得出闽江流域近7 0 年存在一 h i 福建师范大学于延胜硕士学位论文 个丰平枯变化过程，白山水库在近7 0 年经历了三个丰枯变化。在此基础上，利用线 性分解时间序列方法对各个丰枯过程径流特征进行分析，闽江流域有趋势、跳跃和 周期特征和白山水库在三个丰枯变化过程都有趋势、跳跃和周期特征的规律，并从 自然条件和人类活动等方面分析了出现趋势、跳跃和周期特征的物理成因。 ( 3 ) 径流变异点识别的d c r t 法 针对现有变异识别方法不能快速、直观地识别等问题，论文提出了d c r t 法， 也即差积曲线一秩检验联合识别法，并将该方法应用于闽江流域竹歧站年径流序列 ( 1 9 3 6 2 0 0 4 年) 分析，得出该序列的变异点是1 9 5 4 年，且采用有序聚类法和滑法丁 法进行佐证，以及序列发生变异前后序列的均值和c v 值进行比较，表明该方法可 信，结果合理。闽江流域竹岐站径流序列在1 9 5 4 年发生变异的物理成因主要是由于 气候条件变化引起的，而人类活动导致的森林等条件的变化有一定的影响。 i v 福建师范大学于延胜硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e ri st h ei n d i s p e n s a b l en a t u r a lr e s o l u t ef o rt h es u r v i v ea n dd e v e l o p m e n to ft h e h u m a n i ti si m p o r t a n tf o rt h er e a s o n a b l ed e v e l o p m e n ta n de f f e c t i v ea d m i n i s t r a t eo fw a t e r r e s o u r c et ou n d e r s t a n dt h ev a r i a t i o no f a n n u a lr u n o 危 i ti sq u i t ed i f f i c u l ti nt h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fr u n o f fb e c a u s eo fi t s n o n l i n e a ra n du n c e r t a i nf e a t u r e t h el i n e a rd e c o m p o s i t i o no f t i m es e r i e si st h eu s e f u l t o o lw h i c hc a nd i s t i n g u i s ht h et r e n d ，j 唧i i 培a n dc y c l ec h a r a c t e r i s t i c s b u th o wt h e s e q u e n c el e n g t ha f f e c t st h er e s u l t so f t h el i n e a rd e c o m p o s i t i o no ft h er u n o f fa n dw h a ti s t h er e a s o n a b l es e q u e n c el e n g t hh a v es t i l ln o tb e e nw e l ls t u d i e d t h ea b o u t7 0y e a r sa n n u a lr u n o f fd a t ao fz h u q i g a u g es t a t i o ni nt h em i n j i a n gr i v e r o fs o u t h e a s tc h i n aa n db a i s h a nr e s e r v o i rg a u g es t a t i o ni nt h es o n g h u a ji a n gr i v e rb a s i n o fn o r t h e a s tc h i n ah a v eb e e nu s e d t h ee f f e c to f s e q u e n c el e n g t ho nt h el i n e a r d e c o m p o s i t i o no fr u n o f fs e r i e sh a sb e e na n a l y z e d t h em e t h o dn a m e da sd i f f e r e n c e c u r v e - l i n e a rd e c o m p o s i t i o n ( d c l d ) h a sb e e n p r o p o s e da n db e e nu s e dt ot h ea n a l y s i so f t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr u n o f fd u r i n gt h ep r o c e s so fl o wa n d h i g hr u n o f f t h em e t h o do f d i f f e r e n c ec h i v e r a n kt e s t ( d c r t ) h a sa l s ob e e n p r o p o s e dt oi d e n t i f yt h ec h a n g ep o i n t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es e q u e n c el e n g t ha f f e c t st h el i n e a rd e c o m p o s i t i o nr e s u l t so ft h e r u n o f fs i g n i f i c a n t l y ；t h ed c l dm e t h o dc a nb eu s e dt oa n a l y z et h er u n o f fc h a r a c t e r i s t i c sb a s e do nt h el o wa n dh i g hc h a n g eo fa n n u a lr u n o f ft i m es e r i e sa n d t h e r e w e r e m a r k e d l ys h i f tt r e n d ，j u m pc h a n g ea n dp e r i o d sd u r i n gt h et i m es c a l ei nn m o f fo ft h e m i n g j i a n g 小e r , s ow e r et h es t t e a m f l o wo fb a i s h a nr e s e r v o i rd u r i n gt h r e et i m es c a l e s ； 19 5 4i st h ec h a n g ep o i n ti nt h er u n o f fs e r i e sa tt h em i n j i a n gr i v e rb a s i nb yu s i n gt h e d c r tm e t h o d ，t h em e t h o dw o r k sw e l la n di ss i m p l e ri nf o r m u l aa n de a s i e ri no p e r a t i o n k e y w o r d s ：r u n o f f c h a r a c t e r i s t i c ，t i m es e r i e s ，d c l dm e t h o d ，d c r tm e t h o d ； h 福建师范大学于延胜硕士学位论文 福建师范大学学位论文使用授权声明 本人( 姓名) 壬延睦学号2 q q 鱼q 堕曼专业自然地理所呈交的论文 ( 论文题目：基王旦丛生尘g 盟洼生焦逋盟间庄到挂延的硒究) 是我 本人在导师指导下，独立进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除论文中已特别标明引用和致谢的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究工作做出贡献的 个人或集体，均已在论文中作了明确说明并表示谢意，由此产生的一切 法律结果均由本人承担。 本人完全了解福建师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 福建师范大学有权保留学位论文( 含纸质版和电子版) ，并允许论文被 查阅和借阅；本人授权福建师范大学可以将本学位论文的全部或部分内 容采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，并按国家 有关规定，向有关部门或机构( 如国家图书馆、中国科学技术信息研究 所等) 送交学位论文( 含纸质版和电子版) 。 ( 保密的学位论文在解密后亦遵守本声明) 学位论文作者签名：乇趁陋指导教师 签字日期：况嘭车月易。e l 签字日期 绪论 绪论 1 研究背景 水不仅是生命之源，而且是人类赖以生存、不可替代的自然资源，同时也是维 持地球生态平衡、决定环境质量状况最重要的自然要素之一，是工农业生产，人类 生活的重要保障。然而地球可利用的地表淡水量仅有1 0 0 万亿m 3 ，其中河流水是生 产、生活最主要的来源之一，可用的水资源的总量十分有限，且随着人类社会的发 展，人们对水的需求越来越大，因此，人水不可调和的矛盾日益突出。为了保护有 限的水资源，1 9 9 3 年第4 7 届联合国大会通过一项决议，将每年的3 月2 2 日定为“世 界水日”，旨在使全世晃都来关心并解决淡水资源短缺这一日益严重的问题。在 2 0 0 7 年“世界水日大会指出，世界面临着严重的水资源问题和河流正面临着严重 于涸的危险，如湄公河、萨尔温江、长江等，都表明今后水资源所面临的严峻考验 【1 1 。我国的地表淡水量只有2 8 1 2 4 亿m 3 ，河川径流量2 7 1 1 5 亿m 3 ，现今我国有三 条河流水资源受到严重的破坏，进入2 1 世纪，我国面临着人口数量剧增、地下水盲 目开采，污染严重等更为严峻的水资源问题，更说明今后我国水资源将是更加匮乏 团。事实上，河川径流是水资源最主要的来源，因此对河川径流的研究是解决水资 源短缺的有效途径。通过对径流规律和特征的研究，可以对径流进行预测，这为水 资源评价、合理开发利用、管理和保护提供依据，从而为解决严峻的水资源问题提 供参考。 由于径流受气温、降雨和蒸发等水文过程和人类活动的影响，径流表现出复杂 性、不确定性和非线性的特征，因此对河川径流的研究成为水文系统研究一个难点 问题 3 1 。目前，针对降雨、径流等水文系统这样复杂特征，学者指出水文系统非线 性、貌似随机却并非随机的特征，或者说水文系统即有确定成分又有随机成分，因 而使传统的建立在统计分析基础上的确定性数学模型对这些系统模拟的准确性比较 差，且得出结论可信性比较低，因此，用不同的方法探讨径流特征和规律一直是水 文研究的热点1 4 。线性分解时间序列分析方法是研究复杂性、不确定性和非线性问 题的重要方法之一【5 】，它可以揭示出时间序列趋势、跳跃和周期等特征而被广泛应 用在降雨、径流等水文时间序列中。 福建师范大学于延胜硕士学位论文 2 国内外研究进展 2 1 线性分解时间序列方法的研究进展 时间序列是将某一个指标在不同时间上的不同数值：按照时间的先后顺序排列 而成的数列。从时间序列理论发展而言，时间序列分析起源于1 9 2 7 年，数学家r u l e 提出建立自回归( a r ) 模型来预测市场变化规律。1 9 3 1 年，数学家w a l k e r 在a r 模型的 基础上，建立了滑动平均( m a ) 模型和自回归、滑动平均( a r _ m a ) 混合模型，初步奠定 了时间序列分析方法的基础。然而，随着数学不断发展，发现了时间序列也并不是 完成随机，正如爱因斯坦所言“上帝不会玩骰子 ，至2 0 世纪六十年代，线性分解 时间序列模型开始发展。7 0 年代以后，随着信号处理技术的发展，比如，小波理论 的研列6 1 ，时间序列分析方法不仅在理论上更趋完善，而且在参数估计算法、定阶 方法及建模过程等方面都得到了许多改进，逐渐成为分析数据序列不可缺少的有效 工具之一。 在水文学中，时间序列分析方法是研究水文问题的有效工具。就随机时间序列方 法而言，f _ a w a r da g u d o 7 1 模拟了尼罗河81 2 年的径流量，模拟结果较好。s s o l t a n i 8 】 对伊朗2 8 个主要城市的年降雨量进行模拟、预测并分析了降雨的空间变化机制， m n o u h t g 对沙特阿拉伯、也门和阿曼等7 个中东国家的干涸河道的径流模拟。在国内， 丁晶、邓育仁【5 】系统地综合了随机水文学领域的基本理论、方法及研究成果，随机 分析的方法被广泛用于水文预报、水文计算、水文风险分析及各种水文随机模型之 中。 就线性分解时间序列方法而言，s h e n gy u e e ta l 1 0 1 对摩纳哥蒙特卡洛降雨量进行 了趋势分析。k i m p e li c h i y a n g le ta l t l l j 分析尼泊尔全国多个站点的降雨序列，得出无 趋势变化的特点。y a h l u o 1 2 】对北江1 7 个站的降雨序列进行趋势分析，并侧重探讨了 该区降雨的空间变化与时间变化之间的联系。y u e 1 3 】进一步从显著性、趋势大小与 检验值之间的关系等方面证明m a n n - k e n d a l l 和s p e a r m a n 两种方法都可以进行趋势分 析，r a g a b re ta l 1 4 】对地中海地区径流量时间序列的分析为该区的水资源规划提供了 保证。z x x ue ta l ”】用该法对太平洋地区友谊河的降雨量进行了分析并指出与厄尔 尼诺和南方涛动的关系。e v a n s c de ta l 1 6 】通过小波分析法对欧洲5 6 个监测站的地表 水进行了趋势分析。在国内，朱颖元【1 7 _ 1 8 1 用线性方法分别分析晋江洪水流量特征和 福州市区近百年降雨特征。陈升【1 9 1 分析了黄浦江潮位趋势牲征。宋萌勃【2 们等探讨了 水文时间序列的趋势分析的m k 和游程检验法。王文圣【2 1 】等则综合分析了非参数统 2 绪 论 计方法在水文中的应用及发展前景。水文时间序列的周期分析是水文分析的难点， 目前的研究更多地关注着周期问题。如王栋等圈专门研究了水文时间序列隐含周期 问题。刘忠阳等【2 3 】探讨了郑州市近5 4 年来降水变化的周期性问题。付洁廉口】通过对 趋势成分分离然后利用最大熵法进行周期分析。陈元芳等【2 5 】根据甘肃河西区出山口 水文站最新径流资料，采用简单分波法对该区年径流序列的周期成分进行识别和拟 合，发现甘肃河西区1 个出山口站中仅有3 个站的年径流存在周期，有近一半的站点 年径流存在显著的趋势特征，且多数有下降趋势。覃基爱等【2 6 】对长江宜昌站的径流 用先提取趋势项和先提取跳跃项两种不同的方法发现在该径流趋势与跳跃不共存的 特征，并分析存在1 5 年周期的物理成因。左其亭【2 7 】等对水文时间序列周期项模型公 式进行了改进，分别是趋势周期叠加模型、压缩振幅周期叠加模型和逆扒优势周期 叠加模型。桑燕芳 2 8 】更进一步地提出了识别周期的新思路，并在此思路的基础上提 出了两种新方法，分别是延长序列法和构建主频序列法。由于小波理论对周期的引 入信号处理技术，能较好地进行分析序列的周期特征，i n g e l j e n g h m d ee ta l t 2 9 谰小 波分析了比利时在多时间尺度下降雨的特点，衡彤等【3 0 】分析了降雨量时间序列变化 的小波特征，张少文等瞰】用小波多时间尺度分析了黄河年径流超长期变化特征，姜 世中等 3 2 1 用小波对黄河上游高寒地区径流进行分析。孙然好【3 3 1 用小波对河西走廊年 5 0 年来地表水资源分析。胡安焱等 3 4 贝i j 讨论了汉江年径流量的小波多时间尺度分析。 王文圣等【3 5 】用小波分析识别周期成分中的突变特征。李荣峰，胡春歧和陈仁升等【3 6 3 8 】 对水文时间序列方法进行总结并对未来进行了展望，指出以小波方法的时间序列是 今后发展的趋势。 除之外，一些学者利用线性分解时间序列进行水文预测并对预测结果进行分析 比较。如，邹仁爱【3 9 】等则用s p e a 衄a n 检验法对雷主州半岛年降水量进行趋势分析， 然后用几种不同的随机方法进行预测，得出线性分解时间序列方法进行预测结果较 好。王文【4 0 】探讨了序列长度对预报精度的影响，得出如果序列越长，那么预报精度 越高。黄显峰等【4 i 】利用某水库3 6 年的降雨时间序列数据，先利用前3 1 年样本建模， 然后预测了5 年的降雨呈，再与实测值对比，结果表明该模型的预测效果较好。徐海 量等 4 2 - 4 3 用它分析了塔里木河流域水资源变化趋势和周期特征，并预测未来的发展 趋势。赵之同等以潇河源涡大坝的年最大洪峰流量水文资料为基础，通过方差分 析识别周期，应用随机周期均值迭加法原理建立预测模型来预测最大洪峰流量。张 文胜等【4 5 j 讨论了水文要素中长期预报问题，指出应用反馈模拟校正技术对预报结果 福建师范大学于延胜硕士学位论文 作出实时校正，从预报结果可以看出所建模型具有较好的适应性和预报精度。冯忠 武等【4 研用方差分析计算周期来作年降雨量的预报。马富明f 4 刀等在收集晋江流域石碧 水文站最新年径流资料的基础上，利用一些较新方法进行了较为全面深入的分析自 相关性、长持续性、趋势性及周期性等，在此基础上建立了晋江流域年径流长期统 计预测模型。李崇浩等汹1 在周期迭加预报模型中通过用方差分析方法舍弃时间序列 的最终残余系列的方法，提出了最终余波概念及相应的分析方法，并用最终余波实 现了信息挖掘，研究结果证明，改进后的模型可以提高径流时间序列的预报精度。 上述研究可以发现，线性分解时间序列方法在水文学有广泛的应用，且通过不 同的方法来探讨水文特征，并用不同的预测方法进行比较研究，以确定何种方法更 适合水文时间序列分析。 2 2 径流时间序列特征的研究进展 径流是水文中变化最为复杂的水情要素，也是水资源的主要来源之一，径流特 征对水资源长期规划、管理和利用都有十分重要的指导作用，因此对径流特征的研 究有十分重要的意义。莫淑红等【4 9 】用高阶统计量法分析渭河、清姜河4 5 年月径流时 间序列，揭示了径流时间序列数据结构具有非线性的特征。凡炳文等【5 0 】利用有序聚 类和非参数检验法对洮河流域干流近5 0 年径流序列进行了分析，揭示了径流有下降 的趋势，并通过一致性还原修正，得出该区域的地表水资源应为4 5 8 6 亿。k h a l e d h h a m e d 5 1 】选取了全球5 7 个地方的年径流进行了趋势分析，其中不同站的年径流序列 长度不相同，最长的有1 7 9 年，最短的有4 4 年，不过总体上而言，序列长度都比较长， 平均有8 0 年左右，然后通过与前期的分析结果比较，得出径流的趋势比前期得出趋 势要弱。d o n a l d h 【5 2 】等分析了加拿大2 4 8 个集水区4 8 年的序列长度下水文的趋势特 征，并揭示了其趋势变化的原因与气候的自然变化有关。叶柏生等【5 3 】分析了东亚地 区8 条主要河流径流近1 0 0 年来的变化状况，指出了1 8 7 0 年来发源于我国境内的东亚 南部河流径流均呈下降趋势，东亚南部河流则从1 9 3 0 年以来表现为减少的趋势，以 西伯利亚3 条大河为例的北部河流则从1 9 3 0 年以来表现为增加趋势，但年际变化存在 着较大差异，文中指出我国长江流域下游大通站由于中下游地区9 0 年代降水增加表 现为增加趋势。王生雄等【5 4 】用m a n n - k e n d a ll 秩次相关法和中值检验法分析了渭河径 流序列近4 5 年来趋势和突变特征。王钧等【5 5 】分别用6 2 年和4 7 年的序列长度，分析了 黑河流域不同支流的径流特征，并利用小波进行了周期特征分析。王国亚等【5 6 j 分析 了阿克苏河近5 0 年来的径流特征，并指出径流趋势的变化与冰川变化有密切联系。 4 绪论 尤卫红等【5 7 】分析了怒江跨境径流近5 0 年的年际变化特征，指出该区径流年际变化受 该区纵向岭谷区西南季风环流活动影响这一特点。王文圣等【5 9 】则分析了长江上游主 要河流径流的趋势、周期、持续性以及丰枯变化等特征。韩添丁【5 9 】和刘昌明等【6 0 】采 用4 0 年的序列长度分别分析了黄河流域上游和干流断流时的径流特征。曹建廷【6 l 】利 用长江源区4 5 年径流序列分析了该区的径流特征，并分析了径流特征的物理成因， 时兴合【6 2 坝0 进一步分析了该区域河川径流的季节变化、年代际变化和突变等特征： 指出近5 0 年来长江源区月平均最大、最小和雨季、年及年较差流量均呈减小的趋势。 郭希望等【6 3 】分析了三峡工程的建设对径流特征的影响，指出宜昌站径流序列近2 0 年 有减少的现象。丁艳峰等脚】对探讨了黄河入海径流近5 0 年的变化特征，并指出流域 取水量的增加是造成入海径流量逐阶段减少和断流严重性增强的主要原因。蔺学东 等【6 5 j 分析了拉萨河流域3 个主要站点近5 0 年来径流序列年内、年际的趋势变化，指出 径流年际变化波动较大，1 9 7 0 年前后径流发生了较大的突变，呈现出明显的增加趋势， 尤以近2 0 年来的趋势最大；月均径流的年际变化中，冬半年的1 1 月次年4 月和夏半 年的5 、7 、9 月有增加趋势。张建云阁则利用近5 0 年的序列长度对全国六大流域的径 流趋势特征进行的研究，指出近5 0 年来中国六大江的径流均呈下降趋势，其中海河， 黄河，辽河和松花江径流下降明显，王金星7 】进一步对全国六大流域近5 0 年来径流序 列的年内变化趋势进行了探讨，揭示出南方流域各站冬春季( 1 2 月一次年3 月) 的径流 均呈现增加的趋势，北方流域各站冬春季( i - 5 月) 径流呈现减少的趋势。上述研究主 要是基于已有的或可搜集到的径流序列长度来探讨径流的趋势、跳跃或者周期特征， 但当取不同的序列长度对线性分解方法得出的径流特征是否有影响? 影响会有多大? 这些问题尚没有得到足够的重视。 2 3 时间尺度研究进展 尺度是一个许多学科常用的概念，皆在考察事物特征变化的时间和空间范 围。通常自然现象的发生都有其固有的尺度范围。尺度首先在生态学中被提出 【6 引，进而被用在水文学中。 水文尺度在2 0 世纪9 0 年代被正式提出后，一直备受关注【6 9 1 。国际水文会议多次 探讨水文尺度问题，特别是2 1 、2 2 届l u g g 和i a h s 会议，更将水文尺度作为专题进行 探讨【7 0 , 7 1 】。针对水文变量及参数的空间变异性带来的水文学“尺度问题 ，早在1 9 8 6 年，水文学者在s c a l e s i nh y d r o l o g y 一书中就已经讨论和研究过，f a m i g l i e t i 和w o o d 也在美国水资源研究杂志上发表了“空间变异的水与能量平衡过程中的 5 福建师范大学于延胜硕士学位论文 多尺度模拟”论文【7 2 】。最近1 0 年，国内外的水文学者大声疾呼水文尺度分析的重要 性。强调今后主要的研究问题与方向之一就是尺度及尺度转换等问题。 水文学研究范围广泛，小到水质点，大到全球水循环变化，即水文学涉及到各 种尺度的对象。水文现象随空间和时间而变化，必然涉及空间和时间尺度，因此， 将水文尺度分空间尺度和时间尺度。就空间尺度而言，主要研究在大、中和小尺度 下的区域水文特征。就时间尺度而言，主要研究基于日、月和年等不同尺度下水文 规律及其变化状况。赵文武则将其划分为时空尺度、组织尺度和功能尺度【7 3 1 。s t e n 7 4 1 和b l o s e h l 7 5 】将水文尺度分为过程尺度、观测尺度和模拟尺度，水文过程特征时间尺 度又可分为完整过程、周期过程和相关长度。上述主要在于探讨尺度的分类。b e c h e r a 7 6 】等论述了空间尺度。刘国纬【7 7 7 8 】对中国大陆尺度和流域与区域尺度的水文循环大 气过程做了系统研究，首次确切地计算了我国境内的水汽通量。刘新仁【7 9 】在新安江 模型的基础上，建立了多重尺度系列化的水文模型，并在淮河流域上对模型参数的 地区化规律进行了研究。夏军【8 0 】分别从宏观、中观和微观尺度三方面探讨了水文尺 度，重在指出水文尺度研究的重要性。李长兴【8 l 】提出要从概念性和物理性、确定性 与随机性相结合的方法进行尺度分析。李双成【3 2 】讨论了尺度转换所存在的问题以及 当前尺度分析要解决的问题。刘贤赵【8 3 】指出利用现代科学技术探讨不同尺度的水循 环物理过程有十分重要的意义。丁晶【8 4 】认为由于人口增多、人类活动导致环境的变 化以及水文变化的时空差异性等原因导致了水文尺度研究的重要性，并指出今后用 分形理论、小波理论和混沌理论来分析水文尺度是一大趋势。上述研究着重探讨了 空间尺度及其转换，较少涉及时间尺度。 时间尺度是指系统的变化具有一定的周期性。在水文学中，由于受地球自转、 月球引力作用、地球公转和地理环境的演变等因素影响，降雨和径流等水文现象表 现出一定周期特征，因此，将水文时间尺度划分为日、月、年和世纪等【8 0 1 。丁剐8 5 - 8 6 】等探讨了基于日时间尺度的径流特征，李眉眉【8 7 】则将年时间尺度转化月时间尺 度，并探讨其径流特征。上述研究主要基于常规时间尺度的探讨。随着科技的发展， 用新的理论和方法来研究时间尺度是当前水文学发展的趋势 8 引，m a t h e v e t 等【8 9 】利用 小波分析法国s e m i l o z 地区日径流多时间尺度，指出有3 2 日，1 2 8 日，2 5 6 日和5 1 2 日等多时间尺度的特征，王文圣嘲等则利用小波分析长江流域宜昌站年径流的多时 间尺度，指出该区径流有1 5 年，8 年和3 年等多时间尺度特征。实际上，降雨、径 流等水文现象也存在着丰水、平水和枯水的变化过程，该变化过程可能会体现水文 6 绪论 过程的某种周期性。但尚未有研究将丰枯变化过程作为水文的时间尺度，并探讨其 变化特征。 2 4 变异点方法研究进展 由于自然条件剧烈变化和人类活动影响引起的流域水文序列规律的变化，使水 文序列发生变异 9 0 - 9 1 1 ，表现为从一种状态变化过渡到另一种状态，通常把两状态突 变的点称作变异点。变异点识别是当前水文统计分析的热点问题之一，它直接影响 着水文特征分析、模拟和预测以及水文序列的时空变化规律，从而影响水资源管理、 有效利用和水环境治理等问题的决策。因此，变异点识别有非常重要的理论与现实 意义。目前，变异点的识别方法很多，如，l e e 和h e g h i n i a n 9 2 】提出了基于贝叶斯理 论的识别方法，p e t t i t t 【9 3 】提出了m a n n w h i t n e y 非参数检验方法，丁晶等【9 4 】提出了有 序聚类分析法，张一弛等p 习研究了b r o w n - f o r s y t h e 检验法，王孝礼【9 6 1 介绍了r s 法， 夏军【9 7 】提出了信息熵法，曹杰等9 8 1 提出了线性函数法，金良菊嗍提出了遗传算法， 谢平【l 唧则提出了综合诊断变异点法。除了上述方法，还有滑动f 检验法、滑动丁 检验法和m a n n k e n d a l l 检验法，文献 1 0 1 】则对上述方法的优缺点进行了比较分析， 指出秩和检验效果最优，b r o w n - f o r s y t h e 法、贝叶斯法、有序聚类法、滑动r 法次 之，m a n n - k e n d a l l 法、滑动f 再次之、信息二分割法和r s 检验最差。上述的研究 中，变异点识别各种方法都运用了大量的统计公式、方法比较复杂、假设过多且不 能快速、直观地识别。 2 5 主要问题的提出 通过国内外的研究进展可以得出，对于径流时间序列而言，线性分解时间序列 方法可以应用于径流时间序列特征分析、径流时间序列的模拟和预测以及趋势、跳 跃和周期等判别方法的探讨三个方面的研究：( 1 ) 径流时间序列特征分析。由于径流 的变化有确定成分和随机成分，确定成分又由趋势、跳跃和周期等特征组成，通过 对趋势、跳跃和周期等特征的研究，一方面，可以得出径流多年的变化特征，另一 方面，通过对趋势、跳跃和周期等确定成分的提取出可以更好地分析随机成分；( 2 ) 径 流时间序列的模拟和预测。由于线性时间序列方法可以分割确定成分和随机成分， 确定成分提取出的各个特征有其确定的参数和公式，可以利用其公式预测其未来的 变化状况；对于随机成分而言，由于变化的不确定性，只能通过随机模型反复多次 模拟以确定其结果，再根据较好的模拟结果模型预测其变化状况，再将两者迭加， 就可以预测径流未来的变化状况；( 3 ) 趋势、跳跃和周期等判别方法的探讨。由于统 7 福建师范大学于延胜硕士学位论文 计方法很多，各种特征可以用不同的方法进行分析，比如，趋势特征可以用 m a n n k e n d a l l 检验法，s p e a r m a n 检验法，还可以用线性回归方法等。又由于计算科 学的发展，可以处理大量复杂的运算，因此，会有更多、更好的方法来研究径流特 征。 线性时间序列分解方法不仅可以揭示径流时间序列特征，而且还可以预测径流 未来的变化状况，但是，线性时间序列分解方法还存在一些方面值得研究：( 1 ) 序列 长度问题。序列长度对径流线性分解的结果是否有影响? 已有的研究主要是基于现 有的水文序列长度，这一序列长度对有关的计算成果是否有影响? 影响会有多大? 这些问题尚没有得到足够的重视。如果序列长度对径流线性分解的结果有影响，那 么合理的序列长度又该如何选择? 因为径流特征随时间内变化会有一定的规律性， 所以寻找合理的序列长度可能会体现出径流变化规律性。( 2 ) 趋势、跳跃和周期等判 别方法的探讨。虽然分析径流趋势、跳跃和周期等特征有比较多的方法，但有一些 方法比较复杂，因此，可以试图探索比较简单、方便的方法应用于径流特征分析中。 综上所述，线性分解时间序列方法虽然能揭示出现有序列的径流时间序列特征， 但鲜有根据已有的或可搜集到的序列长度资料按不同长度对线性分解结果影响进行 分析，而且探讨以丰枯变化过程作为时间尺度来探讨径流时间序列特征也尚未见报。 3 研究内容、意义和技术路线 3 1 。研究内容 论文的主要内容包括以下几个部分： ( 1 ) 序列长度对径流线性分解结果的影响 从已有的研究得出，由于径流受到自然因素和人类活动的影响，径流时间序列 表现出复杂性、不确定性和非线性的特征，且采用序列长度可能主要基于研究区域 已有或可能获取的资料，但序列长度对径流线性分解所得的趋势、跳跃和周期等特 征的影响很少涉及。见于上述问题，论文将展开以下几方面的研究。 由于时间序列分析要有一定的序列长度作保证。如果要进一步分析序列长度 的影响，那么就必须要选择比较长的时间序列( 拟用7 0 年左右的序列资料) ，同时， 一个时间序列可能不足以证明存在的问题，因此，本论文拟用两个时间序列，且根 据自然地理环境的变化，选取了我国东南沿海闽江流域竹岐站和东北地区松花江流 域白山水库一南一北两个站点的径流序列。 以4 0 年左右的序列长度为基准，将两个时间序列按一定的时间间隔进行划 8 绪论 分，本论文以每次依次增加5 年，从而构成6 种不同时间序列。 根据划分的时间序列，然后对各种序列进行线性分解，分析其结果的变化， 并对各种序列长度线性分解的结果进行对比分析。 最后通过对比分析的结果进行讨论，证明不同序列长度对径流线性分解结果 存在一定的影响。 ( 2 ) 基于d c l d 法径流时间序列特征 在水文中，由于受地球自转、月球引力作用、地球公转和地理环境演变等因素 的影响，降雨和径流等水文现象表现出以日、月、年和世纪为周期，除之外，径流 存在丰枯变化特征，也体现出一定周期性，本论文拟将丰枯变化过程作为时间尺度， 并探讨其时间尺度下的径流时间序列特征。因此，论文就这一问题开展了以下几个 方面的研究。 简述d c l d 法的原理，并阐述其方法的操作步骤。 根据上述方法，根据差积曲线对两个区域的时间序列进行丰枯变化过程的划 分，并将其划分的结果作为径流的一种时间尺度。 根据划分的时间尺度，再利用线性分解时间序列方法对各个时间尺度的进行 计算，得出两地的径流特征，再分析两地都有趋势、跳跃和周期特征，且从该区的 自然条件和人类活动等方面分析了出现趋势、跳跃和周期特征的物理成因。在此基 础之上，找出这些特征的规律性。 探讨d c l d 法运用在径流时间序列分析中的优势。 ( 3 ) 径流变异识别方法的探讨 变异点的识别方法很多，但这些方法都运用了大量的统计公式、方法比较复杂、 假设过多且不能快速、直观地识别。针对这些不足，论文探讨了d c r t 法，即差积 曲线一秩检验联合识别法，其主要研究内容如下。 首先简述d c r t 法的原理，再对识别步骤进行简要地介绍。 运用上述方法，以闽江流域竹岐站的径流序列为例进行分析，得出该区年径 流序列的变异点。为了证明该可信，再用有序聚类法和滑法r 法进行验证进一步证 明该方法可信。 分析该区域径流变异点前后序列的基本统计特征，如对变异点前后序列的均 值、f y 等进行对比分析，研究其变异点前后的变化是否是显著的，从而证明新方法 识别变异点的合理性。 9 福建师范大学于延胜硕士学位论文 探讨径流变异点的物理成因。径流过程发生变异与气候变化等自然条件和人 类活动两大因素有紧密的联系。因此，本论文从气候气象、土地利用与覆被变化和 水利水电工程三方面探讨闽江域径流序列的变异成因。就气候变化和土地利用与覆 被变化而言，由于闽江流域的控制面积占全省的一半以上，因此，可以通过已有对 全省气候气象和土地利用与覆被变化的研究成果，来分析这些因子对该流域径流变 异的影响；就水利水电工程方面，统计各个水利工程的建成时间、建立位置、控制 的流域面积等要素，并分析其对径流变异的影响。 3 2 研究意义 随着人类对大自然干预能力的加强及全球气候的变化，流域水循环演变十分显 著。一方面全球气候变化改变了原有的气温、降水等与水循环密切相关的气候因子； 另一方面人类活动不仅改变了流域地表状况，影响了蒸发、入渗、产流、汇流特性， 而且由于人类大规模的开发利用水资源，进一步使河川径流受到了严重的破坏。再 着河川径流量作为水循环的重要环节，其年内、年际分配过程和长期演化规律是水 资源综合开发利用、科学管理、优化调度最重要的依据。因此，研究径流特征和变 化规律有十分重要的意义。 本文以东南沿海的闽江流域竹歧站和东北地区的松花江流域白山水库两地近 7 0 年左右的年径流时间序列为研究对象，利用d c l d 法，也即是差积曲线和线性分 解时间序列方法，分别就径流序列的选取对其线性分解的影响和丰枯变化过程下的 径流特征进行探讨，其结果表明，可以揭示也丰桔变化时间尺度下的径流特征，且 能体现径流变化的规律性，因此，可以丰枯变化过程可以作为径流时间尺度分析的 依据，且线性分解时间序列方法可以用于该时间尺度下的径流特征分析。在此基础 之上，探讨径流变异点的识别方法，即d c r t 法。 通过上述研究，能充分地体现径流的特征，有利于全面的掌握径流多年的变化 状况，可以为该区水资源的合理利用和有效管理提供理论指导，为该区的社会经济 发展面临许多与水文问题有直接联系的洪水、干早、水资源供给、水资源安全和与 水相关的生态环境保护与恢复等问题提供理论指导，从而更加有利解决生产实践面 临的众多问题。 1 0 绪论 3 3 技术路线 图1 研究技术路线图 f i g it h er e s e a r c hf l o wc h a r t 福建师范大学于延胜硕士学位论文 第一章线性分解时间序列和差积曲线原理 1 线性分解时间序列原理 水文时间序列是表示降雨，径流等水文现象某些方面在时间上顺序变化的一组 观测值。通常，水文时间序列是由趋势、跳跃、突变和周期和随机成分线性迭加而 成。将整个序列分解成确定成分和随机成分，这种方法亦称为线性分解时间序列方 法。在水文时间序列中，趋势、跳跃和周期成分都是确定性成分，确定性成分具有 一定的物理概念，一般可以用简单的数学式子进行表示，而随机成分是随机影响造 成的，很难从物理上加以阐明，只能用数学上的随机过程理论来研究，一般可用随 机模型表示。 线性分解时间序列原理【5 】的表达式为： t = z + 以+ 只+ 墨 ( 1 1 ) 式中莳一原时间序列，卜代表趋势项，矿川表跳跃项，p 广一代表周期 项，卜代表随机项，各种成分的分析方法【1 7 】如下。 1 1 趋势项分析 随着时间的变化，时间序列的参数常常呈现出连续的增加或减少的变化，这种 有一定规则的变化称为趋势。趋势分析可以用两种方法进行检验：其一是统计检验， 如m a n n - k e n d a l l 法，线性回归法等；其二是分析水文要素随时间变化的过程线，如 频率分析。前者在检验方法及显著性水平确定的情况下，结果是不会因人而异，后 者可能因人而异。为了进行定量分析，因此，多数研究者采用统计检验。对趋势分 析而言，统计检验有很多，如m a n n - k e n d a l l 检验、s p e a r m a n 检验和游程检验等等。 如果检验有趋势，可以进行趋势提取。趋势项分析原理如下。 ( 1 ) 趋势判断 作为趋势项的分析目前被广泛应用的是m a n n - k e n d a l l 检验和s p e a r m a n 检验。 因此，本文将分别介绍这两种方法。 m a n n - k e n d a 检验法【1 刀具体原理如下。 x t ( t = 1 ，2 ，) 为一时间序列，先确定其序列的对偶数的个数p ，通常对偶数是先 取彤，然后与屁疋，当石 s 9 6 时，表示序列趋势变化显著，反之则没有显著趋势。 s p e a r m a n 检验法【3 9 1 具体原理如下。 x t0 = 1 ，2 ，) 为一时间序列，先确定，其中，为序列的秩次相关系数，可以通 过公式： 6 z d r 2