（水文学及水资源专业论文）渭河下游径流预报模型及实时校正方法研究.pdf

摘要 摘要 水是人类赖以生存的宝贵资源，是社会可持续发展的重要保障。随着社会经 济的快速发展，水资源短缺问题已成为制约一个地区、国家乃至全球发展的重要 因素。如何合理开发和利用水资源成为了全世界水利工作者的责任与任务，而流 域径流量预报是解决水资源问题的基础和关键。 本论文依托于黄委会水文局承担的“渭河下游洪水预报模型研究及系统开 发”项目。以渭河下游张家山、咸阳华县区间为研究区域，在分析流域产汇流 特性的基础上，建立了华县站汛期日均径流量预报及实时校正模型。 渭河是黄河较大的支流，地处半湿润半干早地区，下垫面情况复杂，支流较 多，产汇流特性分布不均。九十年代以来，渭河流域降雨量偏枯，加上国民经济 发展耗水量的不断增加，河道径流量大幅度衰减，造成渭河干流实测径流量减少。 径流量的急剧削减和下游河道的萎缩使得渭河流域的产汇流规律发生了较大变 化。 论文首先回顾了水文模型和实时校正方法的发展。对渭河下游径流变化趋 势，径流年际变化和年内分配，华县站来水的构成要素进行了分析研究。在此基 础上，构建了渭河下游华县站汛期日均径流量预报模型，探讨了三水源新安江模 型在渭河下游南岸半湿润半干旱地区的应用，马斯京根分段、分层连续演算法在 张咸华区间干流河道汇流演算中的应用，通过分析模型应用结果表明所构建的模 型在研究区域是适用的，具有合理性和可靠性。同时，为了提高模型预报精度， 针对研究区域特点，本文对华县站建立了基于径流预报误差的实时校正模型，采 用衰减记忆最小二乘法和卡尔曼滤波两种实时校正方法对预报径流量进行了校 正，并对两种校正方法的计算结果进行了对比和分析经校正后，预报精度均有 所提高，卡尔曼滤波方法总体上优于衰减记忆最小二乘法。可见，渭河下游径流 预报及实时校正模型在研究区域是可行的对类似地区的径流预报研究具有借鉴 作用。 关键词：渭河下游流域径流预报新安江模型马斯京根法实时校正衰减记忆最 小二乘法卡尔曼滤波 2 a b s t r a c t a b s t r a c t w a t e ri e s o u r c e s ，t h er a r e s tl 坩t u r a lr e s o u r c e sf o rh u m a n ss u r v i v a l a r ei m p o r t a n t g u a r a n t e ew h i c hs u p p o r ts u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f s o c i a la n de c o n o m i c ，w a t e rs h o r t a g ei s b e c o m i n gac o n s w a i n t f a c t o ri nt h e d e v e l o p m e n to f t h er e g i o n , t h ew o r l da n de v a nt h eg l o b a l h o wt oe x p l o i ta n du s et h e w a t e rr e s o u r c e sr a t i o n a l l yh a sb e c o m ea ne m e 唱e mp r o b l e mw h i c hs h o u l db es o l v e d ， a n dr u n o f f f o r e c a s t i n gi st h eb a s ea n dk e yi ns o l v i n gt h ew a t e rr c s o u r o m ：p r o b l e m n l et h e s i si sb a s e do nt h ep r o j e c tw h i c hb e l o n g st oh y d r o g r a p h i cs t a t i o no fy e l l o w r i v e rc o n s e r v a n c yc o m m i s s i o n ；t h en a m ei s r e s e a r c ho ff l o o df o r e c a s t i n gm o d e l a n ds y s t e me x p l o i t a t i o ni nt h el o w e rr e a c h e so fw e r e 础v e r n 坨r e s e a r c ha r e ai s z t m n g j i a s h a n , x i a n y a n g h u a x i a n , o nt h eb a s i so ft h ea n a l y z i n gt h er u n o f fa n d c o n f l u e n c ec h a r a c t e r i s t i c s ，d a i l yr u n o f ff o r e c a s t i n gm o d e la n dr e a l - t i m ec o r r e c t i o n m o d e li nf l o o ds e a s o ni nh u a x i a ni sd e v e l o p e d w e r er i v e ri st h eb i g g e rb r a n c ho fy e l l o wr i v e r , w h i c hl o c a t e si nt h es u bh u m i da n d s e m i a r i dz o n e ，t h e r ea r cm a n yb r a n c h e si nt h i sa r e a , a n dt h eu n d e r l y i n gc o n d i t i o ni s c o m p l e x ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f r u n o f f a n dc o n f l u e n c ei su n e v e n f r o mn i n e t yd e c a d e s ， b e c a u s et h e r ea r es o m ed r ys e a s o n si nw e i h er i v e r , t h er a i n f a l lr e d u c e da n dt h ew a t e r c o n s u m p t i o no fn a t i o n a le c o n o m yh a si n c r e a s e dg r a d u a l l y , t h er u n o f fh a sr e d u c e d ，s o a st ot h em e a s u r e dr u n o f fi nt h em a i nr i v e rh a sd e c r e a s e d , a n dt h el o w e rr e a c h e s s 1 瞄l mo fw e i h er i v e rh a sa l s oa l r o p h i e d b o t ho ft h e r em a k e st h er u n o f fa n d c o n f l u e n c ec h a r a c t e 程c h a n g e di nt h i sa r e a t h i sp a p e rf i r s t l yr e v i e w st h ed e v e l o p m e n to fh y d r o l o g ym o d e la n dr e a l - t i m e c o r r e c t i o n , a n dt h e na n a l y s e st h er u n o f fc h a n g et e n d e n c yi nl o w e rb r a n c ho fw e i h e r i v e r , t h er u n o f fi n t e ra n n u a lc h a n g e ，t h er u n o f fa l l o c a t i o ni no n ey e a ra n dt h ef l a m e a n dc o m p o s i t i o no f t h er u n o f f i nh u a x i a ns t a t i o n o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gs t u d ya r e a , d a i l yr u n o f f f o r e c a s t i n gm o d e li nf l o o ds e a s o ni nh u a x i a ni sd e v e l o p e d d i s c u s s e st h e a p p l i c a t i o no ft h et h r e e - w a t e rs o u r c ex i n a n j i a n gm o d e li nn o r t hb r a n c ho fw e i h e r i v e rw h i c hi ss u bh u m i da n ds c m i a r i 正a n dt h ea p p l i c a t i o no f t h ed i v i s i o ns e c t o ra n d l a y e rm u s k i n g u mm e t h o di nt h es t r e a mc o n f l u e n c ei n t h es t u d ya r e a t h r o u g h a b s t r a c t a n a l y z i n gt h er e s u l tt h em o d e le x p l a i n st h a tt h em o d e li sp r o p e ra n dc r e d i b l e a tt h e s r m et i m e ，a n a l y z i n gt h ef e a t u r eo ft h es t u d ya r e a , f f d sp a p e rd e v e l o p st h er u n o f f r e a l - t i m em o d e li nh u a x i a nw h i c hi sb a s e do nt h ee r r o ra u t o r e g r e s s i v em o d e ls oa st o i n c r e a s et h ef o r e c a s t i n ga c c u r a c y , a n du s e sf a d e d - m e m o r yl e a s ts q u a r em e t h o da n d k a m a nf i l t e rm e t h o dt oc o r r e c tt h ef o r e c a s t i n gr u n o f f , a l s oc o m p a r e sa n da n a l y s e st h e r e s u l t so f t h et w om e t h o d s a f t e rc o r r e c t e d ，t h ea c c u r a c yh a si n c r e a s e d , b u tt h ee f f e c t o fk a l m a nf i l t e rm e t h o di sb e t t c rt h a nf a d e d m e m o r yl e a s ts q u a r em e t h o d t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h er u n o f ff o r e c a s tm o d e la n dr e a l - t i m ec o r r e c t i o nm o d e li nt h es t u d y a r e ai sf e a s i b l e s ot h i sm o d e lc a l lb eu s e di nt h es i m i l a ra r e aa sr e f e r e n c e w o r d s ：l o w e rr e a c h e so f t h ew e t h eb a s i n , r u n o f f f o r e c a s t , x i n a n j i a n gm o d e l ， m u s k i n g u mm e t h o d , r e a l - t i m ec o r r e c t i o n , f a d e d - m e m o r yl e a s ts q u a r em e t h o d , k a l m a nf i l t e rm e t h o d 2 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意如不实，本人负全部责任 论文作者( 签名) ：_ 二劲。卜 卅年 多月多日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理 论文作者( 签名) ：j 筮卜 川年 ，月 莎 日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 水是人类赖以生存和发展的一项基本条件，是地球生物系统的生命之源，水 与人类的生存息息相关，它是人类和社会经济可持续发展无法替代的宝贵资源， 是生态系统不可缺少的要素。水资源同土地、能源等构成人类经济与社会发展的 基本条件。随着人口与经济的增长，世界水资源的需求量不断增加，水环境也不 断恶化，水资源紧缺已成为共同关注的全球性问题。1 9 9 7 年1 月，联合国在对 世界淡水资源的全面评价的报告中指出：缺水问题将严重地制约2 1 世纪经济 和社会发展，并可能导致国家间的冲突。所以如何合理开发和利用水资源以及如 何防治水害成为了全世界水利工作者的责任与任务。这些工作的基础都要以水文 规律为根据。由此可见，对水文现象要素的观测研究，用严格的物理定律来描述 水文现象各要素间的因果关系，认识和探索水文现象的规律是水文学科的根本任 务之一。 水文预报是水文学的重要组成部分，它是建立在充分掌握客观水文规律的基 础上，预报未来水文现象的- - 1 3 学科m2 一一。水文预报不仅是防汛抗旱和水资 源调度决策的科学依据，而且是减灾防灾的非工程措施之一。因此，水文预报是 水利水电建设和其它国民经济建设不可缺少的重要基本工作1 5 】。有效的水文预 报，往往是通过应用水文预报模型以及在此基础上的深入分析实现的陋一。与 自然科学中很多其它学科的发展相类似，水文预报技术也经历了从经验方法到目 前广泛采用的流域水文模型的发展过程。人们将复杂水文现象加以概化，即忽略 次要的与随机的因素，保留主要因素和具有基本规律的部分，据此建立具有一定 物理意义的数学物理模型，并在计算机上实现，这种通过水文模型来仿真水文事 件的方法已经被证明是行之有效的。 径流预报是泛指利用数学模型对流域的径流趋势进行预测。其预测结果是制 定水资源系统中长期运行方案的基础，可以广泛应用在防治洪水、干旱保护、环 境保护、水库调度、水电站运行、航运管理和水资源优化配置等领域中。但是由 于径流复杂的内在机制和人类活动的影响，径流预报的精度往往不尽如人意。实 河海大学硕士论文渭河下游径流预报模型及实时校正方法研究 际上径流系统是一个大规模的非线性动力学系统，其现象的发生和发展受到许多 因子的综合作用，而这些因子和预报结果之间的关系有时很难用确切的函数关系 来描述1 9 】。 当前，水文预报的模型虽然很多，但是目前还没有一种模型对于所有的地区 都适用，预报模型的普遍适用性仍是有待研究的问题。所以，对一个具体的水文 序列预报问题，经常采用的方法是通过分析、尝试和检验等步骤，最终找到适合 研究区域的水文模型。 本论文依托于黄河水利委员会水文局承担的“渭河下游洪水预报模型研究及 系统开发”项目。旨在运用水文模型及实时校正方法建立渭河下游华县站汛期日 均径流量预报模型，为黄河流域的防汛抗旱工作及水资源的统一管理和调度提供 服务。 黄河是中国第二大河，是一条非常特殊的河流，有着不同于其他河流的显著 特点：1 、水少沙多、水沙异源。黄河多年平均天然径流量为5 8 0 亿m 3 ，多年平 均输沙量高达1 6 亿t 。2 、河道形态独特。黄河下游河道为“地上悬河”，河床一 般高出背河地面4 6 m ，高的地方达l o m 以上。3 、洪水灾害频繁，水土流失严 重。黄河流经的黄土高原，面积约为6 4 万k m 2 ，而水土流失面积达4 5 4 万k m 2 ， 占总面积的7 1 。面对黄河如此复杂多变的流域条件，如何将先进的水文学及相 关理论知识应用到黄河上，并且为黄河防汛抗旱和水资源的合理利用服务是值得 研究的重要课题。 目前，黄河流域面l | 缶洪水、水资源、水质和水土流失等重大问题，而高新技 术的快速发展和在水文水资源学科领域的推广应用，为解决黄河的严峻问题提供 了理论支撑和技术支撑。水利部黄河水利委员会提出了建设“三条黄河”的治黄 思想【l o l ，水利部汪恕诚部长提出了今后治黄工作要达到的。四个不”的要求，即： 堤防不决口、河道不断流、水质不超标、河床不抬高。这些都给新时期黄河上水 问题的研究提出了新要求，促使对待黄河的问题要用新的思考、开创新的局面。 渭河处在黄河中游，位于黄河腹地大“几”字形基底部位。渭河在潼关水文 站基准断面上游1 5 k i n 附近汇入黄河，渭河下游属于三门峡库区。渭河下游河 床冲淤变化受潼关高程影响较大，渭河来水对潼关高程变化又具有较大的作用。 华县水文站作为渭河入黄的控制站点，及时掌控该站的来水量对渭河下游和黄河 的防汛、度汛起着至关重要的作用。根据1 9 7 4 2 0 0 0 年实测资料统计，华县站 2 第一章绪论 年均水量为6 0 3 亿m 3 ，占潼关站的1 8 7 ，年均输沙量2 8 5 亿t ，占潼关的3 2 5 。 渭河来水是潼关洪水的重要组成部分，做好渭河下游径流预报，不仅对做好渭河 下游防汛和水资源统一调度工作具有重要作用，同时对准确预报- - 1 1 峡水库入 流，合理调度三门峡水库，保证黄河下游防洪安全也具有重要意义。如2 0 0 3 年 渭河下游华县站发生连续多场洪水，虽然洪水量级不大，洪水频率尚未达到五年 一遇洪水标准，但却发生决堤，给渭河下游人民生产生活造成了严重的危害。到 目前为止，渭河径流预报一直采用的经验性方法，在一定时期内为减少洪灾损失 发挥了一定的作用。但随着社会经济的发展、人类活动和全球性气候变化的影响 流域内下垫面特性发生显著的变化，大部分地区的产汇流规律发生变化，故现有 的预报方案不能满足现代渭河生产实际的需求。所以对渭河下游水文规律研究分 析和径流预报模型的研究为水资源的合理利用和开发奠定了基础。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 流域水文模型的研究进展 流域水文模型是水文预报的重要手段与方法之一，是研究水文自然规律和 解决水文实际问题的主要工具。水文模型以水文系统为研究对象，根据降雨和径 流在自然界的运动规律建立数学模型，通过计算机快速计算、数值模拟、图像显 示和实时预测各种水体的运动、循环、分布以及物理化学特征。自2 0 世纪5 0 年 代中期开始，随着电子计算机科学技术的发展及系统论的成熟，各国对各种水文 模型开展了大规模的研究，同时也提出了很多实用的水文模型。流域水文模型可 分为确定性模型和随机( 统计) 模型【1 1 ，1 2 3 1 ，在实际应用中，流域水文模型一 般是指确定性模型。从反映水流运动规律的科学性和复杂程度的角度出发，水文 模型可以分为系统模型( 即黑箱子模型，b l a c k - b o xm o d e l ) 、概念性模型 ( c o n c e p t u a lm o d e l ) 和物理模型( p h y s i c a l l y - b a s e dm o d e l ) 。从反映水流运动空 间变化能力的角度出发，水文模型又可以分为集总式模型( l u m p e d m o d e l ) 和分 布式模型( d i s t r i b u t e dm o d e l ) 。但是，还有一种模型介于集总式模型和分布式模 型之间，可以称为“半分布式”水文模型，如t o p m o d e l 模型 1 4 1 就是一种半分 布式物理水文模型，而新安江模型d s 是一种半分布式概念性水文模型。 自从2 0 世纪5 0 年代中期“流域水文模型”的概念被提出以后，水文模型大 河海大学硕士论文 渭河下游径流预报模型及实时校正方法研究 概经历了原始、近代和现代三个阶段。 水文模型研制和开发的初级阶段是从2 0 世纪5 0 年代后期至2 0 世纪7 0 年代 初期。水文学家主要是通过实验的方法探索水文的成因变化规律，并在此基础上 通过一些假设和概化，确定模型的基本结构、参数以及算法，从而构成水文模型。 如：美国的斯坦福( s w m ) 模型、萨克拉门托( s a c r a m e n t o ) 、h e c 模型和s c s 模型、澳大利亚的包顿( b o u g h t o n ) 模型、日本的水箱( t a n k ) 模型、中国的新 安江模型等数十种水文模型。这些模型大都包括水量平衡和流域调蓄两部分，从 定量上分析和模拟流域出口断面流量过程的形成，其模型参数具有较明确的物理 意义。但此阶段模型大都存在考虑的影响因素较粗，同时模型参数较多，不利于 在实际中应用的缺点。 从2 0 世纪7 0 年代中期到2 0 世纪8 0 年代后期为近代阶段，是水文模型的应 用和改进阶段。随着计算机技术和计算方法的不断发展，同时通过水文模型在实 际中的应用，水文学家也不断发现模型在应用中存在的缺点和问题，进而对水文 现象的认识也不断深入因此，从理论上提出新模型的构想以及对原有模型的改 进成为该阶段的热点。如新安江模型从两水源模型，改为三水源模型；s c s 模 型改为s c s t r - - 2 0 模型及s c s t r - - 5 0 模型；包顿模型改进为调节式包顿 ( m o d i f i e db o u g h t o n ) 模型等。在新模型的研制方面，相继出现了系统响应模型、 人工神经网络模型等，同时，增加了实时校正功能，例如卡尔曼滤波，自回归校 正模型等，从而使这些模型的预报精度得到了较大程度的提高，因此，水文模型 的应用十分广泛，成为水文预报的主要手段。但这阶段的模型仍然是属于集总式 模型，即将整个流域或流域单元作为一个系统进行概化模拟，由于流域下垫面情 况不同以及降雨分布不均匀，集总式模型不能对其进行细致地描述和模拟，因此， 集总式模型具有自身不可克服的缺点。 从2 0 世纪9 0 年代初期至今为现代阶段，是水文模型的变革阶段。随着计算 机技术、g i s 技术、r s 技术、信息技术和通讯技术的发展和普及，获取和描述 流域下垫面空间分布信息的技术日渐完善，分布式水文模型也因此获得了长足发 展。而此时分布式水文模型的一个显著特点是同d e m ( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) 相结合，这种基于d e m 的分布式水文模型也被称作数字水文模型，是数字化 时代的产物。模型以流域面上分散的水文参数和变量来描述流域水文时空变化的 特性。目前，较为常见的分布式水文模型有：美国的v f l o 模型、h e c - - g r o 模 第一章绪论 型以及比利时的w e t - - s p a 模型等。分布式水文模型与集总式模型相比具有明 显的优点：一是分散处理和输出，二是物理机制更为明确，三是计算成果精度高， 四是可在历史资料缺乏的地区应用【1 6 ，1 7 1 。 1 2 2 实时校正方法的研究进展 “实时”( r e , - t i m e ) 是计算机科学用语，有两层含义，一是“实际发生的 时间”，二是“时间驱动”，即操作控制对象的信息反作用于操作控制本身。“实 时”是与“非实时”相对而言的，从时间概念上说，“实时”含有几乎是同时发 生的意义。在水文学上延伸的“实时”概念可以理解为：一个自动完成的信息传 输和处理过程，尽管客观上需要的历史时间较长一些，但是也可以视为实时的。 此外，水文预报是一项“操作”，即根据采集到的实时数据完成了一组计算，预 报方法本身也有实时操作和非实时操作的区别。控制理论中，实时预报的核心技 术是利用“新息”( i n n o v a t i o n ) 作为时间驱动之由，而新息是最新时刻的预报值 与实测值之差。凡是将新息应用于预报计算的算法均认为是实时预报方法。相反， 水文模型中的降雨径流模拟方法，不需要预报对象的信息，给出降雨输入过程便 可不断地“预报”出流过程，就是典型的非实时预报方法【l 珂。 1 2 2 1 国外实时校正方法研究进展 1 9 7 0 年，日本学者h i n o ，在论文“使用线性预报滤波器的径流预报”中【1 9 】 提出将卡尔曼滤波理论应用于水文预报研究，他是最早将卡尔曼滤波应用到水文 预报上的学者。并于1 9 7 3 年发表论文“水文系统在线预报”【2 0 】，对其理论加以 发展。他明确提出，卡尔曼滤波适用于水文预报，并用卡尔曼滤波器递推地估计 降雨径流的响应函数。1 9 7 8 年，伍德( w o o d ) 和肖洛克一纳吉( s i o l l o s i - n a g y ) 在 论文“一个对于在水文预报模型中分析短期结构和参数变化的自适应方法” 2 1 】 中全部完成了使用卡尔曼滤波递推估计降雨径流系统响应函数的研究。 意大利b o l o g n a 大学教授托迪尼分别在1 9 7 5 年，1 9 7 6 年、1 9 7 7 年和 1 9 7 8 年发表一系列关于实时校正的论文：“一种降雨径流的卡尔曼滤波模型”、“水 文时间序列实时预报的一种状态空间模型”嘲、“交互影响和状态一参数( m i s p ) 估计方法”1 2 4 等，建立了m i s p 算法，与c l s 模型联合使用，成为第一个具 有实时预报功能的洪水预报模型。 米克巴( m i r c b a ) 和格列柯茹( g r i g o d u ) 在论文“用自回归模型作水文预 5 河海大学硕士论文渭河下游径流预报模型及实时校正方法研究 报模拟”中，提出了一个二阶马尔可夫模型，单独对一个流量时间序列进行模拟 和预报，这是对本站自身预报的尝试。1 9 8 0 年，库珀( c o o p e r ) 和伍德在论文： “水文输入输出模型的识别和参数估计”【2 5 】中提出，在观测资料存在噪声时， 模型的识别和参数估计可以用卡尔曼滤波的方法来完成，并讨论了单输入、输出 系统的情形。同时，他们还在论文“系统和测量噪声未知的水文状态空间模型的 参数估计”和“水文空间模型的未知参数和新息协方差的极大似然估计”口7 】 中，讨论了将水文模型转换为状态空间后，模型误差协方差q 和观测误差协方 差r 的估计问题。 1 9 8 0 年以后，美国开展了关于萨克拉门托流域模型( 美国天气局n w s ) 用于实时预报的研究，这是对n w s 模型进行实时化处理的第一个研究。这一 工作在1 9 8 2 年由波沙达( p o s a d a ) 和伯拉斯在论文“一个大概念性降雨一径流 模型的自动参数估计：一种极大似然法”【2 8 1 中，推广到萨克拉门托原模型中。1 9 8 1 年，伍德在论文“分区大规模水文系统的滤波”鲫中，对大流域上使用卡尔曼滤 波器技术进行了研究。1 9 8 6 年，摩尔( m o l l ) 在 0 s i g n ( x , 一x i ) = 0xtx|=0(2-4) _ 1 x i x i 0 则m - k 统计检验值计算公式z 为： b 一1 ) 、 n ( n - 1 ) ( 2 n + 5 ) 1 8 s 0 z = j0s = 0( 2 5 ) l + 1 ) x n ( n - 1 ) ( 2 n + 5 ) 1 8 s o 利用z 值进行趋势统计的显著性检验，z 为正值表示增加趋势；z 为负值表 示减少趋势。z 的绝对值在大于等于1 2 8 、1 6 4 、2 3 2 时分别表示通过了信度9 0 、 河海大学硕士论文 渭河下游径流预报模型及实时校正方法研究 9 5 、9 9 的显著性检验。此外，m k 方法还可以用来检测径流的突变点。渭河 下游径流趋势m k 法统计检验值见表2 3 。 表2 3 渭河下游径流趋势m - k 法统计检验值 月份z 值显著水平 l- 2 0 6 90 0 5 - 2 2 1 40 0 5 32 4 8 00 0 1 4- 2 7 9 40 o l 5- 3 0 6 lo 0 1 60 0 3 6 71 6 5 70 0 5 8m 1 0 9 9- 2 6 4 90 0 5 1 0- 1 9 2 30 0 5 1 l- 2 4 3 10 0 1 1 2- 1 9 2 30 0 5 年均 2 8 4 3o o l 检验结果表明，研究区域径流量总体呈减少趋势，年径流序列的z 为2 8 4 3 ， 在o 0 1 显著水平上呈减少趋势。月径流序列中，仅6 月份z 为正值，呈现微弱 的增加趋势，其它月份径流量均成递减趋势。其中，3 5 月z 绝对值大于2 3 2 ， 表明其径流量在显著水平o o l 上递减，反映春季径流存在递减趋势。7 、9 、1 0 月z 绝对值大于1 6 4 小于2 3 2 ，在o 0 5 显著性水平上呈减少趋势，但6 、8 月径 流变化不明显，表明汛期径流量变化显著性不如春季。 2 4 径流分配变化规律分析 河川径流的分布特性与径流补给条件密切相关，其变化对应着径流补给条件 的变化。在气候条件变化及人类活动的驱动下，河川径流的分配发生了相应的变 化，这必然给水资源管理、农业及水生生态系统带来一系列的影响。径流的变化 通常包含“量”和“结构”的变化。前者通常是指径流总量、流量等数值上的变 化。而后者则注重从径流过程线的“形状”上进行分析，它反映不同时段内径流 的比例i 叫。径流年内分配特征的指标有很多，通常使用较多的有各月( 或季) 占 年径流的百分比数、汛期非汛期占年径流的百分比数、年内不均匀系数、集中 第二章渭河下游径流变化趋势分析 度( 期) 以及变化幅度等。由此可以从不同的角度分析径流年内分配特征的变化 规律5 5 】。本文统计分析了渭河下游华县站1 9 6 5 2 0 0 3 年径流量的年际变化和 年内分配情况，以此来反映渭河下游径流分配的变化规律。 2 4 1 径流的年际变化 2 4 1 1 径流的年际变化 对渭河下游1 9 6 5 2 0 0 3 年年均径流量进行统计分析，其径流的年际变化见 图2 2 。 图2 2 径流的年际变化 从上图中可以看出，渭河下游7 0 年代和9 0 年代径流量偏枯，水量减少比较 多，6 0 年代径流量最大，8 0 年代次之，2 0 0 0 2 0 0 3 年径流量有上升的趋势。 2 4 1 2 径流年际变化的阶段性 因为黄河天然径流量年际变化具有阶段性。为更明显地表示径流量年际变化 的阶段特征，本文采用距平法和累积距平法来分析。累积距平法即先计算每年的 径流量距平，然后按年序累加，得到距平累积序列锄。即： 形= ( 足一r 一) r 一( 2 - 6 ) f 式中：w j 为第i 年径流量的距平百分比累积值，风为第i 年的径流量，豆为 径流量序列的多年平均值。 根据距平有正有负的特点，当距平累积持续增大时，表示该时段内径流量距 平持续为正；当累积距平持续不变时，表明该时段距平持续为零即保持平均水平； 当累积距平持续减小时，表示时段内径流量距平持续为负。据此，可以直观地确 】7 河海大学硕士论文 渭河下游径流预报模型及实时校正方法研究 定径流量年际变化的阶段性。 根据华县站1 9 6 5 2 0 0 3 年实测资料做出的年均径流量距平图及累积距平图 见图2 3 2 4 。 图2 3 年均径流量距平图 圈2 4 年均径流量累积距平图 从图中可以看出：6 0 年代径流的累积距平是增加的，说明径流量是在增加 的，7 0 年代累积距平值有所减小，可见7 0 年代径流量是减少的，8 0 年代径流量 又较7 0 年代有所增加，但是，9 0 年代累积距平下降较快，径流量呈现锐减趋势。 2 4 2 径流的年内分配 河川径流的年内分配是水文水资源研究的重要内容之一。不同的河流及同一 河流的不同年份，径流年内分配的不均匀程度是不同的，这一径流变化特征直接 影响着水利工程的规模和水资源的合理配置利用。华县站不同年代径流量年内变 化情况见表2 4 ，多年平均月径流量见图2 5 。 表z 4 华县站不同年代径流量年内变化情况 水t ( 1 0 8 m 3 ) 时段 汛期非汛期全年 6 0 年代 4 9 4 8 33 9 4 1 78 8 9 0 0 7 0 年代 3 6 1 5 01 9 4 2 75 5 5 7 8 8 0 年代 5 1 6 4 52 9 8 9 88 1 5 4 3 9 0 年代 2 1 8 8 71 8 0 6 2 3 9 9 4 9 2 0 0 0 之0 0 33 1 0 1 71 4 4 3 94 5 4 5 6 多年平均 3 8 3 5 62 4 3 6 1 6 2 7 1 7 第二章渭河下游径流变化趋势分析 图2 5 多年月平均径流量分配图 可以看出，渭河下游径流年内分配不均，主要受降雨量年内分配的影响，径 流高峰期主要集中于汛期7 1 0 月，汛期多年平均径流量占全年径流量的 6 1 5 7 ，非汛期多年平均径流量占全年径流量的3 8 4 3 ，除6 0 年代外，l 5 月及1 1 和1 2 月径流量变化程度不明显，6 0 年代各月径流量均大于多年均值， 仅6 月和8 月径流量与多年均值持平，7 0 年代6 月份径流量最小，其余月份在 均值上下浮动，8 0 年代月均径流量与多年均值基本一致，9 0 年代是明显的枯水 段，各月径流量均小于均值，2 0 0 0 2 0 0 3 年1 0 月份径流量高于多年均值，这与 2 0 0 3 年渭河发生秋汛现象相符合。 下面采用径流年内分配指标对径流的年内分配不均匀性进行量化研究。 2 4 2 1 年内分配不均匀性系数 设某年径流序列q t ( t = - l ，2 ，山中任一年t 的径流量分配在年内n 个时段内， 计为q 6 ( 户l ，2 ，n ；i - l ，2 ，曲，则t 年内径流的分配可用不均匀系数定量表 示为【5 7 1 ： g ：圭厚：厍 ( 2 7 ) 式中：q 。表示t 年的年均流量( 】n 3 ，s ) ；q d 表示t 年时段i 的时段平均流量( m 3 s ) ； = q 拥。；n 表示径流的年内划分时段数，本文取月径流量为单位，即n = 1 2 。 式2 7 实际上相当于水文学中常用的变差系数，是一个标准的统计参数，用 它来表示径流年内分配的不均匀性，具有概念明确，通用性强的特点。c u 值越 1 9 河海大学硕士论文渭河下游径流预报模型及实时校正方法研究 大即表明年内各月径流量相差越悬殊，径流年内分配越不均匀。经计算，渭河下 游径流年内分配不均匀系数见图2 6 。 图2 6 径流年内分配不均匀系敦 从上图可以看出，渭河下游径流的年内分配具有不均匀性，2 0 0 0 2 0 0 3 年 c u 值最大，表示该时段径流年内分配不均匀程度最强，其次是7 0 年代，其c u 值为0 9 5 3 ，径流年内分配不均匀程度也比较强烈，6 0 、8 0 、9 0 年代径流的年内 分配不均匀性基本一致。从图中还可看出1 9 8 1 年的径流年内分配变化最为剧烈。 径流量的年内分配规律与降雨的年内分配规律基本一致。 2 4 2 2 集中程度 集中度和集中期的计算是将一年内各月的径流量作为向量，月径流量的大小 为向量的长度，所处的月份为向量的方向。从1 月到1 2 月的方位角分别为0 ， 3 0 ，6 0 ，3 6 0 度，并把每月的径流量分解为x 和y 两个方向上的向量，则 x 和y 方向上的向量合成分别为【5 3 】： 足= r c o e o w , ，b = r ( i ) s i n 8 t ( 2 - 8 ) i = 1i = 1 径流合成量为：置= + g ( 2 9 ) 则定义集中度c d 和集中期d 表达式如下： g ：1 ( 2 1 0 ) r ( o j - i d = w a g ( r , 疋) ( 2 1 1 ) 第二章渭河下游径流变化趋势分析 式中：r ( i ) 为第i 月的径流量( m ，s ) ；为第i 月所占的角度，总计3 6 0 。，每月近似3 0 。 集中期d 表示月径流量合成后的总效应，也就是向量合成后重心所指示的 角度，即表示一年中最大月径流量出现的月份。集中度g 是指各月径流量按月 以向量方式累加后的合成量占年径流量的百分数。它是反映了径流量在年内的集 中程度，当集中度为1 0 0 时是最大极限值，表明某站集水面积以上的全年径流 量集中在1 个月内；当集中度为0 时是最小极限值，表明全年的径流量平均地 分配在1 2 个月份中，即每个月的径流量占全年径流量的8 3 。经计算，渭 河下游径流量集中度和集中期见图2 7 和图2 8 。 图五7 径流年内分配的集中度 图2 8 径流年内分配的集中期 从图中可以看出，6 0 和9 0 年代径流年内分配较为均匀，7 0 和8 0 年代径流 年内分配集中，2 0 0 0 2 0 0 3 年径流年内分配的集中度为o 4 4 8 ，表示其径流量年 内分配最为集中。同时可以看出6 0 年代至今径流分配多集中在9 1 0 月，这与 汛期径流量占全年径流量比例较大的规律相一致。 2 5 华县站来水组成分析 由于渭河下游特殊的地理位置和河道特性，华县站来水组成有其特殊之处。 华县站的不同年代水沙来源变化情况如表2 5 所示【5 。5 9 1 。 河海大学硕士论文 渭河下游径流预报模型及实时校正方法研究 表2 5 华县站水沙来源变化情况 1 9 3 5 5 0 6 0 7 08 09 0 1 9 5 0 1 9 7 0 1 9 8 6 2 0 0 0 多年 时段 1 9 9 9年代年代年代年代年代1 9 6 91 9 8 51 9 9 9 2 0 0 3平均 年径 王些 流量 9 6 8 9 8 5 5 39 6 1 85 9 4 0 7 9 2 04 3 8 09 0 8 67 1 3 0 4 8 7 74 5 4 67 2 0 0 县 ( 1 0 8 m 、 站 年沙量 4 3 64 74 63 9 3 2 7 22 8 44 6 l3 5 l 2 7 73 7 8 ( 1 0 * 0 年径 流量 5 9 1 65 4 3 56 2 6 03 6 7 34 5 9 72 2 5 35 8 4 74 3 0 02 6 0 22 0 4 93 6 9 9 ( 1 0 s m 3 ) 成占华县 6 1 0 66 3 5 56 5 0 86 1 8 35 8 0 45 1 4 36 4 3 66 0 ，3 15 3 3 44 5 0 85 1 3 8 阳站 站年沙量 2 0 41 8 01 4 50 8 90 4 61 8 91 2 80 5 41 2 7 ( 1 0 吣 占华县 4 3 4 0 3 9 1 33 6 9 0 3 2 7 2 1 6 2 0 4 1 0 0 3 6 4 71 9 4 93 3 5 0 站( ) 年径 流量 1 7 2 81 4 2 11 7 9 61 2 5 01 3 2 81 3 6 91 6 0 81 3 4 11 2 8 78 9 31 2 8 2 张 ( 1 0 8 m 3 ) 占华县 家 1 7 8 31 6 6 l1 8 6 72 1 0 41 6 7 73 1 2 61 7 7 01 8 8 12 6 3 91 9 6 51 7 8 l 站( ) 山 年沙量 站 2 8 62 6 62 8 0 2 4 81 8 32 3 82 7 22 2 32 2 32 5 2 ( 1 0 s t ) 占华县 6 5 8 05 6 6 06 0 8 76 3 1 06 7 2 88 3 8 05 9 0 06 3 5 38 0 5 16 6 5 0 站( ) 为3 7 8 亿t 。水量主要来自咸阳以上区域，其多年平均径流量为3 6 9 9 亿岔，占 华县站总径流量的5 1 3