径流系列不一致性突变点的确定方法

1、径流系列不一致性突变点的确定方法摘要：径流系列不一致性突变点的确定是径流资料还现的前提。在生产实践中经过反复探索发现，利用降水径流模比系数累积相关法和分段线性回归分析法相结合确定突变点，具有方便快捷、准确可靠、实用性强的特点。该方法的有效性应用，为径流资料还现奠定基础。关键词：径流系列；还现；突变点；模比系数累积人类活动会对河川径流产生影响，主要表现在两方面：第一，随着社会和经济的发展，人为从河道内取水、引水到河道外使用减少天然来水量或跨流域调水增加来水量，使水文站实测的河川径流量偏离正常状态；或是水利工程的调蓄作用改变了河川的径流过程；第二，由于工农业生产、基础建设和生态环境建设改变了流域的

2、下垫面条件（包括土壤、植被、耕地、水面、地下水等因素），导致入渗、蒸发、径流等水平衡要素的变化，从而造成产流量的减少或增加1。正是由于人类活动，长系列水文径流资料在使用中常常存在问题。为修正资料中的偏离，对上述第一种情况，一般采用还原计算方法得到径流系列的天然状态；对于第二种情况，需要对还原后的径流系列进行一致性修正，称之为还现。还现一般采用下垫面改变前后降水径流相关关系，建立分期同量级降水量下与径流的相关关系，利用径流系数进行订正，得到在现今产汇流机制下的长系列径流资料。这一方法应用的前提是确定径流系列不一致性的突变点。严格来讲，径流的改变是一个渐变过程，当这种过程累积到一定程度或人类活动强

3、度和频次突然增强，就会产生突变而出现拐点。突变点的确定是近年来应用水文资料中出现的新问题，解决的方法处于探索阶段，一般情况下突变点并不十分清晰，给确定带来难度。我们分析了大连地区5个水文站的实测资料发现有3个站系列存在突变点。通过反复探索和实践发现，降水径流模比系数累积相关法和分段线性回归分析相结合，可方便、快捷、准确地确定径流系列不一致性的突变点。1 突变点的确定方法目前确定突变点大多采用年降水量累积值与天然年径流量累积值相关曲线法、肯塔尔趋势分析法等。在应用中我们发现采用降水径流模比系数累积相关法和分段线性回归分析法相结合确定突变点，分析图与解析结果联合运用，具有便捷直观准确，可信度高的特

4、点。降水径流模比系数累积相关法和降水量累积值与天然年径流量累积值相关曲线法原理相同，当采用模比系数进行累积时数值小，易于与线性回归法联合应用，方便快捷，并且直观准确更易操作。1.1 降水量累积值与径流深累积值相关曲线法在对大连地区第二大河流复州河下游关家屯水文站还原后年径流深资料（1956-2008年）与流域平均降水量同时进行量值累积，绘制相关图（见图1）。从图中可以看出，当降水量累积值大于25000mm左右曲线出现改变，随降水量增加径流量增速变小。如果仅就图中变化趋势，寻找径流系列的突变点，难以准确界定。即使可以界定，也因依据不十分充足而难以应用。图1 关家屯站降水量累积值与年径流深累积值关

5、系图1.2 Man-Kendall秩次相关检验法Man-Kendall秩次相关检验法是世界气象组织推荐的非参数检验方法，并已广泛地用来分析降水、径流和气温等要素时间序列的变化情况。非参数检验方法亦称无分布检验，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适用于类型变量和顺序变量，计算也比较简单2。Man-Kendall秩次相关检验可以进一步用于序列突变，定义统计变量为 () ; （1） 式中：；。将时间序列按降序排列，再按上式计算，同时使 （2）通过分析统计序列和，不仅可以进一步分析序列的趋势变化，还可以明确突变的时间，指出突变的区域。两统计序列构成的曲线分别记为和，如果两曲线

6、出现交点，且交点在临界值之间，那么交点对应的时刻就是突变开始时刻。图2 关家屯站Man-Kendall曲线图对关家屯站53a资料进行Man-Kendall分析计算得到和两系列，绘制趋势线图（图2）。从图中观察，和有4个交点，分别为1961年值1.470；1977年值0.7918；1985年值1.313和2002年值2.253。按照临界值1.96判断，其中3个交点在临界直线之间，那么对应的突变时间应该有3次，分别为1961年、1977年和1985年。Man-Kendall秩次相关检验法与其他检验法有所不同的是，在检验时，其两条曲线的交点通常位于两年之间，即突变点常常不指向某一个确定的年份，需要采

7、取一定的方法从两年中进行选取。该方法虽然简便直观，可给出突变点,但曲线交点不指向具体某一年时或有多个交点时，如何分析判断，还需做深入的研究。这就需在应用Man-Kendall秩次相关检验法确定突变点时，常常与其他方法相互验证。1.3 降水径流模比系数累积相关和分段线性回归相结合法采用降水径流模比系数累积相关法和分段线性回归法相结合，是在生产实践中摸索出的突变点易于分辨，方便快捷的经验方法。该方法首先求出站以上流域平均年降水量模比系数及累积值与径流深模比系数及模累积值，然后绘制降水径流模比系数累积相关图，从图中变化趋势初步确定大致的突变点，划分时段。然后将系列分段进行线性相关分析，根据相关系数的

8、变化，判定突变点的准确度。经过试算，最终确定突变点。一般情况下，由降水径流模比系数累积相关初步找到的突变点不需太多的试算 就可以比较快捷得出满意的结果。由图3找到突变点为1989年，据此划分时段,分别进行1956-1989年、1990-2008年和1956-2008年的降水径流模比系数累积线性相关分析，结果见表1。从分析结果中发现，1956-1989年线性关系非常好，相关系数为0.9996，说明1989年以前下垫面条件基本保持不变，入渗、蒸发、径流平衡关系稳定，降水径流关系良好。1990-2008年相关系数0.9837，说明人类活动对流域的扰动一直持续，入渗、蒸发、径流关系始终处于动态变化中。

9、分段后斜率b值1990年后明显大于之前，表明同等降水量下径流量减少显著。图4与图5是径流系列一致性产生突变后，分期的降水径流模比系数累积相关图。表1 关家屯站降水径流模比系数累积线性相关分析结果时段相关系数（r）截距（a）斜率（b）斜率差值百分数（%）1956-2008年0.9955-1.700.96081956-1989年0.99960.000.8648-9.991990-2008年0.9837-1.801.317537.13 图3 关家屯站降水径流模比系数累积相关图（1956-2008年）图4 关家屯站降水径流模比系数累积相关图（1956-1989年）图5 关家屯站降水径流模比系数累积相关图（1990-2008年）2 结 语径流资料还现中确定突变点的方法很多，各种方法都有其各自的优缺点。我们在使用中最希望得到是方便、易行、快捷、准确的方法。在上述三种方法中，降水量累积值与天然年径流量累积值相关曲线法与降水径流模比系数累积相关法类似，但降水和径流采用年量累积数值比较大，仅就关系图分辨突变点依据不十分充足；Man-Kendall秩次相关检验法有两点给我们分析带来不便，一是曲线交点可能在两年之间没有明确指向；二是交点多时需要进一步分析；降水