水文序列分析的方法和应用

水文现象是一种自然现象,具有确定性变化规律和随机性变化规律,水文现象随时间变化的过程称为水文过程或水文时间序列。时间序列分析的一个重要内容就是分析序列的变化特性,包括趋势性、周期性、突变性等。

河川径流过程是水文学中最常见的时间序列,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。在气候变化以及人类活动的影响下,河川径流的年内分配特征也发生着相应的变化,用于体现径流年内分配特征的指标有各月、季径流占年径流的百分比数,汛期、非汛期占年径流的百分比数等。在20世纪80年代,汤奇成等(1982,1983)从河川年径流的角度,给出不均匀系数的概念,讨论了年径流不均匀系数的计算方法和一些性质,并指出不均匀系数不仅可用于径流,而且可用于年降水或其他要素的年内分配分析。郑洪星等(2003)根据黄河源区主要测站1952—1997年的月天然径流资料,分析了年内分配不均匀系数、集中度和集中期、变化幅度等特性,认为20世纪90年代的径流年内分配特征较前期出现了较大的变化,突出表现在汛期径流量的减少。王金星等(2007)采用年内不均匀系数(完全调节系数)和集中度(期)等指标,从多个角度分析了中国六大江河19个重点水文站实测径流年内分配特征的变化规律。

随着时间的增长,对水文序列各值的平均值而言,或是增加或是减少,形成序列在相当长时期内向上或向下缓慢地变动,这种有一定规则的变化称为趋势。时间序列的趋势线变化既可能是线性的,也可能是非线性的。常用的趋势检验方法主要包括:滑动平均法、线性回归法、累积距平法、二次平滑法、三次样条函数法、Mann-Kendall秩次相关检验法及Spearman秩次相关检验法、小波分析法等。线性回归法和滑动平均法简单明了,可以直观地给出时间序列是否具有递增或递减的趋势,并且线性方程的斜率定量表征了时间序列的平均趋势变化率；然而,这两种方法只能给出序列的演变趋势,很难定量判别趋势变化是否显著。Mann-Kendall秩次相关检验法及Spearman秩次相关检验法则通过相关统计量的计算,可以定量地判别序列变化趋势是否显著,其中,Mann-Kendall趋势检验法(简称M-K趋势检验法)是一种非参数统计检验方法,与参数统计检验法相比,该方法不需要样本遵从一定的分布,也不受少数异常值的干扰,而且计算也比较简单,是比较常用的趋势诊断方法。叶茂等(2006)采用线性回归、M-K趋势检验方法,分析了塔里木河水资源利用及趋势,认为自1995年以来,塔里木河水资源增加趋势明显,这种现象与全球变暖不无关系。徐宗学等(2006)分析了北京地区降水的时空分布规律和黄河流域近50年降水的变化趋势。曹建廷等(2007)采用类似的方法,分析了长江源区1956—2000年径流量变化,认为长江源区年径流量在1956—2000年间呈微弱的减少趋势,该时段流域内升温明显,降水也呈微弱减少趋势,降水量减少是该时段径流量减少的直接原因。张建云等(2009)分析了黄河中游径流量在1951—2005年的变化趋势,指出,在全球变暖背景下,黄河中游花园口站实测径流量的平均年线性递减率为6.05亿m3,M-K统计量明显超过信度为0.05水平的临界值,序列呈现显著性减少趋势,径流量的减少是气候变化和人类活动等多种因素综合作用的结果。趋势性研究为探讨其变化原因(气候因素、人类活动)奠定了基础。

水文时间序列也会发生从一种状态过渡到另一种状态的变化特性,即表现出变异性(也称跳跃)。突变是跳跃的一种特殊形式,是瞬间行为。突变发生后,水文序列一般又保持原来的特性。水文序列中的跳跃一般是由于人为的或自然的原因引起的。例如,修筑水库前坝下最大流量序列与修建水库后经水库调节的年最大流量序列,就是人为的原因引起的跳跃；又如,一个流域若突发大面积的森林火灾,则径流量会突然变化,形成由自然引起的跳跃成分。在洪水频率分析中,通常以洪水时间序列的平稳性为基础,要求资料具有一致性。但是流域系统一旦受到干扰(例如人类活动的影响、自然灾害的发生),则其平稳性遭受破坏,发生突变而演变为非平稳性序列。对于受到干扰影响的水文序列,推估出突变的时刻,即突变点,在洪水分析中具有实际的意义。水文变异分析中,现应用较多的几种方法包括:有序聚类分析法、游程检验法、秩和检验法、Mann-Kendall突变检验法、R/S法以及逐时段滑动分割模型。杨莲梅(2003)分析了40年来新疆极端降水的气候变化、发展趋势和空间分布差异,并用Mann-Kendall法对年极端降水量进行了突变检验；杨志峰等(2004)采用EOF技术分析了黄河上游降水的时空结构特征与变化,并用Mann-Kendall法检验了降水序列的突变现象；王国庆等(2001,2006)以黄河中游无定河为研究对象,采用有序聚类分析方法,分析了由于水土保持等人类活动引起的水文序列的突变年份,以汾河流域为研究对象,在诊断实测径流发生突变的基础上,分析了气候变化和人类活动对河川径流的影响。(www.xing528.com)

年径流的多年变化,主要取决于气候因素的变化,而气候因素则取决于大气环流的特点,大气环流的变化受太阳活动制约,太阳活动具有一定的循环周期,因而年径流量多年变化也可能存在一定周期性。由于影响周期因素变化的复杂性,往往周期之间并不可通约,所以隐含在年径流量序列中的这种周期一般称为近似周期。识别周期成分的常用方法很多,有方差分析、功率谱分析、谐波分析、小波分析等方法。波谱分析方法很早就被应用到研究水文气象要素变化的周期性,其分析原理是利用傅立叶级数能够将周期函数展开为无穷多个频率为基频整数倍的谐振动之和。黄忠恕(1983)较早地出版了《波谱分析方法及其在水文气象学中的应用》；李栋梁等(1997)利用中国西北5省(自治区)90个测站,1960—1990年6—8月降水量资料,采用波谱分析及大气环流模式,对夏季降水量的空间异常特征、时间变化规律以及降水异常的主要成因进行了诊断研究；王栋等(2001)系统总结了最大熵原理在水文水资源学中的应用；Rigozo等(2005)对4种波谱分析方法进行了系统比较；S.L.Jeng等(2008)基于波谱分析对水文时间序列进行了分类；张明(2009)在对最大熵谱求解方法改进的基础上,提取了三川河流域实测径流量的周期特性。

现关于时间序列变异点的推求、周期特征的提取、变化趋势显著性的诊断有很多方法,然而不同方法分析的结果可能存在差异,如何选取有效的诊断分析方法、如何利用多种评估结果对时间序列变化特征给出比较科学的综合评估是亟须解决的科学问题。