变化环境下地表水资源评价和统计分析方法

1、变化环境下地表水资源评价和统计分析方法 主 要 内 容一二三四研究背景意义变化环境下地表水资源评价方法变异诊断系统成因分析方法统计分析方法大气环境（温室效应、气候转型等）下垫面自然环境（地震、泥石流、滑坡等） 下垫面人文环境（水利水保工程、城市化、农业化等）变化环境（气候变化）+（土地利用/覆被变化）一.研究背景和意义非一致性水问题研究气候变化(climate change)气候变化：指统计学意义上气候平均状态的巨大改变或者持续较长一段时间（典型的为10年或更长）的气候变动。非一致性水问题研究气候变化(climate change)非一致性水问题研究土地利用/覆被变化(LUCC)土地利用：指人

2、类为获取所需的产品而对土地进行的利用活动土地覆被：地球陆地表面和近地面层的自然状态，包括生物群落、 土壤、地形、地表水、地下水及人文结构黄土高原土地利用/覆被变化非一致性水问题研究降雨水面旱地林地草地城乡、工矿、居民未利用土地湿地水域水面蒸发蒸散发上层蓄水量壤中流地下径流地面及壤中流单元出口流量下层蓄水量深层蓄水量水田气候变化土地利用/覆被变化非一致性水文序列（水文变异）变化环境水文频率计算的“三性”审查 可靠性：水文资料来源必须可靠，且具有必要的精度； 一致性：水文序列中各项特征值相互独立，且服从同一分布或频率曲线； 代表性：样本序列反映总体统计特性的程度。独立性假定：一般认为，按年最大值或

3、最小值选样所得水文序列可以看作是相互独立的。同分布假定：一般解释为要求序列中各项特征值都是在基本相同的物理条件下形成的。非一致性水问题研究水文序列的组成 （非平稳性）（平稳性）（一致性）（非一致性）（非平稳性）（非一致性）（水文变异）（非一致性）非一致性水文频率计算方法“一致性”水文序列(相同物理条件)一致性序列随机成分起主导作用序列在均值上下波动（有变化、无变异）“非一致性”水文序列(不同物理条件)非一致性序列随机性成分确定性成分均起作用序列统计规律发生变化（有变化、有变异）（有变化、有变异） 非一致性防洪问题洪水序列水资源问题径流序列其它问题气候变化土地利用/覆被变化梯级水电开发南水北调工

4、程干旱问题干旱序列非一致性水文序列类型非一致性水问题研究NSFC(50579052)NSFC(50979075)NSFC(50839005)2009年2月科学出版社（) 国家自然科学基金项目(50579052) 全国水资源综合规划专题(SZYZB-1) 水资源与水电工程科学国家重点实验室 重点课题(WRHES-K0801)联合资助国家自然科学基金项目(50839005、50979075、50579052) 国家重点基础研究发展计划资助项目（2010CB428400）中国科学院知识创新工程项目(CX10G-E01-08) 水资源与水电工程科学国家重点实验室研究团队项目(WH2009C002)联合

5、资助2010年3月科学出版社(978-7-03-023036-2)()著谢平、窦明、朱勇李晶、陈丽、孙志昆明戛旧水文站旧州水文站允景洪水文站漫湾水电站大朝山水电站中国越南老挝缅甸溜筒江水文站古水水电站乌弄龙水电站里底水电站托巴水电站黄登水电站大华桥水电站苗尾水电站小湾水电站功果桥水电站糯扎渡水电站景洪水电站橄榄坝水电站勐松水电站梯级水电开发的水文水资源效应澜沧江干流（云南）梯级电站规划为15级其中已（在）建6级。变化环境下干旱频率分析方法选择干旱评价指标干旱序列变异分析（水文变异诊断系统）变化环境下干旱频率分析方法统计途径成因途径趋势变异跳跃变异非线性趋势小波分析黄变换跳跃分析气候变化下垫面变

6、化非一致性干旱频率分析方法基于WHMLUCC模型的干旱频率分析方法过去、现状、未来不同时期的干旱频率分布南水北调中线区域水资源演变情势与生态环境效应河势等调水工程水质水文情势水资源分布生态环境效应西江非一致性归槽洪水频率计算方法变化环境下的水循环及水资源形成规律已成为水科学发展的前沿问题之一世界气候研究计划WCRP全球水系统计划GWSP国际水文计划IHP国际地圈 生物圈计划IGBP研究意义非一致性水问题研究国家中长期科学和技术发展规划纲要国家自然科学基金“十一五”发展规划全球变化与地球系统人类活动对地球水系统的影响机制重点优先领域研究意义非一致性水问题研究研究意义非一致性水问题的研究方法是变化

7、环境下区域水安全评价和风险管理重大需求的应用基础问题和亟待解决的关键理论问题之一非一致性水问题研究研究意义变化环境下非一致性水问题的研究方法是解决我国当前面临水问题的迫切需要水资源规划流域综合规划防洪规划抗旱规划水能规划非一致性水问题研究一致性序列1非一致性序列一致性序列2如何研究“非一致性”水文序列？水文序列变化规律一致性序列突变或渐变统计规律发生变化非一致性序列新的平衡或稳定状态当水文序列的变化规律在一定时期内发生突变或渐变，即从一种稳定状态突变或渐变到另一种稳定状态时，水文序列是非一致的。经过突变或渐变后达到新的平衡或稳定状态时，其随机性成分又将起主导作用。（水文变异）非一致性水文频率计

8、算的假设前提当水文序列的变化规律在一定时期内发生突变或渐变，即从一种稳定状态突变或渐变到另一种稳定状态时，水文序列是非一致的，这种突变或渐变造成水文序列变化规律的差异即为水文序列的确定性成分。非一致性水文序列的随机性规律反映一致性变化成分，而确定性规律反映非一致性变化成分。非一致性水文序列确定性成分随机性成分一致性变化规律非一致性变化规律现行水文频率计算方法的合理性现行水文频率分析中的各种方法都要求水文序列中各项值服从同一分布，即要求水文序列中各项值都是在基本相同的物理条件下形成的。为此，必须把非一致性水文序列改正到同一个物理基础上，力求使样本序列具有同一个总体分布。 从这个意义上来说，目前对

9、非一致性水文序列的“还原”改正计算或“还现”改正计算，均符合水文频率计算关于同分布的假定，它们本身都是合理的。 非一致性水问题研究非一致性序列水文频率计算方法“还原”计算方法或“还现”计算方法均只能反映过去或现状水文序列的形成条件，而无法适应过去、现状和未来不同时期环境的变化。本文提出的非一致性序列水文频率计算方法，将非一致性水文序列分解成一致的随机性成分和非一致的确定性成分，用一致的随机性成分满足现行水文频率计算关于同分布的假定，用非一致的确定性成分适应过去、现状和未来环境的变化，可以说，该方法可以适应变化环境对水文频率计算的要求。 非一致性水问题研究 非一致性 序列水文 频率计算 方法流域

10、或河道 水文模型 水文变异诊断系统序列是否一致？环境如何模拟？频率怎样计算？研究内容非一致性水问题研究二. 水文变异诊断系统水文变异的定义如果水文序列相互独立（不含相依成分），且与周期、趋势和跳跃无关，表明整个水文序列具有相同的物理成因（独立性、平稳性），其统计规律满足一致性的要求，即水文序列没有发生变异；水文变异的统计学定义：如果水文序列的分布形式或(和)分布参数在整个序列时间范围内发生了显著变化，则称水文序列发生了变异。水文变异的水文学定义：如果水文序列的物理成因在整个序列时间范围内发生了显著的变化，则称水文序列发生了变异。发生变异的水文序列是一个非一致性序列。水文变异诊断系统及其应用水文

11、变异诊断系统结构(SZYZB-1) NSFC(50579052)水文变异诊断系统及其应用分趋势详细诊断和跳跃详细诊断两步 利用趋势综合显著性判断趋势变异,利用跳跃综合显著性和综合权重判断跳跃变异，用效率系数判别变异形式 成因分析 变 异 诊 断 步 骤诊断结论 综合诊断 详细诊断 根据过程线和Hurst系数值等初步判断序列的变异程度 初步诊断 水文变异诊断系统 应 用 实 例水文变异诊断系统及其应用 无定河流域多要素水文变异分析 三水站不同时间尺度径流序列变异分析 西北地区多尺度降水序列时空变异分析 三级区与四级区不同空间尺度径流序列变异关系 径流年内分配情势变异分析无定河流域水文站点分布图实

12、例1 无定河流域多要素水文变异分析研究系列：1958-2000年 共43年研究对象：年降雨量、年蒸发量、年径流量、年径流系数、年干旱指数、年湿润指数根据滑动平均线，在70年代以后过程线基本上位于均值的下方，变异非常明显；取第一信度水平，第二信度水平=0.01 Ha， H=0.739, H，属于强变异；初步诊断年径流序列发生变异。诊 断 方 法检验结果诊 断 方 法检验结果滑动F检验1978(+)滑动秩和检验法1971(+)滑动T检验1970(+)最优信息二分割1971里-海哈林法1970Mann-kendall方法1971(+)有序聚类法1970Bayesian方法1970(+)R/S检验法1

13、971相关系数检验法趋势显著Brown-Forsythe法1971(+)Spearman秩次相关检验法趋势显著滑动游程检验法1971(+)Kendall秩次相关检验法趋势显著变异点1978，1970，还是1971？变异形式是趋势还是跳跃？ 在显著性水平的情况下，权重在1971年为最大值0.516，综合显著性为4，跳跃显著，因此选择1971年为该序列的跳跃点。 年径流量跳跃综合诊断跳跃效率系数RS=57.95 %；趋势效率系数RS=58.65%进一步可以从原序列中，分离出趋势趋势与跳跃的选择：建议选择趋势无定河流域的年蒸发、年干旱指数和年湿润指数无变异；年降雨发生了弱变异，变异点为1979年；年

14、径流系数发生了中变异，变异点为1972年；年径流发生了强变异，变异点为1971年；各要素之间的变异关系？其它要素变异诊断多要素水文变异关系 NSFC(50839005)NSFC(50579052) 水土保持治理分为3个阶段：50年代初至70年代初 起步阶段；70年代初至80年代初 初步治理阶段 ；80年代初至今 较高治理阶段。1971 无定河流域各年份水保措施实有面积 无定河流域水土保持工程状况 无定河流域水文变异的原因包括气候和人类活动两个方面。气候对年蒸发、年干旱指数和年湿润指数的影响不大，对降雨有一定影响。径流和径流系数变异除受气候因素影响外，主要受人类活动的影响。1972年以后无定河流

15、域开展了大规模的水土保持工程措施，大大改变了流域的下垫面条件，使产汇流条件发生了变化，是年径流和年径流系数变异的主要原因。降雨的减少对流域的水资源保护、生态环境治理等有一定的不利影响。径流和径流系数的减少说明无定河流域水土保持工程措施对流域水源的涵养、水资源的保护起到了一定的作用，这对无定河流域进行沙漠化治理、水土保持效益评价、水土保持规划与水资源规划具有一定的指导意义。小 结三. 成因分析方法变化环境下地表水资源评价方法水资源评价技 术 路 线评估地表水资源反演解译预测考虑土地利用和覆被变化的流域水文模型WHM-LUCC简介WHM-LUCC模型基于Shreve河链概念的单元划分 土地资源分类

16、系统 蓄满超渗兼容产流模型逆高斯分布地貌汇流模型 线性水库汇流模型 考虑土地利用/覆被变化的单元水文模型变化环境下地表水资源评价方法根据研究问题的实际需要，WHMLUCC扩展为三种形式： LWHM-LUCC ZWHM-LUCC DWHM-LUCC 集总式 分块式 分布式 因为需要评价流域地表水资源总量，也就是求流域出口断面的径流量，因此采用考虑土地利用/覆被变化的集总式流域水文模型。WHMLUCC的扩展NSFC(50579052)NSFC(50839005)(KZCX2-SW-317)(CX10G-E01-08)(SZYZB-1) 无定河流域水文序列时间分段过去气候条件修正降雨序列现状气候条件

17、修正降雨序列无定河流域气候的变化为了保持气候因素在19582000时段的一致性，把降雨序列修正为两个序列：一个是过去的气候条件，修正序列的均值（ 19581979 ）为；一个是现状和未来的气候条件，修正序列的均值（ 19802000 ）为。三. 成因分析方法变化环境下地表水资源评价方法流域现状三期土地利用信息提取1990年1995年2000年 中国科学院地理科学研究所资源数据中心提供的1990年、1995年和2000年三期1:10万土地利用数据，通过遥感系统和地理信息系统得到三期土地利用图，直接获取土地利用变化的空间与属性数据。80年代末无定河流域过去土地信息反演LWHM-LUCC模型参数率定

18、与检验降雨、蒸发及流量资料采用与现状土地利用覆被资料对应的19802000年逐日资料，为了与土地资料时间上更匹配，采用19862000年率定，19801985检验；考虑到LWHM-LUCC模型主要应用于评估土地利用/覆被变化对流域水资源的影响，因此选取计算时段长为日，以年为单位来统计出口断面的径流量，即地表水资源量。模型率定的目标函数为：模型模拟径流的精度指标：多年径流水量平衡系数R和径流合格率DR过去土地利用信息反演过去土地利用信息反演就是根据LWHM-LUCC模型在无定河流域的模型率定参数，然后再结合已知的水文资料来反演无定河流域过去缺乏的土地利用覆被资料。反演土地信息的时间段为1958

19、1979年，水文资料采用与之相应的逐日资料。土地利用信息反演目标函数通过变异诊断分析，19582000时段43年的径流资料在1971年发生了比较明显的变异，而降雨资料在1979年发生了比较明显的变异，结合无定河流域自50年代以来的水土保持措施，把反演时段划分为两段：19581971时段和19721979时段。反演土地信息合理性分析结合无定河流域自50年代至今所实施的水土保持措施，虽然在统计资料方面存在较多的问题，但还是能反映流域下垫面各土地利用类型的整体变化趋势:早期是耕地、林地和草地面积在增加；后期提倡退耕还林、退耕还草，耕地面积有所减少。可以看出反演的两个时段的土地利用信息与流域实际的下垫

20、面发展趋势是一致的。无定河流域未来土地信息预测马尔科夫链模型基本原理马尔科夫链模型是一种以概率论和随机过程理论为基础，运用数学模型来分析客观对象发展变化过程的统计分析方法，属于定量分析，在土地格局领域，已有很多学者引入它模拟植物的更替、土壤变化、森林覆被变化等。本文应用它来对无定河流域未来的土地利用信息进行预测。两个重要特性无后效性：系统到达某一状态的概率仅于前一状态有关； 吸收性：系统逐渐达到一个稳定状态，与原来的状态无关。 预测模型M（n）为第n分期各类型面积占有率矩阵M（0）为初始各类型面积占有率矩阵初始状态概率转移矩阵无定河流域土地利用类型转化情况19901995年19952000年利

21、用GIS的空间分析功能得到无定河流域的土地利用覆被变化图，并对全区土地利用空间数据叠置分析的结果进行统计排序，得到土地利用类型之间的转化情况。6.380.260.5761.533.6627.60比例（%）1936.6078.92173.0218676.931110.968377.75面积11.640.320.7155.323.6028.41比例（%）3534.0197.26215.7116790.471093.828622.90面积201512.980.330.7253.793.6528.53比例（%）3939.44100.16218.2516328.751108.768658.82面积201

22、014.660.340.7351.883.7328.67比例（%）4448.42103.50220.3015748.991131.128701.85面积2005未利用地建设用地水域草地林地耕地土地利用类型未来土地信息预测未利用地面积的减少和草地的增加，说明照目前的发展趋势，开荒种草的效果会比较明显。年份变化环境下LUCC与气候条件1958197119721979200020102015稳定过去气候过去气候现状气候未来气候未来气候未来气候多年平均49.7140.2932.3231.4031.2230.37 用LWHM-LUCC模型针对不同的基准环境来进行径流模拟计算，由模拟出来的六个基准径流序列

23、，可以看出来，相对19581971基准环境的多年平均径流深，19721979、2000年、2010年、2015年以及稳定状态基准的多年平均径流呈现减少趋势，尤其是19721979时段基准减少幅度最大。 对六个基准径流序列进行一致性分析，可以得出其具有一致性，因此可以对其做水文频率分析计算。过去、现状和未来变化环境下基准径流深（单位：mm）变化环境下年径流的模拟计算变化环境下年径流频率曲线参数1958197119721979200020102015稳定状态均值49.7140.2932.3231.4031.2330.37Cv0.280.270.240.240.240.24Cs0.560.541.3

24、51.441.541.60变化环境下地表水资源评价结果变化环境下年径流频率曲线变化环境下地表水资源评价结果未来(2010、2015、稳定状态)与现状（2000）多年平均地表水资源量相差不大， 分别减少了2.85%、3.37%、6.03%，反映两者径流形成的条件基本相同；与过去（19721979基准）相比分别减少了22.07%、22.49%、24.62%；而与过去（19581971基准）相比则分别减少了：36.83%、37.18%、38.91%， 反映两者径流形成的条件有显著的差异。四. 统计分析方法变化环境下地表水资源评价方法 非一致性水文序列的频率计算问题可以归结为水文时间序列的分解与合成，

25、并包括：对水文序列的确定性成分进行拟合计算和模型预测；对水文序列的随机性成分进行统计规律的推求；合成成分的数值计算、参数计算和分布的推求等。 变化环境下非一致性水文频率计算原理(NSFC-50579052)/(SZYZB-1) 基于方法择优度的地表水资源评价方法比较与选择 基于线性趋势分析的地表水资源评价方法 基于跳跃分析的地表水资源评价方法 基于非线性趋势分析的地表水资源评价方法 基于降雨径流关系的地表水资源评价方法变化环境下地表水资源评价方法非一致性序列水文频率计算方法 基于小波分析的地表水资源评价方法 基于HHT变换的地表水资源评价方法基于趋势分析的地表水资源评价方法实例： 永定河官厅水

26、库以上流域基于趋势分析的地表水资源评价方法 研究区范围及基本资料： 在海河流域选择永定河官厅水库以上流域。 研究对象为年径流量。 研究系列为19562000年共45年。Yt,2=463.9763-0.227334tYt,1=19.311.水文变异诊断 2.线性趋势拟合 4.随机成分提取 基于趋势分析的地表水资源评价方法 非一致性成分分解 Yt=Yt,2-Yt,1 结论：趋势变异 3.确定成分推求 Yt=Yt,2-Yt,1 St=Xt-Yt Xt St 1基于趋势分析的地表水资源评价方法 结果比较 5永定河流域地表水资源评价结果 永定河流域未来与过去多年平均地表水资源量相比减小约63.65%、现

27、状与过去相比减小约51.74%、未来与现状相比减小约24.67%，反映三个时期径流形成的条件有显著的差异。 基于趋势分析的地表水资源评价方法参数过去（1956年）现在（2000年） 未来（2010年） 均值(亿m3)19.319.31877.0198Cv0.20990.43750.5461Cs0.8330.8751.0922基于跳跃分析的地表水资源评价方法 研究区范围及基本资料： 疏勒河下游控制站潘家庄站。 研究对象为年径流量。 研究系列为19562000年共45年。1.水文变异诊断 2.确定性成分拟合 3.随机性成分提取 Yt,2=2.19Yt,1=2.76基于跳跃分析的地表水资源评价方法

28、非一致性成分分解 1跳跃变异，变异点1983年Yt=Yt,2-Yt,1St=Xt-Yt St Yt 基于跳跃分析的地表水资源评价方法 合成计算 24.随机成分频率计算 5.非一致性成分合成计算 6.过去、现状、未来对比 2000年：Yt=-0.57 2010年：Yt=-0.57 St统计参数：均值x，Cv，Cs 疏勒河流域地表水资源评价结果 疏勒河流域现状和未来与过去多年平均地表水资源量相比减小约21.27%。反映三个时期径流形成的条件有显著的差异。 基于跳跃分析的地表水资源评价方法 合成计算 3参数过去（1956年）现在（2000年） 未来（2010年） 均值(亿m3)2.7612.1736

29、2.1736Cv0.2170.27770.2777Cs0.6920.6830.683基于降雨径流关系的地表水资源评价方法实例：潮白河水资源分区1-2基于降雨径流关系的地表水资源评价方法 研究区范围及基本资料： 潮白河水资源分区1-2。 研究对象为年径流量。 研究系列为19562000年共45年。基于降雨径流关系的地表水资源评价方法 降雨径流关系线的建立 11.水文变异诊断跳跃变异，变异点1974年，建立变异前后的降雨径流关系基于降雨径流关系的地表水资源评价方法 非一致性成分分解 22.确定性成分拟合 3.随机性成分提取 Yt=ft,2-ft,1St=Xt-Yt 基于降雨径流关系的地表水资源评价方法 频率计算 34.随机成分频率计算 5.非一致性成分合成计算 6.过去、现状、未来对比 2000年：Yt= -10.8 年径流量(mm)St统计参数：均值x，Cv，Cs=1.918 2010年：Yt= -20.7 潮白河水资源分区II1-2未来与过去多年平均地表水资源量相比减小约