人类活动对水文序列的显著影响干扰点分析_以黄河中游无定河流域

第12卷第3期2001年9月Northwest　Water　Resources　&　Water　Engineering

西　北　水　资　源　与　水　工　程

Vol.12No.3

Sep.,2001　

人类活动对水文序列的显著影响干扰点分析

———以黄河中游无定河流域为例

Analysisonthetransitionpointofhydrologicalseriesimpactedbyhumanactivities

———AcasestudyofWudinghebasininthemiddlereacheoftheYellowRiver

王国庆,贾西安,陈江南,张云,李皓冰,王云璋

1

2

1

2

1

1

(1.黄河水利科学研究院,河南郑州450003;2.马莲河流域水土保持世行项目科技培训中心,甘肃西峰745000)

摘　要:水文序列的一致性分析是水文计算中的一项重要内容,以黄河中游的无定河流域为例,运用斯波曼秩次相关检验法检验了该流域水文序列的趋势性,然后,利用有序聚类分析法推估了人类活动对序列的显著影响干扰点。结果表明:1972年是无定河流域水文序列的突变点,1972年以后人类活动对该流域水文的影响更为显著。

关键词:人类活动;水文序列;聚类分析;干扰点

中图分类号:P333　　　　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:1008-5858(2001)03-0013-03

WANGGuo-qing1,JIAXi'an2,CHENJiang-nan1,ZHANYun2,LIHao-bing1,WANGYun-zhang1

(1.InstituteofHydraulicResearchofYRCC,Zhengzhou,Henan450003,China;2.Scientific&TechnicalTrainingCenteroftheWorldBankLPLDP,Xifeng,Gansu745000,China)　　Abstract:Analysis

onthestationaryofhydrologicalseriesisanimportantcontentinhydrologycalculation.

TakingWudingheRiverasexample,thetendencyofhydrologicalseriesofthebasinisexaminedwithSpear-

mancorrelativeanalysismethod.Andmeanwhile,thetransitionpointoftherunoffcoefficientseriesaffectedbyhumanactivitiesisdetectedwithclustertechniquemethod.Theresultsshowthat1972isthetransitionpointofhydrologicalseriesofWudinghe,andhumanactivitieshaveaffectedsignificantlyonhydrologyofWud-inghebasinsince1972.

Keywords:Humanactivities;Hydrologicalseries;Clusteranalysistechnique;Transitionpoint　　在水土保持效益评价中,未受人类活动影响的径流、泥沙序列的确定或选取非常重要;在水文模拟计算和洪水频率分析中,也通常以水文序列的平稳性为基础;然而,随着人类改造自然能力的不断增强,人类活动对流域水文的影响愈加显著,从而破坏了水文序列的一致性。正确推估人类活动等因素对水文序列的显著影响干扰点,在水文分析计算中具有现实意义。

水文序列是流域下垫面在一定气候条件下的反映,对于一个流域来说,气候条件可以认为是一种自然的随机变化,不受人类活动等因素的影响,当流域受到人类活动等因素的影响而发生较大变化时,水文序列的平稳性就会遭到破坏,其时序变化将更加错综复杂,它是序列固有的随机变化与干扰变化相综合的

结果。

在流域受到大型水利工程(如水库运行)影响的情况下,水文序列突变显著,干扰点明显,易于确定;但若流域受到大规模水土保持工程(尤其是林草措施的实施)的影响,由于水保措施的滞后效应,流域水文序列将呈现趋势性渐变,干扰点不明显,不易直接确定,在这种情况下,根据影响后的水文序列的统计特性变化,可采用数理统计的方法进行水文序列的趋势性分析和显著干扰点的推估。本文针对后者,以黄河中游无定河流域为例,分析推估了人类活动对水文序列的显著影响干扰点。

1　分析方法

目前,在时间序列数理统计分析方法中,斯波曼

收稿日期:2001-06-18

资助项目:黄河水保科研基金项目(项目编号:2000-03-03)资助作者简介:王国庆(1971—),男(汉族),山东成武人,硕士,工程师,从事全球变化影响、产流产沙机制、水文分析等方面的研究,发表论文20

余篇。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　14西北水资源与水工程　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2001年

秩次相关检验法是分析时间序列平稳性、检验趋势性的有效手段;受到人类活动显著影响后的水文序列将呈现一定的趋势性,因此,可采用该方法进行序列的趋势性检验;另一方面,受人类活动显著影响后的水文序列在某种意义上异于原天然序列;在“类”的角度上,可将影响后的序列和原有序列(天然序列)视为两类,因此,天然序列和影响后序列间突变点的推求可以采用有序聚类分析的方法[1,2]。

斯波曼秩次相关检验法和有序聚类分析法是用来分析人类活动对水文序列影响的两种数理统计方法。在实例分析时,一般先用前者定性判断水文序列是否具有一致性,在得出人类活动对水文序列具有影响结论的前提下,再以后者定量寻求显著影响干扰点。这样便可为天然序列选取提供更为科学的依据。1.1　斯波曼秩次相关检验法

斯波曼秩次相关分析法是水文序列趋势性分析的一种常用方法,其主要是通过分析水文序列αi与其时序i的相关性而检验水文序列是否具有趋势性。在运算时,水文序列α即把序列αi用其秩次Ri(i从大到小排列时,α代表,则秩次相关系数i所对应的序号)为:

n

势,则根据水文序列的秩次相关系数计算T统计量,然后选择显著水平α,在t分布表中查出临界值tα/2,当|T|≥tα/2时,则拒绝原假设,说明序列随时间有相依关系,从而推断序列趋势明显,否则,接受原假设,趋势不显著。1.2　有序聚类分析法

利用有序聚类分析法推估水文序列的可能显著干扰点τ0,其实质上就是推求最优分割点,使同类之间的离差平方和最小,而类与类之间的离差平方和相对较大。最优点分割方法如下:

Vr=Vn-r

αα)i- τ∑(

2

=∑(ααi- n-r)

2

(3)(4)

式中, aτ为干扰点τ前的水文序列均值;α n-r为干扰点τ后的水文序列均值。

总离差平方和为:

Sn(τ)=Vτ+Vn-r

＊

(5)

最优分割使Sn(τ)=min[Sn(τ)],满足该条件

的τ为最优分割点。

2　应用举例

无定河是黄河河口镇—龙门区间右岸的最大支流,也是多年来水土保持工作的重点地区。二十世纪六、七十年代以来的大规模水利水保工程建设在一定程度上改变了流域下垫面状况,从而引起了较为显著的流域水文效应。故以该流域为例,推估人类活动对水文序列的显著影响干扰点。

由于流域水文是气候条件与下垫面共同作用的结果,下垫面变化对水文的影响可在一定程度上由径流系数的变化来反映,图1给出了无定河流域1956年—1995年的年径流系数及其5年滑动平均过程,由图可以看出,年径流系数在70年代初期有较大的

6∑d2ii=1

r=1-3

n-n

式中,n为序列长度;di=Ri-i。

(1)

如果秩次Ri与时序i相近,则di较小,秩次相关系数较大,趋势性显著。

通常采用t检验法检验水文序列的趋势性是否显著,统计量T的计算公式为:

T=r

(n-4)/(1-r2)

(2)

T服从自由度为n-2的t分布,原假设为序列无趋

图1　无定河流域年径流系数及其5年滑动平均过程第3期　　　　　　　　　　　　王国庆等:人类活动对水文序列的显著影响干扰点分析　　　　　　　　　15

变化,后期较前期明显偏小。

根据年径流系数序列计算出斯波曼秩次相关系数为0.694,相应的T统计量5.78;取显著水平α为0.05,在t分布表中查出临界值tα/2为2.23,可见统计量T远大于相应临界值,说明年径流系数序列具有明显的趋势性,即人类活动对流域水文的影响显著。

以年径流系数序列为样本,利用有序聚类分析法

计算出与τ对应的Sn(τ),点绘Sn(τ)的时程变化(图2),由图2可以看出,在1972年处出现最小值,由此可以判定1972年是序列的显著突变点,在此之前的序列可视为天然序列,在此以后人类活动对流域水文的影响显著。该结论和流域内水土保持措施实施的情况基本吻合。

图2　无定河流域Sn(t)的变化过程线

若1972年为人类活动对无定河水文影响的显著干扰点,则其前后的水文序列应无明显趋势性;为验证1972年是人类活动显著干扰点的可靠性,采用斯波曼秩次相关检验法分别对1956～1971年和1973

～1995年两个时段的水文序列进行平稳性检验,计算的相应T统计量分别为1.67和1.83,均小于相应临界值,由此说明以1972年为分界点,前后序列均无明显的趋势性,序列平稳,由此可见,确定1972年为人类活动对无定河流域水文影响的显著干扰点是合理的。

域水文的影响愈加显著;确定影响水文序列的显著干扰点、选出相对天然的序列,是水土保持效益正确评价的基础。本文针对水文序列统计特性的变化,将数理统计学方法应用于水文序列显著影响干扰起始点的推求和天然序列的选取,经检验,推求结果合理,且与实际情况吻合。然而,人类活动影响是非常复杂的,统计推估和检验仅是一种手段,在实际应用中,应将统计学方法和流域实际情况结合起来综合分析,才能得出更合理可靠的结论。

参考文献:

[1]丁晶,邓育仁.随机水文学[M].成都:科技大学出版社.[2]Sharmh,T.C.Stochasticmodelsappliedtoevaluatinghy-drologicchanges[J].JounalofHydrology,1985(78).

3　结　语

随着大规模水土保持措施的实施,人类活动对流

本刊加入“万方数据———数字化期刊群”的声明

为了实现科技期刊编辑、出版发行工作的电子化,推进科技信息交流的网络化进程,我刊现已入网“万方数据库———数字化期刊群”,所以,向本刊投稿并录用的稿件文章,将一律由编辑部统一纳入“万方数据———数字

化期刊群”,进入因特网提供信息服务。凡有不同意者,请另投它刊。本刊所付稿酬包含刊物内容上网服务报酬,不再另付。

“万方数据———数字化期刊群”是国家“九五”重点科技攻关项目。本刊全文内容按照统一格式制作,读者可上网查询浏览本刊内容,并征订本刊。

《西北水资源与水工程》编辑部

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xua7.html