不同網絡模型在流域水文變異診斷中的應用

郝英澤

(黑龍江省慶達水利水電工程有限公司，哈爾濱 150080)

1 緒 論

水文變異診斷可識別河川徑流的變異時間點，通常水文序列分為近天然序列和人類活動干擾序列，處于人類活動干擾期的近天然序列，對比實測徑流序列，可定性自然或社會因子在河川徑流演變過程的影響，水文演變結果可驗證不同水文預測模型的準確性[1]，為水文研究提供一定的理論基礎，同時對制定流域水資源調配、社會目標實現提供重要的參考信息。

2 水文變異診斷體系

長時間氣候序列采用分段線性擬合進行回歸變異診斷，模型目標函數原理是利用最小二乘法計算全局最優解，步驟如下[2]：

1)假設一時間序列{y(ti)}i=1,…,n；

2)利用最小二乘法擬合變異點時間序列，分段線性擬合方程表達為：

(mm=0，…，m；Tmm≤ti≤Tmm+1)

(1)

式中：Tmm為變異點位置；b為回歸系數向量。

假設該時間序列存在3個變異點：

y(t1)，…，y(tbp(2))，…，y(tbp(3))，…，

y(tbp(4))，…，y(tm)

(2)

序列中tbp(2)、tbp(3)、tbp(4)是變異點位置，建立回歸方程：

y(ti)=a1ti+c1，i=1，…，bp(2)

(3)

變點處存在連續性，聯立方程式如下：

c2=c1+(a1-a2)tbp(2)

(4)

c3=c1+(a1-a2)tbp(2)+(a2-a3)tbp(3)

(5)

c4=c1+(a1-a2)tbp(2)+

(a2-a3)tbp(3)+(a3-a4)tbp(4)

(6)

3)確定任意兩斷點間的最小距離后，準則表達為：

min‖y-As‖

(7)

式中：s為向量解；A是(n×(m+1))矩陣。

上述準則可得出最優的線性分割點，不斷迭代后，可得計算時間序列的所有回歸變異點。

3 流域綜合診斷

3.1 流域概況

渭河流域總集水面積為13.48×104km2，流域水量豐富，主要支流有14條。多年平均氣溫7.8-13.5℃，多年平均降水量572mm，分布趨勢為山區多平原少，有南向北遞減，空間分布不均衡，多年平均蒸發量120-600mm[3]。

3.2 回歸變異診斷

圖2-4為咸陽、臨潼、華縣水文站的回歸變異計算結果。不同站點的回歸變異診斷結果見表1[4]。

圖1 渭河流域水系圖

圖2 咸陽水文站年徑流回歸變異結果

圖3 臨潼水文站年徑流回歸變異結果

圖4 華縣水文站年徑流回歸變異結果

表1 咸陽站、臨潼站以及華縣站年徑流回歸變異診斷結果

由圖示結果可知：①咸陽水文站的實測年徑流在1934-1964年間趨于平穩，此后的年徑流序列不斷降低。分析認為，該期間大范圍的人類活動和環境變化，造成渭河流域年徑流趨勢發生明顯改變。1995-2010年間，年徑流序列變化平穩，下降速率趨于緩慢，該時間段的水利工程進入運行期，人類活動得到限制。②臨潼和華縣水文站的整體徑流變化基本類似咸陽站，除過90年后期，兩站的徑流下降幅度明顯大于咸陽站，分析是由涇河和北洛河的匯入量降低、蒸發量偏高的原因造成。

3.3 方差變異

基于臨潼站回歸變異的計算分析結果，分段剔除實測年徑流量的趨勢成分，利用預置白過程(PW)去除序列的自相關性，然后代入ICSS模型，進行序列方差變異的多點檢測[5]。結果表明，臨潼站方差變異點為1985年，模型統計量變化及變異點位置檢測結果如圖5所示。

圖5 ICSS檢測統計量變化及變異點位置

從圖6可得，變異點前數據變幅較大，之后變幅減小，最值相差達到1/3，箱體(25%-75%分位數區間)高度降低將近1/2。1985年作為方差變異點，去趨勢序列出現顯著的振幅變化，Dk>95%的對應統計量1.358。表明流域水文序列豐水年已經消失，河流徑流減小，對河流生態環境將造成不利影響。

圖6 統計量變化及變異點位置

3.3.1 不同因子對檢驗結果的影響

方差變異診斷模型受序列趨勢因子影響較大，為論證趨勢成分的影響程度，去除水文序列的自相關性，并帶入模型直接辨識方差變異點。圖7為含趨勢成分的方差變異診斷結果。

圖7 含趨勢成分的原始序列的方差變異檢驗結果

由圖可知：①ICSS模型未辨識出方差變異點，故認為趨勢成分客觀影響方差變異診斷結果。②通過驗證認為變異點檢測和序列長度有一定關系，當序列邊緣和變異點距離>3時，診斷模型可準確辨識；當距離<3時，數值出現跳躍，對結論產生一定誤導。③ICSS算法計算方差變異點結果準確，剔除自相關性因素后，可準確識別變異點，運用該算法進行方差變異診斷合理有效。

4 結 論

文章基于水文變異回歸和方差診斷基本原理，運用不同模型計算渭河流域水文時間序列變異點，得到該序列的統計參數和水文序列的變異結果，驗證不同模塊下的算法適用性。結果表明：渭河流域徑流序列在1985年發生明顯變化，相關關系在時域上有變異，此后徑流量振幅降低，水文序列演變趨于平緩。