CN117010727B - 一种基于水平年的径流序列一致性改正方法 - Google Patents

一种基于水平年的径流序列一致性改正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于水平年的径流序列一致性改正方法，包括径流序列突变点识别与改正、径流序列渐变趋势分析拟合、径流序列渐变趋势一致性改正和径流序列水平年调整与修正。本发明利用趋势分析的成果推求各年份与还原年的径流差值，以能够处理缺乏详细取用水资料、受气候变化影响等渐变径流序列的一致性改正问题。

Description

一种基于水平年的径流序列一致性改正方法
技术领域
本发明涉及一种径流序列一致性的改正方法，具体为一种基于水平年的径流序列一致性改正方法，属于水文计算技术领域。
背景技术
一般而言，径流、洪水、泥沙等水文序列（径流序列）一致性改正是水文分析计算的基础。由于受兴建水库、引调水工程等人类活动影响，水文序列的一致性规律常遭受破坏，将受到破坏的水文序列进行一致性改正是开展水文分析必要步骤。
现有技术中，公开号为CN110619111A公开的一种天然径流系列一致性修正方法，该方法是通过设计映射转换模块，提出适用于阈值判定方法对统计修正法的适用范围进行了规范；将图解分析与统计分析相集成，以图解分析成果作为控制性的外边界条件，有效解决了修正比例超过100%以及修正后丰、枯年份天然径流量相对大小关系紊乱问题。该方案实质采用的是降雨径流模式法（采用未受人类活动措施影响的降雨径流模式推求天然径流，完全不考虑已有的径流实测资料和人类活动措施影响的调查资料）；然而，降雨径流模式法只能够适用于人类活动措施，而对径流影响量难以调查。
除此之外，对于径流序列的一致性改正还可以采用分项调查法和蒸发差值。其中，分项调查法要求在各类蓄水、引调水资料较为充分，各项人类活动措施及对径流影响量比较落实，按水量平衡原理推算天然径流，但很多情况下资料条件难以满足该方法的要求；蒸发差值法适用时段较长的径流还原，省略了流域的蓄水量变化。
由此可知，现有技术中的各种关于径流序列的一致性改正方法无法既能够考虑重大工程蓄水、引调水变化，又能考虑人类活动和社会用水等对径流影响量的渐近变化。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述至少一个技术问题而提供一种基于水平年的径流序列一致性改正方法，该径流序列一致性改正方法既能考虑重大工程蓄水、引调水变化，又能考虑人类活动和社会用水等对径流影响量的渐近变化，同时还能充分利用已有实测径流序列一致性改正方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于水平年的径流序列一致性改正方法，该径流序列一致性改正方法包括以下步骤：
步骤一、径流序列突变点识别与改正。
一方面，若水文断面上游存在影响径流序列的重大工程，则将重大工程的投入使用时间点作为突变点，使用受重大工程影响的径流数据，对突变点之后的实测径流序列进行还原，并与突变点之前实测径流序列组合成经突变改正后还原序列；
另一方面：若缺乏重大工程的径流数据，则采用数理统计方法计算突变点，使用突变点之前和突变点之后径流序列的平均值差，对突变点之后实测径流序列进行还原，并与突变点之前实测径流序列组合成经突变改正后还原序列。
步骤二、径流序列渐变趋势分析拟合。
开展经突变改正后还原序列的趋势分析，并利用趋势分析的成果，推求各年份与还原年的径流差值。
步骤三、径流序列渐变趋势一致性改正。
利用各年份与还原年的径流差值，回加至经突变改正后还原序列，得到经突变和渐变趋势改正后的还原序列。
步骤四、径流序列水平年调整与修正。
1）选定径流序列的水平年，利用趋势分析的成果，推求水平年与还原年的径流渐变差值；
2）利用受重大工程影响的径流数据或突变点前后径流序列的平均值差，推求水平年与还原年的径流突变差值，回加至经突变和渐变趋势改正后的还原序列，得到水平年的一致性径流序列。
作为本发明再进一步的方案：步骤一中，重大工程包括但不限于调节性水库、引调水工程、大型取退水口等。
作为本发明再进一步的方案：步骤一中，受重大工程影响的径流数据包括但不限于水库调蓄水量、引入或调出水量、取退水量等，其中，影响径流数据水库蓄水增加、调出水量以及取水量为正，水库蓄水减沙、引入水量以及退水量为负。
作为本发明再进一步的方案：步骤一中，重大工程的投入使用可能包括一个或多个重大工程投入使用，可分多个时间点分别还原。
作为本发明再进一步的方案：步骤一中，数理统计方法计算突变点包括但不限于Mann-Kendall突变分析方法、滑动T检验分析方法、Pettitt分析方法等。
作为本发明再进一步的方案：步骤二中，趋势分析包括但不限于线性回归分析方法、移动平均分析方法、指数平滑分析方法等。
作为本发明再进一步的方案：步骤二和步骤三中，还原年是指径流数据未发生突变和未发生趋势变化的年份，一般可简化处理为序列的第1年。
作为本发明再进一步的方案：步骤四中，水平年是指选定的径流数据与社会用水水平相协调的年份，包括但不限于现状水平年、规划水平年、工程投产运用年等。
作为本发明再进一步的方案：步骤四中，径流序列是指每年相同时间段通过水文断面的水量时间序列，时间长度包括但不限于年、月、日等。
本发明的有益效果是：
1）通过径流序列突变点识别与改正，基于重大工程投入使用的时间点作为突变点，能够对水文断面时间点后（突变点之后）的实测径流序列进行还原；
2）通过径流序列渐变趋势分析拟合，利用趋势分析的成果推求各年份与还原年径流差值，能够处理缺乏详细取用水资料、受气候变化影响等渐变径流序列的一致性改正问题，是一种径流序列一致性改正的快捷方法；
3）通过径流序列渐变趋势一致性改正，得到经突变和渐变趋势改正后的还原序列；并通过径流序列水平年调整与修正，选定径流序列的水平年，以及进一步推求水平年与还原年的径流突变差值，回加至经突变和渐变趋势改正后的还原序列，即得到水平年的一致性径流序列，可处理因重大工程投入使用导致径流序列的突变问题，避免因突变导致的趋势分析失真。
附图说明
图1为本发明整体流程示意图；
图2为本发明实施例二中A站以上累积降雨深-径流深曲线图；
图3为本发明实施例二中A站经突变改正后还原序列与水平年j径流系列过程线示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一，如图1所示，一种基于水平年的径流序列一致性改正方法，该径流序列一致性改正方法包括以下步骤：
第一：径流序列突变点识别与改正。
水文断面的径流序列突变点识别和改正考虑两种情况：一种情况是水文断面上游存在影响径流序列的重大工程，则将重大工程的投入使用时间点（时间点记为k）作为突变点k，时间点与突变点为同一时间，均为k，为突变点之后的实测径流数据，并使用受重大工程影响的径流数据，受重大工程影响的径流数据记为/>，/>；对水文断面时间点k以后（突变点之后）的实测径流序列进行还原/>，并与时间点k以前（突变点之前）的实测径流序列组合成经突变改正后还原序列/>；
另外一种情况是若缺乏重大工程的径流数据（水文过程中变动的数据），则采用数理统计方法计算突变点k，使用突变点k之前和突变点k之后径流序列的平均值差，对突变点k之后实测径流序列进行还原/>，并与突变点之前实测径流序列组合成经突变改正后还原序列/>。
这里需要注意的是：重大工程是指调节性水库、引调水工程、大型取退水口等。受重大工程影响的径流数据包括但不限于水库调蓄水量、引入或调出水量、取退水量等；其中，影响径流数据水库蓄水增加、调出水量、取水量为正；水库蓄水减沙、引出水量、退水量为负。径流序列指每年相同时间段通过水文断面的水量时间序列，时间长度包括但不限于年、月、日等。重大工程的投入使用可能包括一个或多个重大工程的投入使用，可分多个时间点分别还原。数理统计方法计算突变点包括但不限于Mann-Kendall突变分析、滑动T检验、Pettitt等分析方法。
第二：径流序列渐变趋势分析拟合。
将经突变改正后还原序列，开展趋势分析，利用趋势分析的成果推求各年份与还原年的径流差值/>。
趋势分析包括但不限于入线性回归分析方法、移动平均分析方法、指数平滑分析方法等。
第三：径流序列渐变趋势一致性改正。
利用各年份与还原年的径流差值，回加至经突变改正后还原序列/>，得到经突变和渐变趋势改正后的还原序列。
第四：径流序列水平年调整与修正。
1）选定径流序列的水平年，利用经突变改正后还原序列/>趋势分析的成果，推求水平年/>与还原年的径流渐变差值/>；
2）利用受重大工程影响的径流数据或突变点前后（突变点之前和突变点之后）径流序列的平均值差/>，推求水平年/>与还原年的径流突变差值/>，回加至经突变和渐变趋势改正后的还原序列/>，即得到水平年/>的一致性径流序列/> 。
这里需要注意的是：还原年是指未发生突变和未发生趋势变化的年份，一般可简化处理为序列的第1年。水平年是指选定的径流数据与社会用水水平相协调的年份，包括但不限于现状水平年、规划水平年、工程投产运用年等。
实施例二，以某流域A水文站为例，水文站上游陆续修建了一些水库和引水工程，其中大型水库B水库于2005年9月蓄水发电，且不同时期都有河道外引水情况，因此，A站实测径流系列受上游B水库蓄水调度和引水工程影响，不满足一致性要求，考虑采用本次提出的技术方案进行A站径流一致性改正。
（1）径流序列突变点识别与改正
考虑到B水库2005年蓄水后，对A站的径流一致性（2005年之后实测年平均流量2470m3/s）带来影响，因此，考虑将2005年作为系列突变点，首先将B水库2005年之后的蓄变量过程（多年平均影响流量约30m3/s）还原到A水文站，得到A水文站2005年之后的还原径流（多年平均流量约2500m3/s），与A水文站2004年前的径流系列组成经突变改正后还原序列。
（2）径流序列渐变趋势分析拟合
采用A站经突变改正后还原序列进行Mann-Kendall非参数检验，Kendall秩次相关检验，Spearman秩次相关检验和线性回归LRT检验，在显著性水平α=0.05下，，，A站年径流统计检验成果表明，该站年径流系列有显著下降趋势，通过统计A站以上累积降雨深与累积径流深的关系来分析A站径流趋势性变化，采用线性回归方法（拟合方程：y=0.6078x+234.74）推求各年份与还原年的径流差值，如图2所示。
（3）径流序列渐变趋势一致性改正
在第一步基础上，叠加第二步所得的径流序列渐变差值，从而得到A站经突变和渐变趋势改正后的还原序列。
（4）径流序列水平年调整与修正
选定径流序列的水平年j，利用趋势分析的成果（多年平均流量约2670m3/s），推求水平年j与还原年的径流渐变差值，之后利用受重大工程影响的径流数据，推求水平年j与还原年的径流突变差值，回加差值流量（约20m3/s）至经突变和渐变趋势改正后的还原序列，即得到水平年j的一致性径流序列（多年平均流量约2650m3/s），A站经突变改正后还原序列与水平年j径流系列过程，如图3所示。
工作原理：根据水文断面上的重大工程投入使用时间点作为突变点，并对水文断面时间点后的实测径流序列进行还原；通过径流序列渐变趋势分析拟合，利用所述趋势分析成果推求各年份与还原年径流差值，以能够处理缺乏详细取用水资料、受气候变化影响等渐变径流序列的一致性改正问题，是一种径流序列一致性改正的快捷方法。通过径流序列渐变趋势一致性改正，得到经突变和渐变趋势改正后的还原序列；并通过径流序列水平年调整与修正，选定径流序列的水平年，以及进一步推求水平年与还原年径流突变差值，回加至经突变和渐变趋势改正后的还原序列，即得到水平年的一致性径流序列。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种基于水平年的径流序列一致性改正方法，其特征在于：所述径流序列一致性改正方法包括以下步骤：
步骤一、径流序列突变点识别与改正：
1）若水文断面上游存在影响径流序列的重大工程，将重大工程的投入使用时间点作为突变点，并使用受重大工程影响的径流数据，对所述突变点之后的实测径流序列进行还原，并与所述突变点之前实测径流序列组合成经突变改正后还原序列；
2）若缺乏重大工程影响的径流数据，则采用数理统计方法计算突变点，使用突变点之前和突变点之后径流序列的平均值差，对突变点之后实测径流序列进行还原，并与突变点之前实测径流序列组合成经突变改正后还原序列；
步骤二、径流序列渐变趋势分析拟合：
将所述经突变改正后还原序列开展趋势分析，利用所述趋势分析的成果，推求各年份与还原年的径流差值；
步骤三、径流序列渐变趋势一致性改正：
利用所述各年份与还原年的径流差值，回加至所述经突变改正后还原序列，得到经突变和渐变趋势改正后的还原序列；
步骤四、径流序列水平年调整与修正：
1）选定径流序列的水平年，利用所述趋势分析的成果，推求水平年与还原年的径流渐变差值；
2）利用受重大工程影响的径流数据或突变点前后径流序列的平均值差，推求水平年与还原年的径流突变差值，回加至所述经突变和渐变趋势改正后的还原序列，得到水平年的一致性径流序列；
其中，所述还原年是指径流数据未发生突变和未发生趋势变化的年份；所述水平年是指选定的径流数据与社会用水水平相协调的年份，包括现状水平年、规划水平年或工程投产运用年；径流序列是指每年相同时间段通过水文断面的水量时间序列，时间长度包括年、月或日。
2.根据权利要求1所述的径流序列一致性改正方法，其特征在于：步骤一中，所述重大工程包括调节性水库、引调水工程或大型取退水口。
3.根据权利要求1所述的径流序列一致性改正方法，其特征在于：步骤一中，所述受重大工程影响的径流数据包括水库调蓄水量、引入或调出水量或取退水量，其中，影响径流数据水库蓄水增加、调出水量以及取水量为正，水库蓄水减沙、引入水量以及退水量为负。
4.根据权利要求1所述的径流序列一致性改正方法，其特征在于：步骤一中，若重大工程的投入使用包括一个或多个重大工程的投入使用，则分多个时间点分别还原。
5.根据权利要求1所述的径流序列一致性改正方法，其特征在于：步骤一中，所述数理统计方法计算突变点包括Mann-Kendall突变分析方法、滑动T检验分析方法或Pettitt分析方法。
6.根据权利要求1所述的径流序列一致性改正方法，其特征在于：步骤二中，所述趋势分析包括线性回归分析方法、移动平均分析方法或指数平滑分析方法。
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