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变化环境下秃尾河流域径流演变规律研究

作　者: 周旭
导　师: 严宝文
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 水文学及水资源
关键词: 径流演变小波分析希尔伯特-黄变换秃尾河人类活动气候变化
分类号: P333.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

受环境因子变化的影响，在过去50年中黄河流域的水循环规律发生了巨大的变化，主要表现在水量减少、河床抬升、水质污染等方面。秃尾河流域是黄河中游河口-龙门区间右岸支流，著名的榆林神木煤化学工业区贯穿流域中部，使其成为陕北地区能源重化工基地的重要组成部分。近年来，大规模的水土保持措施和水利工程建设的实施，造成流域地表与地下产水的下垫面条件发生了变化，引起了水资源利用及其分布格局的改变。因此分析研究该区域的河川径流变化特征、演变成因，对今后水利水保工程建设和水资源开发具有十分重要的意义。论文以秃尾河流域为研究对象，以随机理论、希尔伯特-黄（HHT）变换理论、小波变换理论等方法为基础，结合传统数理统计方法，重点针对流域径流趋势和突变特性、多时间尺度的波动变化、气候变化及人类活动对年径流变化的影响展开系统的研究与分析，主要取得了以下主要成果：（1）秃尾河流域多年平均径流量为3.46×10~8m~3（1956-2005年），径流年内分配不均，汛期降水量集中于7～8月，最大月径流量发生在8月，最小月降水在1月。在20世纪70年代以前流域径流量比较丰富，其多年平均径流量达到4.23～4.33×10~8m~3，从1970年以后，多年平均径流径流量迅速减少，到2000-2005这一时段，径流量减少到2.20×10~8m~3。（2）秃尾河流域降水量整体有下降的趋势，且下降趋势显著，但其没有显著的突变点。流域年径流序列也呈显著的下降趋势，而且不同站点出现了明显的变异点，其中上游高家堡站对应的径流序列发生发生突变的年份为1983年，而高家川站径流序列发生突变的年份为1979年。由降水和径流序列的变异性差异以及上下游水文站点对应径流序列变异点的不同说明：流域径流发生突变的主要原因是由于人类因素引起的。（3）秃尾河流域径流序列通过EMD分解为3个具有不同波动周期的IMF分量和一个显著递减的趋势分量。分别就径流序列各分量对原始序列的影响程度进行显著性检验发现，径流序列的3阶IMF分量中，第一、二阶IMF分量通过了95%置信度检验，即表明第一、二阶IMF分量包含了原始序列的主要信息，其对应的周期（3～4年、8～9年）为径流序列的主要周期。对秃尾河流域降水IMF分量与径流IMF分量进行相关性分析发现，流域降水与径流在小尺度范围内相关性较好，降水的小尺度波动可能导致了径流序列发生相应较小幅度的波动变化，而径流序列的大尺度波动变化则是由人类活动的变化引起的。（4）利用小波分析方法得到秃尾河流域年径流和年降水序列在不同时间尺度下的波动变化特征以及不同时间尺度下径流序列的丰、枯变化情况：秃尾河流域径流序列存在尺度为5年、13年、38年左右的周期波动。这三个周期的波动控制着流域径流在整个时间域内的变化特征。在1956-1975年时段，年径流在3～9年时间尺度下振荡剧烈，波动变化频率快，丰枯交替变化比较清晰；在10～16年时间尺度，径流序列也表现出清晰的丰枯交替变化，且波幅变化基本一致；在30～45年时间尺度上，径流序列有个跨度比较大的丰枯变化，丰枯变化表现为：两个丰水段，即1963～1974年，1989～2000年；一个枯水段，1975～1988年。（5）采用HHT方法和小波分析方法分析流域径流序列的变化原因，其结论在小尺度范围内是一致的，即秃尾河流域降水的小尺度波动可能导致径流序列发生较小的波动变化，对于径流序列的大尺度的波动变化，则是由于人类活动的影响造成的。（6）受到降水和人类活动综合影响，秃尾河流域径流近年来呈明显下降趋势。以1956-1978年作为基准期，建立基准期年径流与年降水量的多元回归方程，分离出降水和人类活动对河川径流量的影响量及其比例；分析得出人类活动的影响从20世纪70年代开始已成为秃尾河流域径流减少的主要原因。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-22
  1.1 研究背景与意义  12-13
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  13-19
    1.2.1 气候变化对径流的影响研究  13-15
    1.2.2 人类活动对径流的影响研究  15-17
    1.2.3 水文时间序列分析现状  17-18
    1.2.4 存在问题及发展趋势  18-19
  1.3 论文研究内容和技术路线  19-22
    1.3.1 论文研究主要内容  19-20
    1.3.2 论文技术路线  20-22
第二章秃尾河流域概况及径流序列统计特性分析  22-30
  2.1 秃尾河流域概况  22-24
    2.1.1 自然地理条件  22-24
    2.1.2 社会经济条件  24
    2.1.3 水资源利用现状  24
  2.2 秃尾河流域径流序列统计特征  24-30
    2.2.1 基本资料情况  24-25
    2.2.2 流域径流基本统计特征  25-26
    2.2.3 流域径流年内分配及年际变化  26-30
第三章秃尾河流域水文序列的趋势及变点分析  30-39
  3.1 时间序列趋势分析方法  30-31
    3.1.1 Mann-Kendall 秩次相关检验法  30-31
    3.1.2 Spearman 秩次相关检验法  31
  3.2 时间序列变异点识别方法  31-33
    3.2.1 有序聚类分析方法  31-32
    3.2.2 Mann-Kendall 突变检测方法  32-33
  3.3 降水趋势变化及变点分析  33-35
    3.3.1 降水趋势变化特征  33-34
    3.3.2 降水变点分析  34-35
  3.4 径流趋势变化及变点分析  35-37
    3.4.1 径流趋势变化特征  35-36
    3.4.2 径流变点分析  36-37
  3.5 本章小结  37-39
第四章基于希尔伯特-黄（HHT）变换理论的径流演变规律分析  39-52
  4.1 经验模态分解（EMD）的基本理论  39-41
    4.1.1 EMD 方法的提出  39-40
    4.1.2 经验模态分解步骤  40-41
  4.2 经验模态分解方法存在的问题及算法改进  41-43
    4.2.1 IMF 分量筛选停止准则  41-42
    4.2.2 EMD 分解的端点效应问题处理方法  42-43
    4.2.3 IMF 分量的显著性检验  43
  4.3 希尔伯特-黄（HHT）变换  43-44
  4.4 基于 HHT 方法的水文时间序列分析  44-50
    4.4.1 流域降水序列的 EMD 分析  44-47
    4.4.2 流域径流序列的 EMD 分析  47-50
    4.4.3 降水分量和径流分量的相关关系  50
  4.5 本章小结  50-52
第五章基于小波理论的径流演变规律分析  52-65
  5.1 小波分析方法  52-55
    5.1.1 小波变换  52-54
    5.1.2 小波函数  54
    5.1.3 小波函数选择原则  54
    5.1.4 小波方差  54-55
  5.2 秃尾河流域水文序列小波变换  55-57
    5.2.1 小波函数的选择  55
    5.2.2 水文序列基本资料及预处理  55-56
    5.2.3 水文时间序列的小波变换  56-57
  5.3 秃尾河流域水文序列多时间尺度特性分析  57-64
    5.3.1 年降水距平序列的小波分析  57-60
    5.3.2 年径流距平序列的小波分析  60-64
  5.4 本章小结  64-65
第六章环境因子变化对秃尾河流域径流的影响  65-74
  6.1 气象要素的变化规律及对径流影响的定性分析  65-67
    6.1.1 气温的变化及对径流的影响  65-66
    6.1.2 降水量的变化及对径流的影响  66-67
  6.2 人类活动要素的变化及对径流影响的定性分析  67-69
  6.3 气候变化及人类活动对径流的影响的定量估算  69-73
    6.3.1 分析方法  69-70
    6.3.2 流域径流变化的阶段性划分及降雨径流关系  70-72
    6.3.3 气候变化与人类活动对流域径流量的影响  72-73
  6.4 本章小结  73-74
第七章结论与展望  74-77
  7.1 结论  74-75
  7.2 展望  75-77
参考文献  77-83
致谢  83-84
作者简介  84

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