一种人类活动对河川径流过程显著影响期的判断方法

摘要

本发明提供了一种人类活动对河川径流过程显著影响期的判断方法，收集研究流域内长序列逐月水文气象资料，初步判断人类活动对年径流量显著影响而变化的年份，筛选适合于研究流域的水文模型，模拟全系列径流过程，统计每个年份对年径流量的模拟误差标准量SRE

说明书

技术领域

本发明涉及水文水资源应用领域，具体涉及一种人类活动对河川径流过程显著影响 期的判断方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，许多流域修建了大量的水利工程、交通工程等，同时城 镇化率的不断提升、流域下垫面发生的显著变化，直接影响了流域的产汇流规律，以及 蓄水、用水和耗水条件。在全球变暖背景下，各地气温也有不同程度的升高，不同地区 的降水也呈现出或增或减的趋势性变化。受气候变化和下垫面环境变化等多种因素的影 响，自20世纪80年代以来，中国多数河流实测径流呈现出减少趋势，特别是北方河流， 减少更为显著。环境变化对中国水资源的可持续开发利用带来了巨大压力，准确把握人 类活动对江河径流量显著影响的起始年份，是科学评估人类活动对区域水资源影响的重 要基础工作，也是实现变化环境下水资源管理、水资源优化配置和水资源可持续性开发 利用、保障社会经济快速稳定发展等方面的重要科学支撑。

水文时间序列也会发生从一种状态过渡到另一种状态的变化特性，即表现出变异性 (也称跳跃)。突变是跳跃的一种特殊形式，是瞬间行为，突变发生后，水文序列一般 又保持原来的特性。水文序列的变异性研究一直是水文学研究热点，目前水文变异分析 中，应用较多的方法包括：有序聚类分析法、游程检验法、秩和检验法、Man-Kendall 突变检验法、R/S法以及逐时段滑动分割模型等。然而，水文序列是受人类活动和气候 要素等多方面综合影响的，上述传统的水文变异分析方法诊断的突变结果也未必是人类 活动单一要素引起的，气候要素变异也可能引起水文序列的变异，因此，传统数理统计 分析诊断方法就很难满足人类活动的水文效应分析评估的需要。另外，水文序列变异也 可以通过大规模调研流域内的人类活动状况进而做出判断，然而，以大量野外调研的途 径需要大量的人力、物力和财力支持，是一种较为费时费力的途径。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种人类活动对河川径流 过程显著影响期的判断方法，能有效地避免因气候要素变异对水文序列影响带来的误 判，更方便、快捷、直观、科学地给出由人类活动引起的水文序列显著影响时期判断结 果，进而更好地为科学评估流域内人类活动影响提供支撑。

技术方案：本发明提供了一种人类活动对河川径流过程显著影响期的判断方法，包 括以下步骤：

(1)收集研究流域内长序列逐月降水量、气温、水面蒸发量以及流域出口断面逐 月实测河川径流量；

(2)绘制流域年降水量及年径流量过程，初步判断人类活动对年径流量显著影响 而变化的年份；

(3)筛选适合于研究流域的水文模型，利用人类活动影响之前的水文气象资料， 以NSC系数和相对误差RE为目标率定模型参数，如果NSC系数大于70％且相对误差 RE小于5％则认为模型合格；

(4)利用构建的水文模型模拟全系列径流过程，统计每个年份对年径流量的模拟 误差标准量SRE_i，计算逐年模拟误差标准量的累积值其中i表示年份，一共 有n年，从第1年开始计算；

(5)绘制模拟误差标准量的逐年过程，根据过程偏离横轴的情况 判断人类活动对河川径流过程显著影响期。

进一步，所述步骤(4)中计算每个年份对年径流量的模拟误差标准量SRE_i，即反 映了模拟误差方向，同时有效避免了个别年份模拟误差偏大对诊断结果的影响：

${\mathrm{SRE}}_i=\left(\begin{array}{c}+1,......Q_{\mathrm{SIMi}}>Q_{\mathrm{REi}}\\ 0,.......Q_{\mathrm{SIMi}}=Q_{\mathrm{REi}}\\ -1,......Q_{\mathrm{SIMi}}<Q_{\mathrm{REi}}\end{array}\right)$

式中，Q_SIMi为模拟的年径流量，Q_REi为实测的年径流量；

计算逐年模拟误差标准量的累积值

${\mathrm{SumSRE}}_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\mathrm{SRE}}_i,(i=1,......N)$

式中，N为整个径流量系列的长度即总年数。

有益效果：1、本发明以数理统计与水文过程物理模拟方法为基础，诊断人类活动 对河川径流影响时期，科学摒弃了气候要素对河川径流的可能影响，并且诊断结果与流 域内人类活动实际状况一致，有效地避免传统方法因气候要素变异对水文序列影响带来 的对人类活动显著影响期的误判，因此给出的诊断结果更为科学、合理；2、本发明较 流域调查方法更加方便、快捷、直观，同时，成本小，效率高

附图说明

图1为本发明中绘制的实测年径流量过程示意图。

图2为本发明中采用的考虑融雪过程的水量平衡模型结构图。

图3为本发明中采用考虑融雪过程的水量平衡模型模拟的可能突变年份之前的径流 量过程与实测径流量的比较。

图4为利用本发明的诊断方法绘制的误差标准量累积过程。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施 例。

实施例：一种人类活动对河川径流过程显著影响期的判断方法，其核心是将统计分 析与水文模拟有机结合起来，通过模拟误差分析进而诊断人类活动的显著影响期，其诊 断过程一般包括目视初判、水文模拟、标准误差分析、详细评判，进而保证了评判结果 的科学性。以黄河中游窟野河流域为例，具体评判步骤如下：

1)收集窟野河流域建站以来(1955～2010年)的逐月降水、气温、水面蒸发量以及 流域出口断面测站温家川站逐月实测河川径流量，计算逐月流域面平均降水量、面平均 气温及水面蒸发量。

2)绘制窟野河流域1955～2010年期间温家川站年径流量过程，初步判断人类活动 对年径流量显著影响而变化的年份为1975年或1984年前后，如图1所示，图中 Q＝-1.3008T+100.13表示年径流量随时间的线性变化，每年约减少1.3008mm。

3)选取考虑融雪的水量平衡模型(如图2所示)开展窟野河流域的水文模拟，考 虑融雪过程的水量平衡模型要求输入逐月面平均降水量、气温和蒸发能力(一般由实测 的水面蒸发代替)资料，将河川径流划分为地面径流、地下径流和融雪径流三种径流成 分。根据气温变化，对降水进行了雨、雪划分，降雨形成地面径流，降雪首先累积，然 后融化形成融雪径流。部分降雨和融雪补充地下蓄水量；地下蓄水量一方面形成地下径 流出流，同时以蒸散发的形式损失。地面径流根据土壤含水量与时段降水量的线性函数 进行计算，地下径流按地下蓄水量线性水库出流理论计算，融雪径流量是气温的指数函 数，同时正比于流域内的积雪量。

在可能的人类活动显著影响年份(1975年)之前，选择一个超过10年的水文气象 系列(1955～1969年)率定模型参数，模拟可能突变点之前天然径流量序列，如图3所 示：

$\mathrm{NSC}=(1-\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{(Q_{\mathrm{REi}}-Q_{\mathrm{SIMi}})}^2}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{(Q_{\mathrm{REi}}-\overline{Q_{\mathrm{REi}}})}^2})\times 100\%$

$\mathrm{RE}=\frac{{\mathrm{MAR}}_{\mathrm{sim}}-{\mathrm{MAR}}_{\mathrm{obs}}}{{\mathrm{MAR}}_{\mathrm{obs}}}\times 100$

式中：MAR_sim为模拟的平均年径流量，MAR_obs为实测的平均年径流量，Q_SIMi为模 拟的流量，Q_REi为实测流量，i为年份，N为径流系列的总长度即总年数。模拟出的NSC 系数为82.3％，相对误差RE为0.7％，模型对天然径流量模拟效果良好，满足天然径流 量还原需要。

4)保持模型参数不变，利用1955～2010年的面平均逐月降水、气温、蒸发能力驱 动构建的考虑融雪的水量平衡模型模拟全系列(1955～2010年)的径流过程；统计每个 年份对年径流量的模拟误差标准量SRE_i，计算逐年模拟误差标准量的累积值

${\mathrm{SRE}}_i=\left(\begin{array}{c}+1,......Q_{\mathrm{SIMi}}>Q_{\mathrm{REi}}\\ 0,.......Q_{\mathrm{SIMi}}=Q_{\mathrm{REi}}\\ -1,......Q_{\mathrm{SIMi}}<Q_{\mathrm{REi}}\end{array}\right)$

${\mathrm{SumSRE}}_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\mathrm{SRE}}_i,(i=1,......N)$

其中，i表示年份，一共有n年，从第1年开始计算。

5)绘制1955～2010年模拟误差标准量累积值的逐年过程，如图4所示，根 据过程偏离横轴的情况判断人类活动对河川径流过程显著影响期为1981年。

由图1可以看出，直接根据实测径流量过程，很难评判确切的突变年份，由图4可 以看出，自1981年之后，模拟的标准误差总体上持续为正，不在出现正负交错的波动 性变化，由此可以显而易见的判断为突变的起始年份为1981年。由此表明，本发明可 更直观地诊断人类活动对水文序列的显著影响年份。

如上，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本 发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在 形式上和细节上作出各种变化。