合水水库不同径流尺度的变点检测

上传者：zhangmarong
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翻新时间：2023-08-06

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合水水库不同径流尺度的变点检测

【摘要】以合水水库为例,采用M ann-kendall和Pettitt突法变检测,分析该水库不同径流尺度的突变情况,结果表明:合水水库的月径流量和年径流量最显著的突变点分别为1973年3月和1972年,因此,不同径流尺度的突变时间几乎相当;合水水库的月径流和年径流的突变时间说明,不同径流尺度产生突变的主要原因是气候变化引起的。

1流域概况宁江河位于广东省东北部,属南亚与中亚热带过渡气候,是梅河中上游的一级支流,也是兴宁市内主要河流。

合水水库位于宁江流域上游,主要有2条支流,右支流为罗岗水,设有潭坑水文站(F=295km2);左支流为黄陂河,设有甘砖水文站(F=205km2)。合水水库为湖泊型的大(2)型水库,始建于1957年,建成46年间多次扩建,现总库容为1147亿m3,正常库容为5105万m3。该水库集水面积为600km2,占宁江流域面积的406%,合水水库距市区15km,是防洪、供水、灌溉、发电、旅游综合利用的水利工程,亦是兴宁市人民的“生命之库”。

水库的实测最大年均降雨量为22641mm(1997年),最小年均降雨量为9314mm(1991年),降雨量为15508mm,年径流深为7403mm,径流系数为0463。汛期为4~9月,降雨量约占全年的789%,其中5~6月就占全年的365%。径流来自于降雨,进库年径流量最大为957264万m3(1983年),最小为963861万m3(1963年),多年平均进库径流量为4441563万m3。

本文以合水水库1958~2000年的径流资料序列为基础,根据Mann-kendall和Pettitt突法变检测方法进行突变分析,以揭示其多年径流量的突变规律,为合水水库的综合治理、合理开发以及水资源的优化配置提供理论参考。

2分析方法

2.1Mann-Kendall水文要素变化的分析方法Mann-Kendall是水文研究中经常用于水文时间序列要素进行趋势性检验的非参数统计方法。其实质是对数据序列的秩序而不是实际数值来判断2个变量的相关程度,避免了水文研究中特大和特小值对结果的影响,可以比较客观地确定某一时间序列是否具有随年序列的变化趋势[1,2]。

Mann-Kendall方法的检验统计量由下式给出:n=1S=k=1nj=k+1sgn(xj-xk),k0,则sgn(x)=1;如果x=0,则sgn(x)=0;如果x<0,则sgn(x)=-1。n是有序数据序列场,xj和xk分别是有序数据值。

Mann-Kendall方法用来检验有序数据变化趋势程度的2个重要参数是:显著水平;趋势变化的斜率。显著水平表示了趋势变化的显著程度,斜率表示了趋势变化的方向和程度。当S值均值为0,且变异系数:var(S)=n(n-1)(2n+5)18(2)接近正态分布时,零假设被拒绝。Z检验的常态统计用下式表达:z=S[var(S)]05(3)统计量z可以用来检验在给定显著水平时有序数据的秩变化趋势。斜率由下式确定[3]:=Median[xj-xkj-k](4)当为正表示正趋势;当为负表示负趋势;当为零表示没有趋势。

2.2 Pettitt突变点检测分析方法在有序数据系列存在趋势性变化的前提下,Pettitt参数检验方法可以确定其突变点[4-7]。其核心是通过统计的方法检验时间序列要素均值变化的确切时间来确定径流突变的确切时间。该检验是用Mann-Whit-ney的统计量Ut,N来检验同一个总体的2个样本x1,…,xt和xt+1,…,xn。统计量Ut,N计算公式为:Ut,N=Ut,-1,N+Nj=1sgn(xt-xj)(5)

式中如果x>0,则sgn(x)=1;如果x=0,则sgn(x)=0;如果x<0,则sgn(x)=-1。j和t=2,3,…,N。该检验统计第1样本里的数据超过第2样本数据的个数累积值。Pettitt的零检验假设为没有变化点。其统计量KN和相关概率的显著性检验公式分别如下:KN=Max[Ut,N](6)

2p2exp{-6(KN)N3+N2}(7)