本科毕业设计-水文与水资源汉江上游降雨和径流变化趋势分析.doc

'水文与水资源工程专业毕业设计（论文）摘要近些年来，由于受到人类活动及全球气候变化的影响，我国大多数河流的水文情势都发生了巨大的变化，降雨、径流、蒸发等水文要素均有比较明显的变化趋势。对流域水文要素的变化趋势分析不仅可以为流域水资源合理开发利用提供科学依据和理论基础，而且还可以为水文预报工作奠定一定的基础。因此，本文以汉江上游为研究对象，首先采用滑动平均值法和Mann-Kendall检验法，对汉江上游年径流量和年降雨量的变化趋势做出了分析，并对其显著性做出检验；其次通过使用R/S法估算Hurst指数的方法对该地区径流和降雨变化趋势的持续性做出了分析计算；最后使用据平图法、Mann-Kendall检验法和序列聚类分析法对该地区径流和降雨变化的突变点位置做出分析计算。最终得出主要成果如下：1）自1956年~2001年间，汉江上游的武侯镇、石泉县和安康站的年径流量变化均呈现显著的递减趋势；2）在2001年后的若干年里汉江上游武侯镇、石泉县及安康站年径流的递减趋势具有持续性，即就是在未来的若干年里汉江上游的武侯镇、石泉县和安康站的年径流量为持续递减；3）在1956年~2001年间，汉江上游的武侯镇、石泉县和安康站的年径流量变化的突变点均出现在1990年；4）自1962年~2007年间，汉江上游地区的勉县、汉台区、洋县和平利县的年降雨量有显著的递减趋势，而镇巴县、石泉县、紫阳县和安康站的降雨量虽然存在减少趋势，但趋势并不显著；5）1962~63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）2007年间各个区县的年降雨量的减少趋势具有持续性，即就是说在未来的若干年里八个区县的年降雨量为持续减少；6）在1962~2007年间，汉江上游的各个县区年降雨量变化突变点出现的位置：勉县1990年、汉台区1990年、洋县1990年、镇巴县1985年、石泉县1987年、紫阳县1984年、安康站1987年、平利县1984年。关键字：径流，降雨，Mann-Kendall检验法，汉江上游63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）ABSTRACTInrecentyears,duetotheinfluenceofhumanactivitiesandglobalclimatechange,thehydrologicalsituationofmostriversinourcountryhavetakenplaceinthegreatchanges,rainfall,runoff,evaporationhydrologicalelementshavemoreobvioustrend.Ofwatershedhydrologicaltemporalandspatialdistributioncharacteristicsandchangetrendanalysiscannotonlyforriverbasinwaterresourcesdevelopmentandutilizationtoprovidescientificbasisandtheoreticalfoundation,butalsocanlayacertainfoundationforthehydrologicalforecast.Therefore,thispapertotheupstreamoftheHanJiangRiverastheresearchobject.Firstly,slidingaveragemethodandMannKendalltest,theupperreachesoftheHanJiangRiverAnnualRunoffandannualrainfalltrendtomakeanalysistothe,andmakethetestofthesignificance;followedbyusingR/SanalysismethodtoestimateHurstexponentofthearearunoffandrainfalltrendcontinuedtomaketheanalysisandcalculation.Intheend,weuseaccordingtotheanalysisofflatgraphmethod,MannKendalltestandsequenceclusteringmethodtotheareaofprecipitationandrunoffchangemutationpointmakeanalysisandcalculation.Themainresultswereasfollows:1)From1956to2001,theupperreachesoftheHanJiangRiverWuHouzhen,ShiQuan,AnKangstationannualrunoffchangesshowedsignificantdecreasingtrend;2)In2001,afterseveralyearsintheupperreachesoftheHanJiangRiverWuHouzhen,ShiQuan,AnKangstationdecreasingtrendinannualrunoffispersistent,thatisinthefutureseveralyearsintheupperreachesoftheHanJiangRiverWuHouzhen,ShiQuan,Ankangstationannualrunoffforcontinuingtodecline;3)In1956to2001,theupperreachesoftheHanJiangRiverWuHouzhen,63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）ShiQuan,AnKangstationannualrunoffofthepointmutationappearedin1990;4)From1962to2007,intheupperreachesoftheHanJiangRiverMian,HantaiDistrict,YangxianandPingliCounty,theannualrainfallhasasignificantdecreasingtrend,andrainfallinZhenbaCounty,ShiquanCounty,ZiyangCounty,Ankangstationalthoughtherewasadecreasingtrend,butthetrendwasnotsignificant.5)Thereductiontrendofannualrainfallofeachcountyduringthe1962~2007yearshasthecontinuity,thatis,theannualrainfalloftheeightcountiesinthenextseveralyearsiscontinuouslyreduced;6)Duringthereignof1962~2007.ThevariationofannualrainfallinallcountiesoftheupperreachesoftheHanJiangRivermutationpointlocation:MianCountyin1990,HantaiDistrictin1990,Yangxian1990,ZhenbaCountyin1985,ShiquanCountyin1987,ZiyangCountyin1984,Ankangstationin1987,PingliCountyin1984.KEYWORDS:run-off,rainfall,Mann-Kendalltest,theupperreachesoftheHanJiangRiver63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）目录第一章绪论11.1研究背景11.1.1汉江流域概况11.1.2流域规划情况11.2研究意义21.3国内外研究进展31.3.1关于降雨和径流变化趋势分析研究的国内外进展31.3.2汉江流域的研究现状61.4主要研究内容8第2章汉江上游流域基本特征102.1流域总体概况102.2流域降雨特性112.3流域蒸发特性122.4径流特性122.5暴雨及洪水特性132.6流域泥沙特性142.7人类活动对该流域水文特性的影响142.8本章小结15第3章研究背景及研究方法163.1研究背景163.2研究方法163.2.1滑动平均值过程线法163.2.2Mann-Kendall检验法173.2.3R/S分析法193.2.4累积距平法203.2.5序列聚类分析法213.3本章小结2263 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）第4章汉江上游径流变化趋势分析234.1资料选取234.2年径流量变化趋势分析234.2.1滑动平均值法分析年径流量变化趋势234.2.2Mann-Kendall检验法分析年径流量变化趋势254.3年径流量变化的持续性分析264.3年径流量突变点分析294.3.1据平图法分析突变点位置294.3.2Mann-Kendall检验法分析突变点位置304.3.3序列聚类分析法分析突变点位置324.4本章小结34第5章汉江上游降雨变化趋势分析365.1资料选取365.2年降雨量变化趋势分析375.2.1滑动平均值法分析年降雨量变化趋势375.2.2Mann-Kendall检验法分析年降雨量变化趋势405.3年降雨量变化持续性分析425.3年降雨量突变点分析465.3.1Mann_Kendall检验法分析突变点位置465.3.2序列聚类分析法分析突变点位置515.4本章小结55第6章结论57毕业设计小结58致谢59参考文献6063 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）第一章绪论1.1研究背景1.1.1汉江流域概况汉江是长江中游最大的支流，发源于陕西省秦岭南麓，干流流经陕西、湖北两省，于武汉市汇入长江,全长1577,落差1964,流域面积为159000。干流在丹江口以上称上游,丹江口至钟祥称中游,钟祥以下为下游。汉江流域地势西北高,东南低。汉江流域内山地占55%,主要分布在西部,为中低山;丘陵占21%,主要分布于南襄盆地、江汉平原周缘;平原占23%,主要为南襄盆地、江汉平原及汉江河谷阶地;湖泊占1%,主要分布在江汉平原。流域水系呈叶脉状,支流众多,集水面积在0.1万以上的一级支流有19条,其中集水面积在1万以上的有唐白河、堵河与丹江;集水面积在0.5～1万之间的有旬河、夹河和南河;集水面积在0.1～0.5万的有褒河、胥水河、酉水河、子午河、池河、天河、月河、玉带河、任河、岚河、牧马河、北河及蛮河等。流域地处我国中部腹地,流域涉及陕西、湖北、河南、重庆、四川、甘肃6省(市)的22个地(市、州)、80个县(市、区),是湖北省经济社会发展的核心区域。2000年底流域内总人口3664.15万人,其中城镇人口951.54万人。总人口中,湖北省、陕西省、河南省分别占48.8%、28.3%和22.2%,重庆市、四川省、甘肃省不到1%。1.1.2流域规划情况63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）建国以来,长江水利委员会(以下简称长江委)及有关部门为汉江治理开发做了大量的勘测规划及研究工作,1958年长江委完成了《汉江流域规划报告节要》,明确流域水利任务为防洪、灌溉、发电、航运,远景考虑引汉济黄济淮,并推荐丹江口水利枢纽为汉江综合利用第一期工程。1988年底水电部北京勘测设计研究院提出了《汉江上游干流梯级开发规划报告》,并于1990年3月由陕西省人民政府及水规总院组织了审查。该报告推荐梯级开发方案为黄金峡(450——正常蓄水位,下同)—石泉(410)—喜河(364)—安康(330)—旬阳(240)—蜀河(218)—夹河(196)七级开发方案。1993年10月长江委完成了《汉江夹河以下干流河段综合利用规划报告》,推荐汉江夹河以下干流梯级开发方案为孤山(181)—丹江口(170)—王甫洲(88)—新集(78)—崔家营(64)—雅口(57)—碾盘山(51)—华家湾(42)—兴隆(36)九级开发方案,且均在湖北省境内。目前干流上湖北省境内已建有丹江口、王甫洲枢纽,电站总装机容量为1009,年均发电量37.76亿。支流上修建了黄龙滩、胡家渡、过渡湾、白水峪、陡岭子等水利枢纽。1.2研究意义近些年来由于人类活动、气候变化等造成各流域的水文要素发生了巨大的变化。例如，在气候变化方面，由IPCC第四次评估报告得出近100年来全球平均气温上升0.74℃；从1850年来,全球变暖加速,近50年的线性增温速率(0.13℃/10年)大概是近100年的2倍(0.07℃63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）/10年)。在气候变化的同时，也造成全球降雨和径流发生巨大变化。在自然灾害方面，我国是世界上自然灾害发生比较多的国家之一，自然灾害对我国社会经济发展具有重大的影响和危害，尤其是洪涝和干旱灾害。而且在近些年，洪涝灾害和干旱灾害还在不断加剧中。而这其中很大一部分原因是由于降雨和径流等水文要素的变化造成的。在水资源利用方面，我国是水资源严重缺乏的国家，近年来，随着经济社会带来的用水需求增加，以及其他方面的影响，干旱缺水问题越来越严重。据预测，在充分节水的情况下，2030年我国用水量将达到或接近可利用水资源的总量（中华人民共和国水利部公报，2008）。我国是世界上的水资源大国，拥有的水资源总量为，局世界第四，所以不管是气候变化、自然灾害还是水资源方面，降雨和径流的变化都会对其造成重大的影响。所以，为了更好的掌握这些影响因素，将不利因素化为有利因素，或者尽可能的减少不利因素，对降雨和径流的变化规律的研究是必不可少的。一旦我们熟练的掌握了降雨和径流的变化规律，我们便可以利用这些规律，来更好的预测一些自然灾害或者对水资源的可利用量做到更好的分配。而汉江是长江流域最大的支流之一，流域内雨量充沛、流量的大，故水的资源量是十分丰富的，无论是在农田灌溉方面，水力利用方面和航运交通方面，都有极大的潜力。但由于近年来各个水文要素在人类活动和其他因素的影响下，发生了巨大的变化，尤其是降雨和径流的变化非常显著，使在水资源利用、洪旱灾害预测等方面出现了一些困难，因此研究汉江上游流域降雨和径流的变化规律，对于流域的水资源利用以及洪旱灾害预测方面是有一定的实际意义的。1.3国内外研究进展1.3.1关于降雨和径流变化趋势分析研究的国内外进展自然水文要素变化过程表现为复杂的线性、非线性特征。隐含着突变、趋势性和周期性特征，其变化过程与大气降雨、温度和蒸发等影响水文循环的气象因素密切相关，而且降雨和径流是水文循环重要的两个方面。这些水文要素的变化会引起区域水资源的时空再分布。因此，探索降雨和径流的变化规律是认识水文过程演变的关键。而就目前来看，国内外对于降雨和径流的变化规律的研究已经比较纯熟。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）国外在降雨和径流变化规律分析方面也做了很多研究，其中，Azim.F等[1]人采用Mann-Kendall非参数检验的方法对巴基斯坦的Naran流域1962-2011年的水文气象变化的位点做了特异性检测；Paschalis,A等[2]人在洪水响应下的小流域根据数字特征对降雨的空间变异性进行了一定的研究；Jurgelenaite等[3]人对立陶宛河流水文的时空变化进行了研究。AngelPérez-Ruzafa等[4]人通过采用富营养化模型对地中海沿岸的营养物质以及水文状况的时空变化进行了研究；C.M.Orchard等[5]人通过对降雨的动态量化来评估降雨期间坡面流的时空变化。在降雨方面，国外学者如Hulme等[6]人对全球及北半球的平均降水进行研究发现1950-1980年间北半球比全球平均降水减少的幅度大，其中在0-30°N间平均降水幅度最大，中玮度的降水增加并不明显；Bradley等[7]人对北半球的降水变化进行研究，发现1855-1984年间在5-35°N的降水呈减少趋势，在35-70°N的降水呈增加趋势；Haylock等[8]人对南太平洋地区、东南亚与中美洲、加勒比海地区的极端降水量进行研究,发现年极端降水总量占年总降水量的比例增力口；除此之外,Yamamoto等[9]、Groisman等[10]、Osbom等[11]人分别对加拿大、日本、南非、巴西、英国和挪威等地区的降水变化进行研究，发现总降水量增大的区域其强降水事件极可能有明显增大的趋势,总降水量减少或不变,也存在强降水量事件增加的趋势。Zbignie·W等[12]人对欧洲在1961-1990年间的降水量进行分析,并对2070-2099年间的降水量变化进行预测,发现未来降水强度和日最大降水量都将增加,而且降水较强的日数也会增多。总的来说，这些研究方法都是适合于特殊流域特殊条件下，所以表现出明显的多样性。我国对于降雨和径流变化规律分析的研究也做了许多。其中，李常斌等[13]人采用M-K检验，小波分析和Sen斜率等方法，对1951-2010这60年间洮河流域的水文气象要素变化的时空特征进行了综合研究；陶辉等[14]人通过对塔里木河流域1961-2008年39个气象站的气温和降雨量数据的观测，对流域近50年气候的变化进行了分析，并对参与IPCCAR4的1763 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）个气候模式在塔里木河流域气候模拟能力进行了评估；刘新华等[15]人利用新疆塔里木河流域阿克苏河源流区出山口沙里桂兰克和协合拉两水文站1957-2008年近50年的径流和降水数据，借助Z指数法、参数T检验、非参数检验和小波变换等，分析了阿克苏河两水文站降水量和径流量的变化趋势，以及二者多时间尺度相关关系；张济世等[16]人通过对洮河流域40多年水文实测资料的分析研究，做出了降雨径流变化趋势分析；凌红波等[17]人对玛纳斯河流域10个台站1956-2007年52年的温度、降水量和蒸发量序列进行非参数检验，诊断其阶段性转换及变化趋势，并以阶段性转换的跳跃点为分割点，利用R/S分析方法预测其未来一段时间的变化趋势；李常斌等[18]人采用Mann-Kendall非参数检验方法统计分析黑河流域中、西部水系气温、降水及出山径流序列变化特征,并初步讨论了降水、径流发生变化的可能原因；梁红等[19]人依据1961—2009年辽河流域5个气象观测站点逐日降水和气温观测资料，运用非参数检验方法(Mann-Kendall法)，对辽河流域降水和气温的变化趋势进行了分析；闫俊华等[20]人运用连续7年(1993-1999)的水文观测资料,对南亚热带顶级生态系统鼎湖山季风常绿阔叶林集水区水文要素时空规律进行分析；王绍武等[21]人研究发现,近百年来我国降水量无明显下降趋势,但呈现出明显的年际与年代际变化；任国玉等[22]人对我国1951-1996年间全年降水量研究发现，长江中下游地区和内蒙古、新疆、东北、华北北部地区降水量分别呈显著、不显著增加趋势,黄河流域降水量呈略有减少的趋势；根据严中伟等人[23]研究可知,我国的极端降水与全球的降水趋势基本一致,但区域性较明显；苏布达等[24]人研究表明,近45年来长江流域中下游地区极端强降水量、降水强度与日数均呈显著增加趋势;王晓东等[25]人对1957-2006年间河北省极端降水事件的研究发现，暴雨日数、极端降水事件的频率均在减少,而且干燥事件的频率呈不明显增加趋势；刘小宁等[26]人研究发现，20世纪80年代以来我国暴雨极端事件除华北地区外出现的频次、强度均有所上升。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）1.3.2汉江流域的研究现状汉江流域处于我国中纬度的腹心地带,属于北亚热带季风气候区且气候垂直分布明显,流域幅员广阔,光、热资源空间差异大,对全球气候变化的响应较为敏感。并且由于自然地理环境的差异,汉江流域的水文要素变化特征呈现出一定的独特性和复杂性。陈华等[27]人对汉江流域1951-2003年间的降水和气温要素进行研究得出，汉江流域大部分地区降水量没有显著变化；大部分地区气温呈上升趋势,中下游地区年和四季气温、上游冬季气温均呈上升的趋势,上游夏季气温呈下降趋势；汉江上游80年代的平均降水量较多,90年代的平均降水量有所下降；汉江上游90年代的平均气温比多年平均气温要高,且同北半球气温同步上升。殷淑燕等[28]人利用9个气象站点的降水资料对汉江上游的降水变化与暴雨洪水规律进行分析可知,汉江上游近50年来年降水量有减少的趋势,其中4、9月降水量减少幅度最大，6、8月降水量均有增加的趋势；由于大气环流发生变化，6-7月中旬和9月西南季风减弱，降水量在减少，可能会减少暴雨洪水的发生几率；7月下旬和8月东南季风增强，可能会增大暴雨洪水的发生几率。李景刚等[29]人利用1998-2010年间的TRMM数据对汉江流域的降水量进行研究分析，汉江流域年降水量介于674-1435mm之间，整体呈东南向西北递减，且与全国的降水格局一致。其中，每年的5-9月降水量占全年降水量的70%以上；7月降水量最大，占全年降水量的20%；1月降水量最小，占全年降水量的比例不足2%，年内季节变化明显。另外，在空间上，汉江流域上游中部降水量有明显增加趋势，下游有明显减少趋势。郑晓东等[30]63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）人利用Morlet小波对汉江流域1960-2008年间的降水进行多时间尺度研究发现，汉江流域降水周期分别有3-5年、6-8年、16-20年的时间尺度。其中16-20年的时间尺度最突出，其主周期在18年左右；6-8年、3-5年的时间尺度均较明显，其主周期分别为7年、4年；由此得出，汉江流域的降水量主要有4、7和18年的周期，其中18年的主周期是最突出的，且降水呈减少趋势。陈燕飞等[31]人利用1960-2003年间汉江流域13个气象站点的降水数据，对其降水量和降水持续天数的变化特征进行分析得出，春、夏、秋、冬季的降水量分别占全年降水量的21%~31%、50%、21%~29%、6%；春、夏、秋、冬季的平均降水日数分别占全年降水日数的25%~31%、13%~18%、22%~31%、15%。朱明勇等[32]人利用汉江流域及其附近地区47个站点逐日降雨观测资料，采用常规统计学方法计算研究区逐年降雨量、侵蚀性降雨量以及暴雨量平均值，进而得到降雨特征值逐年距平百分率及变异系数，分析了这3个将于特征值之间的相互关系，揭示了汉江流域降雨的时间变化特征。借助于地理信息系统技术，将汉江流域逐年降雨特征值在ARCGIS里采用Kriging方法进行空间插值，得到年均降雨特征值的空间分布，分析了研究区3个降雨特征值的空间分布特征。张洪刚等[33]人采用Mann-Kendall法和线性回归分析方法对汉江上游降水及丹江口水库天然入库径流变化趋势进行了分析，结果均表明汉江上游降水和丹江口水库天然入库径流在1991年发生突变，1991年后汉江水量由丰变枯；但年降水与径流的长期变化趋势均不显著，即汉江流域20世纪90年代持续枯水事件只是其径流丰枯交替的一个枯水期。李文浩等[34]人通过安康长系列水文资料分析，论述了汉江上游流域内降水、径流、泥沙的变化规律，同时提出了暴雨洪水特性、水力资源有效利用两个主要问题。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）综上所述，国内外学者对降水、径流等水文要素的研究已经达到了一定的高度，且这些研究成果对于揭示水文要素变化规律、更好地利用气候资源、保护生态环境等方面具有重要的意义。尽管一些学者对汉江流域的水文要素变化特征做了大量研究，也取得了重要的成果，但对于汉江流域的降雨和径流的变化特征及其相关性的研究甚少。据此，本次研究将在前人研究的基础上对汉江上游降雨和径流变化趋势特征做进一步的分析，意在进一步揭示汉江上游降雨和径流的变化规律，对于预防和防治极端气象灾害事件做出一定的贡献。1.4主要研究内容水文情势变化规律分析在水文工作与研究中有着非常重要的作用，揭示水文要素变化规律，为水资源合理利用和管理提供科学依据。本次研究通过熟读《水文情报预报规范》等技术规范文件之后，了解了水文预报相关技术要求。通过查阅于水文要素变化趋势分析有关的文献资料，了解了与水文要素变化趋势分析有关的研究进展，并系统的收集了汉江上游降雨、径流数据资料并对数据资料进行整理和分析。从而学习并掌握水文情势变化规律分析常用的Mann-Kendall法和R/S法，为后续研究分析鉴定了坚实的基础。本研究主要针对汉江上游地区的径流和降雨的时空分布及变化规律进行计算分析。对于汉江上游径流量的变化趋势分析，数据选取于汉江上游的武侯镇、石泉（二）和安康（二）。武侯镇水文站位于陕西省勉县武侯镇，建于1935年9月，集水面积3092；石泉（二）站位于陕西省石泉县城关镇，建于1954年1月，集水面积23805；安康（二）站位于陕西省安康县城关镇西关龙头崖，建于1934年10月，集水面积41439。这三个水文站的径流基本可以代表汉江整个上游的径流情况，因此选取该三个水文站1956-2001年这46年的径流资料进行整理统计。对于径流的时空分布及变化趋势分析，本研究采用Mann-Kendall非参数检验法对径流的变化趋势进行检验，采用R/S法对径流的变化趋势进行预测，再采用M-K法和聚类分析法对突变点进行检验。对于汉江上游的降雨量63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）变化趋势分析，为方便计算并结合降雨自身的特点，以点降雨量来代表面降雨量，数据选取了汉中市的勉县、汉台区、洋县及镇巴县和安康市的石泉县、安康站、平利县及紫阳县从1962-2007年的年降雨量，由于这些县区基本覆盖了整个汉江上游，所以其代表性是完全足够的。同样，采用Mann-Kendall非参数检验法对各地区降雨的变化趋势进行检验，再采用R/S法对各地区降雨量的变化趋势进行预测，再采用M-K法和聚类分析法对突变点进行检测。现将本研究的内容做以下简单介绍：1）、年径流量的变化趋势分析采用M-K非参数检验法对汉江上游各个水文站的年径流量的变化趋势进行分析检验；2）、年径流量的变化趋势预测及持续性分析采用R/S法估算出Hurst指数，对汉江上游各水文站的年径流量的变化趋势进行预测并且做出持续性分析；3）、年径流量变化的突变点分析采用M-K法和聚类分析法对各水文站的年径流量进行分析计算，找出年径流量变化的突变点；4）、采用同样的方法对各地区的降雨量进行计算分析，并找出降雨量的变化趋势及变化的突变点。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）第2章汉江上游流域基本特征2.1流域总体概况汉江是长江上游的第一大支流，发源于陕西省宁强县潘家山，流经陕西湖北两省。按流域划分，白河以上为上游流域。上游河流长达735，流域面积有59115，占整个汉江流域的37.2%[35]。而且北接秦岭山脉并与干流平行，海拔高度在2500以上；南接米仓山和大巴山，平均海拔有2000左右。除了汉中盆地等少量川道外，其余大部分地区为高山和坡地。主河段基本呈“”字型峡谷，且基岩裸漏，河道窄而宽，水流较急，河槽调蓄能力较差。米仓山和大巴山为秦岭南部著名的暴雨中心区，坡陡流急暴雨洪水急流汇合迅速。流域内气候属于秦岭山地温暖带湿润气候区，并具有北亚热带的气候温和，雨量充沛等特点，森林覆盖面积率有62%左右，且农业活动大部分在海拔1800以下进行，主要的农耕地集中在300~1000之间。流域水系十分发达，河网密布，一、二级支流集水面积大于1000的河流有褒河、水河、牧马河、子午河、池河、旬河、任河、月河、岚河、乾佑河、坝河、南江河等十余条河流，在100~1000之间的河流有74条，5~100的河流有74条。这些河流多为山溪性河流，比降很大，且呈扁平状分布于汉江干流的南北岸，切割侵蚀十分剧烈，一旦出现暴雨情况，流域内产汇流形成几块，并且伴随着峰高量大，急涨急落的特点。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）2.2流域降雨特性由于西北内陆被摄入了大量的以东南季风形式的北太平洋副热带高压湿热空气，导致汉江上游雨量十分充沛，多年平均降雨量可以达到700~1800之间，并且其分布从上游到下游，由南部到北部，逐渐减少。特别是米仓山一带，由于其山脉大部分呈西南东北向排列，导致西南暖湿气流可长驱直入，使其年降雨量达到1800，是汉江上游降雨量最丰富的地区。而由于地形等因素的影响，在安康境内的付家河中上游的多年平均降雨量仅为800~900，是汉江上游降雨量最稀少的地区。流域内降雨量的年内分配极为不均，汉江上游水系一般从5月份进入汛期，到10月份汛期结束，尤其是在7月、8月和9月之间，由于太平洋副热带高压的影响，加上西南低涡和强台风的影响，造成该流域降雨集中的特点。根据安康和石泉降雨资料的统计，其汛期（5月~10月）的降雨量占全年的82%，非汛期近有18%左右，最小降雨量基本都出现在12月和次年的1月，并且这两个月的降雨量仅仅占全年降雨量的0.8%~5%左右。由于大陆性气候的影响，流域内降雨量的年际变化较大，并且从流域面上来看，南北地区存在一定的差异，安康多年实测最大降雨量为139263 水文与水资源工程专业毕业设计（论文），年最小降雨量仅为501，最大值与最小值之间相差2.8倍；石泉县的年最大降雨量为1476，年最小降雨量为620，之间相差2.4倍；南郑县的年最大降雨量为2096，最小降雨量为942，其之间相差2.2倍。2.3流域蒸发特性由于受到气候和地形的影响，汉江干流的川道盆地水面蒸发量较大，而南北高山区域蒸发量较小，流域内年平均蒸发量在600~1000[36]之间。其年内变化与气温变化关系十分密切，由于夏季气温高，蒸发量大，最大月蒸发量占年蒸发量的18%以上，随着气温的降低，风速减小，蒸发量显著减少，最小月蒸发量不醉年蒸发量的3%。2.4径流特性汉江上游的径流补给主要是以降雨形成的地表径流为主，以地下径流为次。并且呈现出山地多川道盆地少、南部多北部少的分布特点。该流域内多年平均径流量为256亿，并从径流等值线图上可以看出，年径流深呈现出从西向东逐渐递减的分布规律，在300~850之间，主要低值区在安康旬阳一带，而主要高值区出现在任河上游毛坝关一带。与降雨量的年内分配一致，径流的年内分配也不均匀，夏季和秋季的径流量基本相近，且径流量最多，各自越占全年的37%~40%左右，春季径流约占全年的16%~17%左右，冬季的径流量最少，仅占全年的5%~6%左右；支流一般以秋季最高，越占全年的34%~40%左右，冬季的河水主要靠地下水补给，流量不仅小而且稳定。最大月径流量一般会出现在9月，径流量约占全年的20%~26%左右，即最大一个月的月径流量相当于春季三个月的径流量之和。由于一般7月的径流量低于9月而大于8月，因此其汛期径流呈现出双峰的特点。而最小月径流一般出现在2月，其径流量只占全年径流总量的2%左右。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）流域内径流的年际变化过程也基本与降雨年际变化保持一致，但随着地域特征的不同差异也较大。根据实测水文资料的分析，各支流均出现连续两年以上的丰水年和枯水年，丰、枯水年循环交替出现，且其交替周期不太明显，枯水期的年径流总量约有110~250亿左右，丰水期的年径流总量约有260~400亿。从分析反映年际变化的参数——变差系数得知，流域北部的大部分地区变差系数在0.4~0.5之间，而南部的大巴山一带变差系数均在0.35以下，尤其是在岚河源头区变差系数仅为0.25。2.5暴雨及洪水特性汉江上游的洪水主要是由暴雨形成，且暴雨洪水均具有明显的季节性，出现的时序也有一定的规律性。一年中暴雨洪水多发生在7、8、9月份，发生的日期最早的在4月份，最晚的在10月份，但强度大的暴雨洪水多发生在6~9月。出现在4月份出现的洪水为桃花汛，其洪峰量较小；10月份出现的洪水因受梅雨的影响，偶尔会有洪水发生，但不会出现量级较大的洪水。据1959年的实测资料分析统计，洪峰大于10000的洪水发生有46次，其中有38次出现在7~9月份之间，且其洪量占全年洪水总量的80%左右。由于流域内具有坡陡山高、岩石透水性不好等地域地形特征，导致该地区洪水汇流速度极快，因此该流域洪水大多具有猛增猛落、洪峰尖瘦的特征。一般一次洪水过程约为3~5天，且较大洪水的洪量也很集中，最大24小时洪量约占3日洪量的一半。汉江上游地区暴雨洪水的年际变化也极不稳定，且流量变幅很大。如白河站的1959年的实测资料系列中，最大洪峰流量为31000，最小为2100，最大为最小的14.8倍；安康站的1959年实测资料系列中，年最大洪峰流量为20800，年最小洪峰流量为2450，最大为最小的8.7倍；石泉站的1945年的实测洪水资料系列中，年最大洪峰流量为14500最小为2560最大为最小的5.5倍。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）洪水发生在不同地区则具有不同的特点。洪水出现在洋县以上，这种洪水属于上游局部性洪水，例如1981年8月的洪水发生在宁强县、城固县、洋县等地，造成堤防溃决，农田、村庄淹没，山体滑坡、泥石流并发，造成交通通讯施设严重破坏，而且使得一些城镇厂矿被摧毁，经济损失非常严重。但是在河道削弱洪峰的作用下，当洪水到达安康断面以下时，洪峰流量答复减小，基本不会对该地区不会造成灾害影响；如果洪水来自于石泉、安康一带，这种洪水仅会使得安康及其下游地区遭受较为严重的洪水灾害；如果洪水在上游和下游同时发生，这种洪水会造成汉江干流的洪峰量沿着干流不断叠加，这种非常不利的时空分布与洪水组合会导致整个流域造成极为严重的灾害影响。2.6流域泥沙特性汉江水量比较丰富，且泥沙含量不多，据白河水文站的泥沙统计，其多年平均含沙量为1.9，多年平均输沙率为1600。从泥沙的来源来看，汉江的泥沙主要产生于汉江两岸的低山丘陵区，由于该地区农业活动较为频繁，导致水土流失比较严重。从安康到白河之间的河段，该区间流域面积仅占整个流域的30%，但含沙量却占了其53%左右。而且输沙量的年内分配和年际变化的不均匀性都比年径流和降雨要大，输沙量的年内分配主要集中在5~10月份，其输沙量占全年的97%左右。对于年际变化，最大年输沙量为14800万吨，而最小年输沙量为1080万吨。2.7人类活动对该流域水文特性的影响汉江上游兴建的水利工程较多，中、小型水利工程对汉江干流的水文特性不产生明显的影响，大型水利工程具有显著的防洪发电效益，而且会对干流的水文特性产生一定的影响，干流上石泉水库于1975年建成，控制流域面积23400，总库容5.55亿，装机容量13.5万；63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）安康水库于1990年建成，控制流域面积35700，总库容33.4亿，装机容量80万，洪水经过水库调节以后，洪峰流量将大大减小，径流的年内分配比较均匀。这些水库建成初期，大量泥沙沉积在水库内，使得下泄泥沙大大减少，如石泉水库多年平均拦截1000吨左右的泥沙，安康水库的拦沙作用远比石泉水库显著。2.8本章小结本章通过对汉江上游流域的总体概况以及降雨、径流、蒸发、洪水等水文特性方面对该流域的总体情况进行了详尽的介绍，为后文水文要素变化趋势的分析做好了铺垫，奠定了基础。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）第3章研究背景及研究方法3.1研究背景水文循环过程对人类的生产生活具有非常重要的作用，而降雨和径流又是水文循环过程中最主要的环节，所以，对于降雨和径流的研究可以使得我们更好的去理解水文循环过程并可以对其进行更好的利用。但是降雨和径流的变化不仅受到气温、植被覆盖、下垫面条件等自然因素的影响，同时还受到人类活动的影响，尤其近些年来人类活动影响愈来愈严重，使得降雨和径流的变化过程十分复杂，不仅具有确定性变化规律，同时还具有不确定性变化规律。近些年来，国内外学者对水文要素的变化趋势及突变特征已经做出了非常多的研究，目前对水文要素进行趋势分析的方法主要有：Mann-Kendall非参数检验法、R/S分析法、小波分析法、累积据平法、线性倾向估计法、Sen斜率等方法；对水文要素序列突变点检验的方法有：Mann-Kendall法、序列聚类分析法、Yamamoto法、滑动t检验法、Cramer法等。3.2研究方法3.2.1滑动平均值过程线法所谓滑动平均值[36]，就是在一个系列中，先确定若干年为计算平均值的滑动计算时段，求得一个均值，将其作为中间年份的修匀值，然后向后滑动一年，形成新的计算时段，计算均值。重复上述步骤直至计算时段的最后一个数据为系列的最后一个数据为止。一般的，设滑动计算时段的年数为（取奇数），则对于一个年数据的系列有63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）（3-1）式中表示实测值，表示第个年滑动平均值。滑动平均值过程线法是指把逐年变化过程用滑动平均的方法进行修匀，虑掉了小的波动，突出了趋势变化，使得数据能够更加清楚的反映演变趋势，再对数据进行线性回归分析，如果得到的回归方程的斜率大于0则表示数据有上升趋势，如果斜率小于0则表示数据有下降趋势，以此来简化趋势分析。3.2.2Mann-Kendall检验法Mann-Kendall检验法[37~38]是有Mann和Kendall提出的一种非参数检验方法。由于该检验法不要求样本遵从一定的分布，也不受少数特殊值的影响，对于水文、气象等非正态分布的数据非常适用，所以该方法已经成为世界气象组织推荐并广泛使用的非参数检验法。Mann-Kendall检验法已经被许多学者应用于分析降雨、径流、气温、水质等水文要素时间序列的变化趋势。该方法不仅计算简单，并且在检验时间序列趋势上升和下降的同时还可以说明趋势变化的程度，使得变化趋势由之前的定性判断晋升为定量判断，因此非常适用于时间序列的趋势特征。在Mann-Kendall非参数检验中，原假设为时间序列是个独立的，随机变量同分布的样本；备择假设是双边检验，对于所有的，且，和的分布是不相同的，检验的统计变量的计算公式如下：（3-2）63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）其中：（3-3）Mann和Kendall已经证明该统计量服从正态分布，其均值和方差分别是：（3-4）再对统计变量进行标准化，则标准统计变量为：（3-5）在给定的置信水平上，因为是小概率事件，若小概率事件发生，则根据事物推断原理，得出原假设是不成立的，即原假设是不可接受的，即在置信水平上，时间序列数据呈上升或下降趋势，且大于0时呈上升趋势，小于0时呈下降趋势。当的绝对值大于等于1.28、1.64、2.32时，分别表示通过了信度为90%、95%和99%的显著性检验。并且值越小，表明变化趋势越不明显，越大表明变化趋势越显著。通过Mann-Kendall法原理可知，Mann-Kendall法检验趋势特征的途径是通过值与假设的置信水平的标准值进行比较，得出有无显著趋势特征。由于值有正有负，也就意味着存在值等于零的情况，那么值等于零意味着什么呢?从统计结果所表示的意义而言，值等于零意味着序列没有趋势特征，当然也就没有上升或下降的趋势变化。当Mann-Kendall检验应用于检验序列突变点[39]时，将检验统计量重新定义，通过构造一秩序列：（3-6）63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）其中，（3-7）定义统计变量并进行标准化处理得到：（3-8）式中：（3-9）Mann和Kendall已经计算出服从标准正态分布，在给定的显著性水平，则即为临界直线，若，则表明序列存在明显的趋势变化。将时间序列逆序排列，再按上式计算，同时使（3-10）通过分析统计序列和可以进一步分析序列的变化趋势，而且可以明确突变的时间，指出突变的区域。若值大于0，则表明序列呈上升趋势；小于0则表明序列呈下降趋势；当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著。如果和这两条曲线出现交点，且交点在临界直线之间，那么交点出现的时刻就是突变开始的时刻。3.2.3R/S分析法R/S分析法是英国学者H.E.Hurst于1965年在分析尼罗河水文资料时提出的一种处理时间序列的方法[40]，Hurst本人曾利用此法对河流流量、泥浆沉积量、树木年轮、降雨量等许多自然现象研究过。同时，该方法在其它领域（如物理、生物学等）也得到了广泛的应用。R/S分析法是一种描述分形结构的有效方法。本文将R/S(rescaledrange)分析方法应用于径流时间序列特性分析，其最大优势在于不必假定R/S测度时间序列的分布特征[41]63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）,即无论时间序列是正态还是非正态分布，R/S分析结果的稳定性均不受影响。R/S的基本思想是改变样本序列的时间尺度，研究其在不同尺度范围内的统计规律，从而进行大小时间尺度间的相互转换[42]。Hurst指数是R/S分析法的一个十分稳定有效的统计量(0≤H≤1)，它是现象的表征参数。用R/S法可以估算Hurst指数，该指数对时间序列的未来趋势具有很强的预测能力，具体方法如下：对于一个时间序列其均值序列为：（3-11）累积离差序列：（3-12）极差序列：（3-13）标准差序列：（3-14）Hurst研究发现，与存在着一定的关系：（其中是常数），式中即为Hurst指数（0<<1），对于不同的，意味着不同的趋势变化：当=0.5时，表明序列是一个完全独立的，序列是一个随机过程；当0<<0.5时，意味着未来的变化状况与过去相反，越小反持续性越强；当0.5<<1时，意味着未来的变化情况与过去一致，越大，持续性越强。3.2.4累积距平法距平是表示变量偏离正常情况的量，一组数据的某一个数与均值之间的差就是距平[43]，即。对任何一组数据进行距平化处理都可以使其化为平均值为0的序列，这样处理可以使得分析变得更加便利，并使得计算结果更加直观。累计距平也是一种常用的、由曲线直接判断变化趋势的方法。对于序列其某一时刻的累计距平表示为：63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）（3-15）式中，将个时刻的累计距平值全部算出，即可绘出累计距平曲线进行趋势分析。累计距平曲线比较直观，从曲线明显的上下起伏，可以判断其长期显著的演变趋势及持续性变化，甚至还可以诊断出发生突变的大致时间。3.2.5序列聚类分析法有序聚类分析法是用来提取水文序列突变点的一种有效方法。聚类分析的目的是把分类对象按一定规则分成若干类，同一类里的这些对象在某种意义上倾向于彼此相似，而在不同类里的对象倾向于不相似。聚类分析就是根据变量的属性或特征的相似性或亲疏程度，用数学方法定量的把它们逐步地分型划类，最后得到一个能反映样品之间或指标之问亲疏关系的客观分类系统。有序类聚分析法是一种统计的估计方法，通过统计分析推估出水文时间序列最可能的突变点，然后结合实际情况进行具体分析。其主要的分割思想是使得同一阶段之间的离差平方和最小，阶段与阶段之间的离差平方和最大。设分割点为，则其计算公式为：（3-16）式中：为序列离差平方和；为样本数；取值为1~，为分割点；为分割点之前的样本均值；为分割点之后的样本均值；最优分割点将使得序列离差平方和最小。3.3本章小结63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）本章主要介绍了研究分析水文要素时空分布特征及变化趋势常用的方法，其中有滑动平均值过程线法、Mann-Kendall检验法、R/S分析法、累计据平法和序列聚类分析法。对这些计算方法的介绍是对下面研究计算做好了铺垫准备，奠定了基础。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）第4章汉江上游径流变化趋势分析4.1资料选取对于汉江上游径流量的变化趋势分析，数据选取于汉江上游的武侯镇、石泉（二）和安康（二）。武侯镇水文站位于陕西省勉县武侯镇，建于1935年9月，集水面积3092；石泉（二）站位于陕西省石泉县城关镇，建于1954年1月，集水面积23805；安康（二）站位于陕西省安康县城关镇西关龙头崖，建于1934年10月，集水面积41439。这三个水文站的径流基本可以代表汉江整个上游的径流情况，因此选取该三个水文站1956-2001年这46年的年径流资料进行整理统计。4.2年径流量变化趋势分析4.2.1滑动平均值法分析年径流量变化趋势由于径流过程变化比较复杂，具有一定的随机性，所以先采用滑动平均值法过滤掉小的波动，使得变化趋势更加显著。根据式（3-1）计算出武侯镇站，石泉（二）站及安康（二）站的5年滑动平均年径流量，并对其做线性回归分析计算结果见图4-1、图4-2、图4-3。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图4-1：武侯镇5年滑动平均年径流量过程线图4-2：石泉（二）5年滑动平均年径流量过程线63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图4-3：安康（二）5年滑动平均年径流量过程线由图4-1，图4-2，图4-3可以看出，线性回归方程的斜率全小于0，所以可以得出结论，武侯镇、石泉（二）和安康（二）的年径流量在1956-2001年间均表现出逐渐下降趋势，并且沿着武侯镇、石泉、安康从上到下多年平均年径流量依次增加。4.2.2Mann-Kendall检验法分析年径流量变化趋势由于滑动平均值法分析的变化趋势准确性不够，并且不能定量的反应出变化趋势的程度，所以利用Mann-Kendall检验法对径流趋势进行分析计算，根据式3-2和式3-3计算出各个站点的统计变量值，再根据式3-4和式3-5计算出标准统计变量计算结果见表4-1。表4-1：Mann-Kendall检验法分析年径流量变化趋势站点NSVar(S)Z趋势显著性武侯镇46-23111155-2.181.28下降显著拒绝石泉（二）46-16611155-1.561.28下降显著拒绝安康（二）46-22511155-2.121.28下降显著拒绝63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）由表3-1可以看出标准统计变量值均小于0，说明三个站点的年径流量均有下降趋势，这与滑动平均值法观察出的结果是一致的。取置信水平，则，而均大于1.28，都拒绝原假设，表明三个站点的年径流量均通过了置信度为90%的显著性检验，进一步说明汉江上游三个水文站的年径流量均表现出显著的下降趋势，从而得出结论，汉江上游的年径流量整体呈现显著的下降趋势。再对三个站点之间进行相互比较，可以看出武侯镇的最大，其次是安康（二），在下来才是石泉（二），这表明武侯镇年径流量的下降趋势最显著。4.3年径流量变化的持续性分析采用R/S法估算Hurst指数，来对汉江上游三个水文站的年径流量变化的持续性进行分析。三个水文站的年径流系列即为时间序列，再根据式（3-11）、（3-12）求出均值序列和累积离差序列，再根据式（3-13）、（3-14）分别求出极差序列和标准差序列。根据和之间的关系（式中为常数），对该式两边同时取对数得到。再绘制出的关系曲线，并对其进行线性回归分析，得到的斜率值即为Hurst指数，具体计算结果见图4-4、图4-5、图4-6。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图4-4：武侯镇Hurst指数分析图图4-5：石泉（二）Hurst指数分析图63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图4-6：安康（二）Hurst指数分析图从图4-4、图4-5、图4-6中可以得到三个水文站的样本回归方程分别为：武侯镇：石泉（二）：安康（二）：从上述回归方程中可以得出武侯镇年径流量的Hurst指数为0.6604，石泉（二）站年径流量的Hurst指数为0.6974，安康（二）站年径流量的Hurst指数为0.6444。三个水文站的Hurst指数均大于0.5，表明这三个水文站在未来的若干年里的年径流量的变化趋势具有持续性，即在未来的若干年里年径流量继续保持持续减少的趋势。再对三个站点之间进行相互比较，可以看出石泉（二）的Hurst指数最大，其次是武侯镇，再下来是安康（二），这表明石泉（二）的年径流量的减少趋势持续性最强。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）4.3年径流量突变点分析4.3.1据平图法分析突变点位置采用距平图法对突变点进行大致观察，根据式（3-15）分别求出各个站点46个年份的距平值，并绘制出各个站点的距平图，见图4-7、图4-8、图4-9。图4-7：武侯镇年径流量据平图图4-8：石泉（二）年径流量据平图63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图4-9：安康（二）年径流量据平图图4-7，图4-8，图4-9位各站的年径流量距平图，从图中可以看出三个水文站九十年代之前的年径流量均在均值附近波动，而九十年代之后，年径流量只在均值一下波动。因此可以大致估计出突变点的位置在1990年左右。并且三个站点在此表现出高度的一致性，表明整个汉江上游的年径流量的突变点均在1990年左右。4.3.2Mann-Kendall检验法分析突变点位置由于据平图法得出的突变点位置，仅仅只是从数据中直接观察出趋势进行估计，所以得出的结果仅仅只是定性的判断，并没有定量的计算，所以结果可靠性不够。采用Mann-Kendall检验法分析突变点位置，正如前面方法所介绍，将三个水文站的年径量带入式（3-7）得到序列，在将其带入式（3-6）求出序列，在用式（3-8）对序列中的每一个值进行标准化处理即可得到三个站点各自的标准统计变量序列。再将三个水文站的年径流量序列逆序排列，再次进行上述计算，得到的序列即为。经计算并绘制出结果图，结果图见图4-10、图4-11、图4-12。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图4-10：武侯镇M-K法突变点检验图图4-11：石泉（二）M-K法突变点检验图63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图4-12：安康（二）M-K法突变点检验图从图4-10、图4-11、图4-12可以看出三个水文站的年径流量的序列都小于0，这再一次说明三个水文站的年径流量都呈现出下降趋势。并且三个水文站年径流量的和序列都存在交点。取置信水平则，即临界值为1.28。从图中可以看出和的交点都介于临界值之间。再次观察图像，可以看出武侯镇和安康（二）的交点都出现在1991年附近，石泉（二）的交点出现在1990年。由此可以得出结论：武侯镇和安康（二）的年径流量变化的突变点出现在1991年，石泉（二）的年径流量变化的突变点出现在1990年。这一结论与从年径流量距平图中得出的结论是一致的。4.3.3序列聚类分析法分析突变点位置Mann-Kendall检验法得到的突变点位置虽然经过了定量的计算，但仅仅只是一个大致位置，所以需要用序列聚类分析法分析突变点的具体位置。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）采用序列聚类分析法分析突变点位置，对于各个站点年径流量序列，开始逐一假设分割点位置为，然后根据式（3-16）计算出每一个离差平方和，便可得到每个站点的离差平方和序列，经计算，得出计算结果图见图4-13、图4-14、图4-15。图4-13：武侯镇聚类分析法突变点检验图图4-14：石泉（二）聚类分析法突变点检验图63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图4-15：安康（二）聚类分析法突变点检验图从图4-13、图4-14、图4-15中可以看出每个站点的离差平方和序列的最小值都是出现在1990年，这表明三个站点的年径流量的突变点都是出现在1990年，这一结果和据平图法和Mann-Kendall检验法得出的突变点位置是基本一致的，这也足以说明武侯镇、石泉（二）和安康（二）站的年径流量变化趋势的突变点都是出现在1990年，结合三个水文站的位置进一步分析也可以得出结论：整个汉江上游的年径流量变化的突变点都是出现在1990年。4.4本章小结本章以汉江上游的武侯镇、石泉（二）和安康（二）水文站从1956年~2001年的年平均径流量的基础，对汉江上游径流量的变化趋势进行了分析。首先，采用滑动平均值法和Mann-Kendall检验法，对三个水文站的年径流量的变化趋势进行了分析，并对其显著性进行了检验。经计算得出结论：武侯镇、石泉（二）和安康（二）三个水文站的年径流量均有显著的下降趋势，并且三个水文站均通过了置信度为90%的假设检验。结合三个水文站的分布特征可以进一步说明整个汉江上游的年径流量均存在显著的下降趋势。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）然后采用R/S分析法，通过分析各个水文站年径流量系列的Hurst指数，分析了其径流减少趋势的持续了。得出结论：武侯镇、石泉（二）和安康（二）水文站年径流量的减少趋势都具有持续性，也就是说着三个水文站的年径流量在未来的若干年里会保持继续减少的趋势。结合三个水文站的分布特征，进一步可以说明整个汉江上游的年径流量的减少趋势均具有持续性。最后采用据平图分析法、Mann-Kendall检验法和序列聚类分析法分析了各个水文站年径流量变化突变的位置。计算结果：武侯镇、石泉（二）和安康（二）年径流量变化的突变点均出现在1990年。并且三种方法得出的结果基本保持一致。这也进一步表明整个汉江上游年径流变化的突变点均出现在1990年。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）第5章汉江上游降雨变化趋势分析5.1资料选取对于汉江上游的降雨量的变化趋势分析，为方便计算并结合降雨自身的特点，以点降雨量来代表面降雨量。汉中市的勉县的降雨量代替略阳县、宁强县以及勉县的降雨量；汉中市汉台区的降雨量代替留坝县、南郑县以及汉台区的降雨量；汉中市洋县的降雨量代替城固县佛坪县以及洋县的降雨量；汉中市的镇巴县的降雨量代替西乡县和镇巴县的降雨量；安康市石泉县的降雨量代替宁陕县、汉阴县以及石泉县的降雨量；安康市紫阳县的降雨量代替岚皋县和紫阳县的降雨量；平利县的降雨量代替旬阳县、白河县以及平利县的降雨量；再加上安康站的降雨量，这些行政区的降雨量足以代表整个汉江上游的降雨量。所以数据选取了汉中市的勉县、汉台区、洋县及镇巴县和安康市的石泉县、安康站、平利县及紫阳县从1962-2007年的年降雨量，由于这些县区基本覆盖了整个汉江上游，所以其代表性是完全足够的。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）5.2年降雨量变化趋势分析5.2.1滑动平均值法分析年降雨量变化趋势和年径流量的计算方法相同，根据式（3-1）计算出各个县区的5年滑动平均年降雨量，并对其做线性回归分析计算，结果见图5-1~图5-8图5-1：勉县5年滑动平均年降雨量过程图图5-2：汉台区5年滑动平均年降雨量过程图63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图5-3：洋县5年滑动平均年降雨量过程图图5-4：镇巴县5年滑动平均年降雨量过程图63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图5-5：石泉县5年滑动平均年降雨量过程图图5-6：紫阳县5年滑动平均年降雨量过程图63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图5-7：安康站5年滑动平均年降雨量过程图图5-8：平利县5年滑动平均年降雨量过程图从各个县区的年降雨量的线性回归方程可以看出其斜率全小于0，这表明各个县区的年降雨量在1962~2007年间都有下降趋势5.2.2Mann-Kendall检验法分析年降雨量变化趋势63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）由于滑动平均值法分析的变化趋势准确性不够，并且不能定量的反应出变化趋势的程度，所以再利用Mann-Kendall检验法降雨趋势进行分析计算，根据式3-2和式3-3计算出各个县区年降雨量系列的统计变量值，再根据式3-4和式3-5计算出标准统计变量，计算结果见表5-1。表5-1：Mann-Kendall检验法分析年降雨量变化趋势　NSVar(S)Z　趋势显著性　勉县46-25211155-2.381.28下降显著拒绝汉台区46-22511155-2.121.28下降显著拒绝洋县46-14611155-1.371.28下降显著拒绝镇巴县46-8111155-0.761.28下降不显著接受石泉县46-7611155-0.711.28下降不显著接受紫阳县46-11411155-1.071.28下降不显著接受安康站46-8111155-0.761.28下降不显著接受平利县46-16211155-1.521.28下降显著拒绝由表5-1可以看出标准统计变量值均小于0，说明各个县区的年降雨量均有下降趋势，这与滑动平均值法观察出的结果是一致的。取置信水平，则，则可以看出只有勉县、汉台区、洋县和平利县的大于1.28，所以得出结论：汉江上游的勉县、汉台区、洋县和平利县的年降雨量在1962~2007年间有显著的下降趋势，而镇巴县、石泉县、紫阳县和安康站的年降雨量虽然有下降趋势，但下降趋势并不显著。再对各个县区之间进行比较，可以看出勉县的降雨量下降趋势最为显著可以达到99%的置信度，汉台区的也非常显著，下降趋势可以达到97%，而镇巴县、石泉县和安康站的年降雨量的下降趋势最不明显。结合汉江上游的县区划分以及资料的选取情况，可以看出整个汉中市地区的降雨量有显著的下降趋势，而安康市的下降趋势并不明显。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）5.3年降雨量变化持续性分析计算方法和年径流量变化的方法相同，采用R/S法估算Hurst指数，来对汉江上游各个区县的年降雨量变化的持续性进行分析。各个区县的年降雨量系列即为时间序列，再根据式（3-11）、（3-12）求出均值序列和累积离差序列，再根据式（3-13）、（3-14）分别求出极差序列和标准差序列。根据和之间的关系（式中为常数），对该式两边同时取对数得到。再绘制出的关系曲线，并对其进行线性回归分析，得到的斜率值即为Hurst指数，具体计算结果见图5-9~图5-16图5-9：勉县Hurst指数分布图63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图5-10：汉台区Hurst指数分布图图5-11：洋县Hurst指数分布图63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图5-12：镇巴县Hurst指数分布图图5-13：石泉县Hurst指数分布图63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图5-14：紫阳县Hurst指数分布图图5-15：安康站Hurst指数分布图63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图5-16：平利县Hurst指数分布图从图4-9~图4-16中可以看出各个地区的线性回归方程，进而得到各个区县年降雨量系列的Hurst指数分别为：勉县0.607、汉台区0.6378、洋县0.6196、镇巴县0.6619、石泉县0.5688、紫阳县0.7452、安康站0.6148、平利县0.6277。可以看出八个县区年降雨量的Hurst指数全都大于0.5，说明八个县区的年降雨量在未来的若干年中于1962~2007年有相同的变化趋势，即说明汉江上游在1962~2007年的年降雨量的减少趋势具有持续性。再在各个区县之间进行比较，可以看出紫阳县的持续性最强，而石泉县的持续性最弱。5.3年降雨量突变点分析5.3.1Mann_Kendall检验法分析突变点位置63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）由于据平图法得出的突变点位置，仅仅只是从数据中直接观察出趋势进行估计，而部分区县的年降雨量的下降趋势又不显著，所以据平图法分析的突变点位置必然误差较大，所以在此采用Mann-Kendall检验法分析突变点位置，方法和计算径流的方法相同，将各个区县的年降雨量带入式（3-7）得到序列，在将其带入式（3-6）求出序列，在用式（3-8）对序列中的每一个值进行标准化处理即可得到各个区县年降雨量的标准统计变量序列。再将八个区县的年降雨量序列逆序排列，再次进行上述计算，得到的序列即为。经计算并绘制出结果图，结果图见图5-17~图5-24。图5-17：勉县M-K法突变点检验图63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图5-18：汉台区M-K法突变点检验图图5-19：洋县M-K法突变点检验图图5-20：镇巴县M-K法突变点检验图63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图5-21：石泉县M-K法突变点检验图图5-22：紫阳县M-K法突变点检验图63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图5-23：安康站M-K法突变点检验图图5-24：平利县M-K法突变点检验图从图5-17~图5-24可以看出八个县区的年降雨量的序列都小于0，这再一次说明八个县区都呈现出下降趋势。并且八个县区年降雨量的和序列都存在交点。勉县的交点出现在1989年附近；汉台区的交点出现63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）1990年附近；洋县的交点出现在1984年附近；镇巴县的交点出现在1984年附近；石泉县的交点出现在1984年附近；紫阳县存在两个交点，第一个交点出现在1974年附近，第二个交点出现在1988年附近；安康站的交点出现在1983年附近；平利县的交点出现在1984年附近。如果取置信水平则，即临界值为1.28。从图中可以看出和的交点都介于临界值之间。从而可以得出去个县区各自年降雨量突变点出现的大致位置，勉县1989年、汉台区1990年、洋县1984年、镇巴县1984年、石泉县1984年、紫阳县1974年或1988年、安康站1983年、平利县1984年。5.3.2序列聚类分析法分析突变点位置Mann-Kendall检验法得到的突变点位置虽然经过了定量的计算，但仅仅只是一个大致位置，所以需要用序列聚类分析法分析突变点的具体位置。采用序列聚类分析法分析突变点位置其方法和计算径流的方法相同，对于各个站点年径流量序列，开始逐一假设分割点位置为，然后根据式（3-16）计算出每一个离差平方和，便可得到每个站点的离差平方和序列，经计算之后，由于序列的值都较大，为方便处理再次对系列求平方根，得到标准离差平方和系列。经计算结果见图5-25~图5-32。图5-25：勉县聚类分析法突变点检验图63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图5-26：汉台区聚类分析法突变点检验图图5-27：洋县聚类分析法突变点检验图63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图5-28：镇巴县聚类分析法突变点检验图图5-29：石泉县聚类分析法突变点检验图63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）图5-30：紫阳县聚类分析法突变点检验图图5-31：安康站聚类分析法突变点检验图图5-32：平利县聚类分析法突变点检验图63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）从图5-25~图5-32中可以看出每个县区的离差平方和序列的最小值都是出现的具体时间：勉县1990年、汉台区1990年、洋县1990、镇巴县1985年、石泉县1987年、紫阳县1984年、安康站1987年、平利县1984年。将此结果与Mann-Kendall检验法得出的结果进行比较得出表5-2。表5-2：分析突变点位置的两种方法对比　Mann-Kendall检验法序列聚类分析法勉县19891990汉台区19901990洋县19841990镇巴县19841985石泉县19841987紫阳县1974或19881984安康站19831987平利县19841984从表5-2可以看出经过两种方法计算勉县、汉台区、镇巴县和平利县得出的突变点位置基本保持一致，而洋县、石泉县、紫阳县以及安康站存在一点点偏差。结合5.2中年降雨量变化趋势分析中所得的结果，分析原因可能是由于石泉县、安康站以及紫阳县一带降雨量变化趋势不显著造成的。由于序列聚类分析法得出的结果更加的准确，所以计算结果以序列聚类分析法计算的结果为准。5.4本章小结本章以汉江上游勉县、汉台区、洋县、镇巴县、石泉县、紫阳县、安康站、平利县从1962年~2007年间的年平均降雨量来代替整个汉江上游地区的降雨情况，并对各个县区的年降雨量的变化趋势进行了逐一分析。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）首先，采用滑动平均值法和Mann-Kendall检验法对各个县区年降雨量的变化趋势进行分析，并对其变化趋势的显著性进行了检验。经计算得出结论：勉县、汉台区、洋县以及平利县的年降雨量存在显著的降低趋势，而镇巴县、石泉县、紫阳县和安康站的年平均降雨量虽然有降低趋势，但其趋势并不显著。再结合汉江上游的县区划分图，发现汉中市的大部分地区的年降雨量有显著的下降趋势，而安康市大部分地区的年降雨量有不显著的下降趋势；然后再采用R/S分析法分析了各个区县年降雨量变化趋势的持续性，结果表明八个区县的年降雨量减少的趋势都存在持续性，也就是说在未来的若干年里，汉江上游降雨量减少的这种趋势还会继续持续。而紫阳县的持续性最强，石泉县的持续性最弱；最后采用Mann-Kendall检验法和序列聚类分析法对各个区县年降雨量变化突变点的位置进行了分析，经过对各个县区的逐一分析计算之后，两种方法得出的结果基本保持一致，但还是存在微小的偏差。突变点出现时间的计算结果：勉县1990年、汉台区1990年、洋县1990年、镇巴县1985年、石泉县1987年、紫阳县1984年、安康站1987年、平利县1984年。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）第6章结论水文要素变化趋势的分析研究在水文研究中具有非常重要的意义，不仅可以为水资源的合理开发利用和管理提供科学依据和理论基础，还可以为水文预报工作奠定一定的基础。本次研究通过熟读《水文情报预报规范》等技术规范文件，了解了水文预报相关的技术要求。通过查阅文献资料了解了水文要素变化趋势分析当前的国内外研究进展，并学习掌握了其趋势分析常用的Mann-Kendall检验法、R/S法、序列聚类分析法等研究方法。再通过系统的收集汉江上游的水文要素数据资料，并对数据资料进行整理分析计算，得出以下结论：1）自1956年~2001年间，汉江上游的武侯镇、石泉县和安康站的年径流量变化均呈现显著的递减趋势；2）在2001年后的若干年里汉江上游武侯镇、石泉县及安康站年径流的递减趋势具有持续性，即就是在未来的若干年里汉江上游的武侯镇、石泉县和安康站的年径流量为持续递减；3）在1956年~2001年间，汉江上游的武侯镇、石泉县和安康站的年径流量变化的突变点均出现在1990年；4）自1962年~2007年间，汉江上游地区的勉县、汉台区、洋县和平利县的年降雨量有显著的递减趋势，而镇巴县、石泉县、紫阳县和安康站的降雨量虽然存在减少趋势，但趋势并不显著；5）1962~2007年间各个区县的年降雨量的减少趋势具有持续性，即就是说在未来的若干年里八个区县的年降雨量为持续减少；6）在1962~2007年间，汉江上游的各个县区年降雨量变化突变点出现的位置：勉县1990年、汉台区1990年、洋县1990年、镇巴县1985年、石泉县1987年、紫阳县1984年、安康站1987年、平利县1984年。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）毕业设计小结毕业设计是大学本科学习的最后一个环节，也是十分重要的一个环节。通过毕业设计可以对大学期间所学的知识进行一次系统的串联，通过实际运用的方式，加深对一些专业知识的认识，并且通过自己的动手实践使得课本的知识灵活的应用于实际生产生活中。而且，这次毕业设计的过程可以成为我们从学习到工作阶段的一次完美过度过程，有助于以后的工作中能够理论联系实际，为以后能够更好的工作以及更好的提升自己的能力奠定了一点的基础。本次毕业设计通过计算分析汉江上游水文要素时空分布特征及变化趋势，不仅使我了解了水文预报想关技术的要求，同时使我掌握了水文要素时空分布特征及变化趋势分析的基本程序和基本方法。通过收集数据并系统的处理数据，使我使我对水文数理统计相关的知识有了更进一步的认识。通过查阅文献及请教老师，使我了解了许多水文模型的建立和应用。总而言之，通过本次毕业设计不仅使我对本科期间学习到的许多知识进行了一定的回顾，甚至有了更深的理解，并且我还从中学习到了许多新的技能，使我见到一些陌生的知识点不再去害怕担心，而是通过一点一点的查阅资料去慢慢理解并应用它。通过这段时间的学习，我明白了毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种检验和提高。在整个设计过程中，我懂得了许多东西，培养了我独立学习以及理论联系实践的能力，使我的动手能力大大提高，我充分体会了在创造过程中探索的艰难和成功是的喜悦。63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）致谢本论文从开始的确定课题，书写开题报告，到逐步编写毕业论文，都离不开老师们的谆谆诱导。老师们给予的指导让我受益良多，无论是理论上的疑点，还是计算过程中遇到的难点，老师们都给我做了详细的分析与指导，他们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。老师们不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向老师们致以诚挚的谢意和崇高的敬意。感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。最后要感谢的是我的父母，本次论文的顺利完成少不了他们的支持与帮助。在未来的日子里，我会更加努力的学习和工作，不辜负父母对我的殷殷期望！衷心感谢所有帮助和支持过作者的人！63 水文与水资源工程专业毕业设计（论文）参考文献[1]Azim.F,Shakir.AS,Rehman.H,Nabi.G.Site-SpecificDetectionsofHydroclimaticChangesforNaranWatershed,Pakistan.ArabianJournalforScienceandEngineering.2015,3,20:693-704[2]Paschalis,Athanasios,Fatichi.Simone,Molnar,Peter.Ontheeffectsofsmallscalespace-timevariabilityofrainfallonbasinfloodresponse.JournalofHydrology.514：313-327.2014,6[3]Jurgelenaite,Aldona,Kriauciuniene,Jurate,Sarauskiene,Diana.SpatialandtemporalvariationinthewatertemperatureofLithuanianrivers.Baltica.25:62-76.2012,6[4]AngelPérez-Ruzafa,AnaIsabelFernández,ConcepciónMarcos,JavierGilabert,JhoniIsmaelQuispe,JoséAntonioGarcía-Charton.Spatialandtemporalvariationsofhydrologicalconditions,nutrientsandchlorophyllainaMediterraneancoastallagoon.Hydrobiologia,550:11-27.2005,11,7[5]OrchardCM,LorentzSA,JewittGP.Spatialandtemporalvariationsofoverlandflowduringrainfalleventsandinrelationtocatchmentconditions.HydrologicalProcesses,27:2325-2338.2013,6,30[6]Hulme.M.A1951-80globallandprecipitationclimatologyfortheevaluationofgeneralcirculationmodels,ClimateDyn[J],1992,(7):57-72.[7]Bradley.R.S,H.F.Diaz,J.K.Eischeid,etal.PrecipitationfluctuationsoverNorthernhemispherelandareassincethemid-19thcenter[J].Science,1987,(237):171-175.[8]HaylockMR?PetersonTC,AlvesLM,etal.TrendsintotalandextremesouthAmericanrainfallin1960?2001andlinkswithseasurfacetemperature[J].JournalofClimate,2005,19(8):1490-1512.[9]YamamotoR,SakuraiY.Longtermintensificationofextremelyheavyrainfallintensityinrecent100years[J],WorldResour.Rev.,1999,11(7):271-281.63 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