基于Copulas函数的黑河流域多变量水文干旱研究

论文摘要

水文干旱是指可用水在水循环的陆地循环中快速减少的现象,反映在水文变量中即径流量的减少和湖水位、库水位、地下水位的降低。作为自然干旱中的一种重要类型,水文干旱的发生会对水循环过程造成严重的影响。目前的水文干旱指数多以径流量为变量,没有考虑地下水因素,不能完全反映实际水文干旱情况,尤其是在以地下水为重要水源的北方地区。构建基于径流与地下水的多因素水文干旱指标以及分析水文干旱演变特征,对区域防旱抗旱具有重要的指导作用。本文以我国第二大内陆河—黑河流域为研究对象,对径流量与地下水位的变化特征进行了分析,使用61种分布函数对不同月份的径流量与不同观测井的地下水位差变量序列进行最优分布函数的拟合,计算了标准径流干旱指数和标准地下水干旱指数,采用权重法对中游构建基于径流和地下水的综合水文干旱指数;根据游程理论识别出水文干旱的特征变量,从干旱指数、干旱等级与干旱特征变量三个方面分析了水文干旱的演变特征;采用Copulas函数构建了水文干旱多变量联合分布,并对水文干旱特征变量的概率与重现期进行了分析。获得以下主要结论:（1）中游径流量整体呈现增加趋势且年径流量变化幅度较大,下游年径流量在1990年之前持续下降但在1990年之后呈现增加趋势,且二者在2005年之后一直都处在高位震荡上升;年平均地下水位整体呈现极为明显的降低趋势,其中2005年之前持续下降但在2005年之后呈现上升趋势。中游地区地表水和地下水转换频繁,因此构建考虑径流与地下水的综合干旱指数对于中游水文干旱的研究十分必要。（2）莺落峡月径流的最优分布以3参数或4参数Burr分布较多,正义峡月径流最优分布以2参数Weibull分布较多,地下水位差最优分布以Burr与Cauchy分布为主;中游水文干旱指数整体呈现显著增加趋势,在2006年左右出现突变,而下游呈现显著减小趋势,在1975年左右出现突变;中游水文干旱指数变化的主周期为2年时间尺度,下游水文干旱指数变化的第一主周期为2年时间尺度,第二主周期为18年时间尺度。（3）中、下游某一干旱等级中各月所占比例相差不大,中游主要以轻旱为主,中旱所占比例较小,重旱与特旱基本未发生;而下游主要以轻、中旱为主,重旱比例较小,特旱基本未发生;中游发生干旱的概率自80年代先增大再减小,且在90年代达到最大,其中轻旱比例变化幅度最大;下游发生干旱的概率整体有所上升,其中轻旱与中旱比例增加幅度较大,重旱比例减小但幅度较小。下游与中游的干旱历时虽然差别不大,但下游干旱烈度与烈度峰值均比中游大;中游干旱事件的历时大多小于5个月,历时在5个月以上的干旱仅发生了2次,与中游相比,下游发生的干旱事件程度更加严重,主要表现为长历时与高烈度。（4）中、下游的干旱特征变量两两之间均具有显著相关性。中游D-S、D-M、S-M与D-S-M的联合分布最优Copula函数分别为Joe、Gumbel、Frank与Frank Copula,下游D-S、D-M、S-M与D-S-M的最优Copula函数分别为Joe、Frank、Clayton与Frank Copula,且拟合效果均较好。中游发生持续4个月轻旱事件的重现期约为10年,下游发生持续半年重旱事件的重现期约为11年。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 干旱定义及分类研究

1.2.2 干旱指标研究

1.2.3 水文干旱多变量研究

1.3 存在的问题

1.4 研究内容及技术路线

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

第二章研究区数据资料分析

2.1 研究区概况及数据来源

2.1.1 研究区概况

2.1.2 数据来源

2.2 资料分析

2.2.1 水文要素演变趋势

2.2.2 水文要素季节变化

2.3 地下水位处理

2.4 本章小结

第三章水文干旱指数的构建

3.1 标准化干旱指数

3.1.1 计算原理

3.1.2 尺度选择

3.2 分布拟合

3.2.1 径流分布拟合

3.2.2 地下水分布拟合

3.3 基于最优分布的水文干旱指数

3.3.1 标准径流干旱指数

3.3.2 标准地下水干旱指数

3.3.3 综合水文干旱指数

3.4 本章小结

第四章黑河流域水文干旱演变特征研究

4.1 干旱指数演变特征分析

4.1.1 趋势分析

4.1.2 周期分析

4.2 干旱等级特征分析

4.2.1 中游干旱等级特征分析

4.2.2 下游干旱等级特征分析

4.3 水文干旱特征变量分析

4.3.1 游程理论

4.3.2 水文干旱特征变量识别

4.3.3 黑河流域水文干旱特征变量分析

4.4 本章小结

第五章基于Copula函数的水文干旱多变量特征分析

5.1 Copula函数理论

5.1.1 Copula函数定义及性质

5.1.2 Copula函数分类

5.1.3 Copula函数参数估计及拟合优度检验

5.1.4 重现期计算

5.1.5 Copula函数应用流程

5.2 干旱特征变量分布拟合

5.3 多变量联合分布研究

5.3.1 二维干旱变量联合分布

5.3.2 三维干旱变量联合分布

5.3.3 概率与重现期分析

5.4 本章小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

附录A 分布函数表达式

附录B 分布拟合PP图

致谢

个人简历

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张向明

导师: 粟晓玲

关键词: 径流,地下水,分布拟合,函数,重现期

来源: 西北农林科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 西北农林科技大学

基金: 国家重大研究计划“黑河流域绿洲农业水转化多过程耦合与高效用水调控”(编号:91425302),国家自然科学基金“干旱传递机理及综合干旱评估方法”(编号:51879222)

分类号: P333

总页数: 93

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