本發(fā)明涉及一種多彈性對徑流變化驅(qū)動(dòng)因素的定量分割方法，屬于水文水資源應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

徑流是地表水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，作為人類最早可利用的水資源形式之一，其變化過程很早以前就受到人們的關(guān)注。近年來，以氣候變化和強(qiáng)人類活動(dòng)影響為特征的環(huán)境變化導(dǎo)致中國乃至全球很多流域的河川徑流都發(fā)生了顯著的變化。特別是對于我國而言，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展和水資源短缺、洪旱災(zāi)害問題并存的背景下，中國北方的海河、黃河和遼河等河流的徑流量的顯著下降對我國水資源可持續(xù)利用和管理提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，精確解讀氣候變化和強(qiáng)人類活動(dòng)下水資源轉(zhuǎn)化過程的響應(yīng)規(guī)律和機(jī)理，定量辨識氣候變化和人類活動(dòng)的各因子對地表徑流的影響，是減少水資源評估不確定性，從而保障區(qū)域水資源安全的關(guān)鍵科學(xué)基礎(chǔ)。

如何準(zhǔn)確的分離出氣候變化的各變量和人類活動(dòng)對地表徑流的影響十分具有挑戰(zhàn)性，目前在氣候變化水文響應(yīng)評估中被廣泛采用的方法主要有兩類：基于氣候彈性系數(shù)的方法和基于水文模擬的方法。水文模擬方法采用水文模型來量化氣候變化及人類活動(dòng)引起的下墊面改變對徑流的影響。該方法具有較好的物理基礎(chǔ)，但模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)等存在一定的不確定性，可能導(dǎo)致評價(jià)結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。另一種基于氣候彈性系數(shù)的方法，已有研究證明該方法是一種簡單有效的方法。隨著流域水文技術(shù)的發(fā)展，氣候彈性法已由最初的只考慮降水對徑流影響的單參數(shù)彈性法發(fā)展到考慮降水，溫度，輻射，風(fēng)速以及相對濕度的多彈性法。然而，輻射數(shù)據(jù)測站少且不易獲取，輻射與溫度和濕度之間的相關(guān)性不可忽略。如何消除變量間的相關(guān)性影響，更精確地定量評估相對獨(dú)立的各氣候因子對徑流變化的貢獻(xiàn)？此外，如何利用彈性法計(jì)算人類活動(dòng)對徑流變化的影響？這些都是需要解決的關(guān)鍵問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種多彈性對徑流變化驅(qū)動(dòng)因素的定量分割方法，可準(zhǔn)確定量地評估降水、最高氣溫、最低氣溫、風(fēng)速、日照、相對濕度和流域特性對徑流變化的影響。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種多彈性對徑流變化驅(qū)動(dòng)因素的定量分割方法，包括如下步驟：

步驟1，收集流域內(nèi)至少40年的年徑流量資料以及日氣象要素資料，其中，氣象要素資料包括降水量、最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)；

步驟2，結(jié)合最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)，運(yùn)用penman-montieth公式計(jì)算流域日潛在蒸發(fā)量，進(jìn)而得到流域多年平均潛在蒸發(fā)量；

步驟3，根據(jù)流域內(nèi)的水量平衡方程，結(jié)合流域多年平均徑流量與多年平均降水量，計(jì)算流域多年平均實(shí)際蒸發(fā)量；

步驟4，采用單參數(shù)的budyko方程，結(jié)合多年平均降水量、多年平均潛在蒸發(fā)量、多年平均實(shí)際蒸發(fā)量，計(jì)算多年平均的流域特性參數(shù)；

步驟5，計(jì)算徑流對降水量、最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)以及流域特性這七個(gè)驅(qū)動(dòng)因素的彈性系數(shù)；

步驟6，分析流域內(nèi)年徑流量的變化趨勢，判斷年徑流過程的突變點(diǎn)，將突變點(diǎn)之前作為基準(zhǔn)期，突變點(diǎn)之后作為變化期；

步驟7，根據(jù)彈性系數(shù)、多年平均徑流量、各個(gè)驅(qū)動(dòng)因素的多年平均值、變化期徑流量均值與基準(zhǔn)期徑流量均值的差值、各個(gè)驅(qū)動(dòng)因素變化期均值與基準(zhǔn)期均值的差值，計(jì)算各個(gè)驅(qū)動(dòng)因素對徑流變化的貢獻(xiàn)率。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟2所述日潛在蒸發(fā)量的計(jì)算公式為：

其中，e0_d為日潛在蒸發(fā)量，δ為飽和水汽壓斜率，rn為凈輻射，g為土壤熱通量，γ為干濕常數(shù)，t為平均溫度，u為平均風(fēng)速，vpd為飽和水汽壓差。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟3所述多年平均實(shí)際蒸發(fā)量的計(jì)算公式為：

e＝p-q

其中，e為多年平均實(shí)際蒸發(fā)量，p為多年平均降水量，q為多年平均徑流量。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟4所述多年平均的流域特性參數(shù)的計(jì)算公式為：

e＝p/[1+(p/e0)ⁿ]^1/n

其中，e為多年平均實(shí)際蒸發(fā)量，p為多年平均降水量，e0為多年平均潛在蒸發(fā)量，n為多年平均的流域特性參數(shù)。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟6所述判斷年徑流過程的突變點(diǎn)方法為：pettitt檢驗(yàn)方法。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟7所述各個(gè)驅(qū)動(dòng)因素對徑流變化的貢獻(xiàn)率計(jì)算公式為：

其中，p，ta，ti，u，n，rh，n分別為多年平均降水量、多年平均最高氣溫、多年平均最低氣溫、多年平均風(fēng)速、多年平均日照時(shí)數(shù)、多年平均相對濕度、多年平均的流域特性參數(shù)；ηx為貢獻(xiàn)率，εx為彈性系數(shù)，q為多年平均徑流量，δq為變化期徑流量均值與基準(zhǔn)期徑流量均值的差值，δx為各個(gè)驅(qū)動(dòng)因素變化期均值與基準(zhǔn)期均值的差值。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明基于budyko方程和penman-montieth公式，結(jié)合流域內(nèi)的水文氣象要素變化，將氣候彈性法推廣到徑流變化對降水，最高、最低氣溫，風(fēng)速，日照，相對濕度和流域特性的多彈性分析，從而定量辨識各驅(qū)動(dòng)因素對徑流變化的影響。

2、本發(fā)明方法具有很好的適用性，所需資料極易獲取，大大降低了計(jì)算成本，計(jì)算成果也更全面、更科學(xué)，既消除了各氣象變量間的相關(guān)性，考慮了各氣象因子對徑流的影響，也利用表征流域特性的參數(shù)考慮了人類活動(dòng)對徑流的影響。

附圖說明

圖1是本發(fā)明多彈性對徑流變化驅(qū)動(dòng)因素的定量分割方法的流程框圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

如圖1所示，為本發(fā)明一種多彈性對徑流變化驅(qū)動(dòng)因素的定量分割方法的流程框圖，包括以下步驟：

(1)基礎(chǔ)資料收集：收集流域內(nèi)的長序列(一般為40年以上)水文氣象資料(降水量、最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)均以日為單位；徑流量以年為單位)。

(2)結(jié)合日最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)，運(yùn)用penman-montieth公式計(jì)算流域長序列的日潛在蒸發(fā)量，進(jìn)而可求得流域多年平均潛在蒸發(fā)量。

日潛在蒸發(fā)量e0_d：

其中，δ為飽和水汽壓斜率(kpa℃-1)，rn為凈輻射(mjm-2d-1)，g為土壤熱通量(mjm-2d-1)，γ為干濕常數(shù)(kpa℃-1)，t為平均溫度(℃)，u為平均風(fēng)速，vpd為飽和水汽壓差，es為平均飽和水汽壓(kpa)，ea為實(shí)際水汽壓(kpa)。

多年平均潛在蒸發(fā)量e0：

其中，m為序列的年份，m為一年中的天數(shù)。多年平均降水量、多年平均最高氣溫、多年平均最低氣溫、多年平均風(fēng)速、多年平均日照時(shí)數(shù)、多年平均相對濕度均可參照公式(2)。

(3)運(yùn)用流域長期平均的水量平衡方程(即p＝e+q)結(jié)合流域多年平均徑流量與降水量來計(jì)算流域多年平均實(shí)際蒸發(fā)量e：

e＝p-q(3)

多年平均徑流量由各年的年徑流量總和除以長序列的長度得到，長序列以40年為例，則多年平均徑流量由1到40年各年的年徑流量總和除以40得到。

(4)選擇一種形式的單參數(shù)budyko方程，目前常用的有四種形式，包括：

fu：

choudhury：e＝p/[1+(p/e0)ⁿ]^1/n

zhang：e＝p[1+n(e0/p)]/[1+n(e0/p)+p/e0]

wang-tang：

以上各種形式的budyko方程均可表示為e＝f(e0,p,n)，根據(jù)流域多年平均實(shí)際蒸發(fā)量，降水量和潛在蒸發(fā)量來計(jì)算出代表流域特性的參數(shù)值。如選用choudhury的budyko方程，計(jì)算代表流域特性的參數(shù)值n。

(5)分析流域內(nèi)各水文氣象變量相對于多年平均值的變化程度，計(jì)算徑流對降水、日最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)以及流域特性共七個(gè)驅(qū)動(dòng)因子的彈性。

徑流對各驅(qū)動(dòng)因素的彈性定義為單位氣候要素或流域特性參數(shù)的變化導(dǎo)致的流域徑流量的變化程度，如降水量增加1％導(dǎo)致流域年徑流量相對于多年平均值的變化百分比，其中，溫度的彈性習(xí)慣上定義為溫度增加1℃導(dǎo)致流域年徑流量相對于多年平均值的變化百分比。其具體推導(dǎo)過程如下：

根據(jù)流域長期平均的水量平衡方程，多年平均降水量p的變化可以表示為以下全微分形式：

dp＝de+dq(4)

同樣地，根據(jù)budyko方程，多年平均實(shí)際蒸發(fā)量e的變化可以表示為以下全微分形式：

將公式(5)帶入公式(4)可得以下形式：

等式兩邊同時(shí)除以q＝p-e，年徑流量的相對變化可表示為：

令和上式可化簡為：

由定義可知，εp、和εn分別為徑流對降水、潛在蒸發(fā)和流域特性的彈性。以上p、e0、q均表示各變量的多年平均值，n表示多年平均的流域特性參數(shù)。

相似地，根據(jù)penman-montieth公式，日潛在蒸發(fā)量的變化可表示為以下全微分形式：

公式(9)是建立在日尺度基礎(chǔ)上的，因?yàn)閜enman-montieth公式是利用日尺度的氣象變量來計(jì)算的日潛在蒸發(fā)量，但由于彈性的定義是建立在多年平均尺度上的，所以為了更清晰地表達(dá)尺度轉(zhuǎn)換問題，這里引入下標(biāo)_d表示日變量，_y表示年變量。則公式(9)可表示為：

則年潛在蒸發(fā)量的變化可表示為：

式中，m為一年中的天數(shù)，進(jìn)一步地，年潛在蒸發(fā)量的相對變化可表示為：

假設(shè)在長序列(一般大于40年)的估算中，以下等式能成立：

式中，表示各變量的多年平均值，將公式(13)帶入公式(12)，可得以下形式：

為了與公式(8)統(tǒng)一表達(dá)形式，公式(14)可進(jìn)一步整理化簡為：

式中，εta′、εti′、εu′、εn′和εrh′分別表示潛在蒸發(fā)對最高溫度、最低溫度、風(fēng)速、日照和相對濕度的彈性。將公式(15)帶入公式(8)，可得以下形式：

令和則上式可寫為：

式中，εp、εta、εti、εu、εn、εrh和εn分別為徑流對降水、最高溫度、最低溫度、風(fēng)速、日照、相對濕度和流域特性的彈性。

(6)分析流域內(nèi)徑流量的歷史演變趨勢，判斷年徑流過程的突變點(diǎn)，突變點(diǎn)之前為基準(zhǔn)期，突變點(diǎn)之后為變化期。運(yùn)用pettitt檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)?zāi)陱搅飨盗械耐蛔凕c(diǎn)，具體步驟如下：

①使用統(tǒng)計(jì)量ut,m來檢驗(yàn)同一個(gè)總體x(t)的兩個(gè)樣本，統(tǒng)計(jì)量ut,m的公式：

式中，t表示年，m為序列長度，本實(shí)施例中為40年，若xt-xi>0，則sgn(xt-xi)＝1；若xt-xi＝0，則sgn(xt-xi)＝0；若xt-xi<0，則sgn(xt-xi)＝-1。

②pettitt檢驗(yàn)的零假設(shè)為序列無變異點(diǎn)，其統(tǒng)計(jì)量km和相關(guān)概率的顯著性檢驗(yàn)公式如下：

kt,m＝max|ut,m|,(1≤t≤m)

式中，若p≤0.05，則認(rèn)為t點(diǎn)為顯著變異點(diǎn)。由此將年徑流系列分為基準(zhǔn)期和變化期，t點(diǎn)包括在變化期中。

(7)利用徑流對降水、日最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)以及流域特性共七個(gè)驅(qū)動(dòng)因子的彈性，全時(shí)段徑流量與七個(gè)驅(qū)動(dòng)因子的均值，以及變化期徑流量和七個(gè)驅(qū)動(dòng)因子與基準(zhǔn)期的差值，分析七個(gè)驅(qū)動(dòng)因素對徑流變化的貢獻(xiàn)率。

變化期相對于基準(zhǔn)期徑流量的變化可以表示為七個(gè)驅(qū)動(dòng)因子的變化導(dǎo)致的徑流變化之和，即：

計(jì)算各驅(qū)動(dòng)因子對徑流變化的貢獻(xiàn)率，計(jì)算公式如下：

式中，x表示各變量的多年平均值，δx表示各變量在變化期均值相對于基準(zhǔn)期均值的差值。

以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。