摘 要

随着水资源问题的日益严重，流域径流特征的研究成为国内外学者及科研究过研究的重点，径流变化特征的分析与预测对于流域预防旱涝灾害，解决水资源时空分布不均的问题以及水资源的合理规划有重要意义。

本文以汉江流域白河站、丹江站、黄家港站、皇庄站、仙桃站5个水文站位研究对象，获取了5个水文站2002年至2016年15年水文数据，通过对径流年内、年际变化特征分析，获取了各水文站径流分配变差系数、集中度和集中期等数据，并通过线性回归法对该流域气候因素、植被指数以及人文因素对径流变化特征的影响进行了分析，最终得出如下结论：（1）径流量年内分配不均，集中度较高，主要集中在7、8月份，且上游高于下游，上游旱涝灾害灾害较下游更加严重。（2）径流年际分配不均匀，呈现丰枯交替的规律，且近5年来年径流量处于下降趋势。（3）汉江流域径流主要受到降水的影响，流域上游雨量与集中度呈负相关，下游呈负相关，上游雨量与年内变差系数呈负相关。

关键词：汉江流域、水文特征值、气象因素、植被指数、人文因素

Abstract

With the increasing water resources problem, the study of the characteristics of river runoff has become the focus of research and research at home and abroad. The analysis and prediction of runoff variation characteristics have been discussed for the prevention and control of drought and flood disaster in the watershed, and the problem of spatial and temporal distribution of water resources Reasonable planning of water resources is of great significance.

Based on the study of five hydrological stations in Baihe station, Danjiang station, Huangjiagang station, Huangzhuang station and Xiantao station, the hydrological data of 5 hydrological stations from 2002 to 2016 were obtained. And the interannual variability characteristics were analyzed, and the data such as variation coefficient, concentration and concentration of runoff distribution were obtained. And the influence of climatic factors, vegetation index and human factors on runoff variation characteristics were analyzed by linear regression method. Finally, the following conclusions were drawn: (1) The distribution of runoff was uneven during the year, and the concentration was mainly concentrated on July, August, and upstream higher than the downstream, the upper reaches of drought and flood disaster more serious than the downstream. (2) The interannual distribution of runoff is uneven, showing the law of abundance and alternation, and the annual runoff is declining in the past 5 years. (3) The runoff of the Hanjiang River Basin is mainly affected by precipitation. The rainfall and concentration in the upper reaches of the basin are negatively correlated with the negative correlation, and the upstream rainfall is negatively correlated with the variance coefficient.

Key words: Hanjiang River Basin, hydrological eigenvalue, meteorological factors, vegetation index, human factors.

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景、意义 1

1.2国内外研究现状与进展 1

1.3研究内容 2

1.4技术路线 2

1.5 文章结构 3

第二章 径流特征研究的理论方法 4

2.1研究方法介绍 4

2.1.1 径流特征分析 4

2.1.1.1 径流年内及年际分配变差系数 4

2.1.1.2 集中度和集中期 4

2.1.1.3 径流年内分配偏态系数Cs 5

2.1.1.4 径流年内分配变化幅度 5

2.1.2 年径流突变分析法—Mann-Kendall法 5

2.1.3 径流影响因素与径流特征耦合分析方法 6

2.1.3.1 相关分析法 6

2.1.3.2 回归分析法 6

2.2径流特征及其影响因素分析的理论依据 6

2.2.1水循环简介 6

2.2.2 植被因子—NDVI模型 7

2.2.3 线性回归分析模型 7

第三章 径流变化特征及影响因素分析 9

3.1 研究区概况 9

3.2汉江径流特征分析 9

3.2.1 汉江径流年内变化分析 10

3.2.1.1 年内分配曲线 10

3.2.1.2 汉江流域径流量年内分配百分比 12

3.2.2 年内分配特征值 14

3.2.2.1 径流年内分配变差系数 15

3.2.2.2 径流年内集中度和集中期 17

3.2.2.3汉江流域径流量年内分配偏态系数 18

3.2.2.4汉江流域径流量年内分配变化幅度 19

3.2.3 汉江径流年际变化分析 21

3.2.3.1 年径流变化趋势分析 21

3.2.3.2 径流年际变化特征值 22

3.2.4 汉江径流时间序列突变分析 23

3.2.5 汉江流域水文特征总结 25

3.3 水文影响因素与径流量耦合分析 25

3.3.1 气候数据的获取以及对径流特征的影响分析 26

3.3.1.1 气候数据的获取 26

3.3.1.2 气象数据特征分析 27

3.3.1.3 气象数据对水文特征的影响分析 28

3.3.2 植被指数获取以及对径流特征的影响分析 32

3.3.2.1 植被指数获取 32

3.3.2.2 植被对径流特征的影响分析 34

3.3.3 丹江口水库对汉江流域径流变化特征的影响分析 34

3.4 本章小结 35

第四章 结论与展望 36

4.1 结论 36

4.2 展望 36

参考文献 37

致谢 38

第一章 绪论

1.1研究背景、意义

水是人类社会发展以及一切生物生存的重要条件之一，影响着社会的发展以及生态环境的改善。如今随着世界人口的快速增长以及各国经济的迅速发展，水资源问题成为21世纪全球关注的热点问题之一。我国水资源现状更加令人担忧，始终存在着人均水资源量少、空间分布不均匀、水体污染严重等问题[1]。虽然我国淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6%，但我国人均淡水资源占有量为2300立方米，仅为世界平均水平的1/4；我国水资源时空分布极不均匀，呈现东多西少，南多北少，夏秋多、冬春少的特点[2]，使得旱涝灾害频繁；同时，我国人口不断剧增、用水浪费问题严重、水土流失、水资源污染等使得水资源问题更加严重，已经严重制约了社会经济的发展。水资源时空分布不均导致干旱和洪涝等极端水文事件频发，严重威胁这人类安全和社会稳定[3]。解决上述问题，需要我们对水文变化特征进行分析研究，对当前水文状况作出科学分析并且合理预测水文情势。

对径流变化特征进行科学分析与预测，能够对流域径流有更加全面的认识，对于水资源的合理规划安排有重要意义。

1.2国内外研究现状与进展

目前，分析河流径流特征主要有年内变化[4]、年际变化特征分析两个方面[5]，其中年内变化特征的方法主要有变差系数Cv[6]，集中度和集中期[7]、年内分配变化幅度等。径流年际变化特征则通过年径流变差系数Cv衡量，反应了河流多年径流量波动变化情况，Cv值越大，河流流量变化越剧烈，Cv值越小变化越平缓。

河川径流突变分析主要方法有有序聚类法、Mann-Kendall法[8]、滑动t检验、Cramer法等[9]，李斌等在2016年采用了有序聚类法、Mann-Kendall法、滑动t检验法对渭河中下游年径流进行了突变分析[10]；Rougé C等人提出了Mann-Kendall法与Pettitt相结合的方法分析了水文突变性，该方法允许成功率独立于记录长度，并通过蒙特卡罗实验验证[11]。

对径流影响因素的研究主要有气象因素、植被因素、地形因素、人文因素[12]等，应用的方法主要有神经网络分析[13],数值分析法[14]，趋势分析法[15]，模糊理论方法[16]等。赵鹏杰在对汉江流域中下游径流影响因素的研究中采用了回归分析方法，对气象因素、植被因素、地形因素等与径流逐一进行了回归分析；Pirt分析了气象因素对径流的影响，并进行了枯水预测[17]；努尔兰.哈再孜分析了降水对乌伦古河流域径流的影响[18]；徐东霞从石油开发、湿地污染、土地利用变化、湿地开发、城市和港口建设、水利工程建设、湿地水文过程和热带海岸开发 等方面探讨了人类活动对中国滨海湿地的影响，并提出了保护滨海湿地的对策和建议[19]。

虽然对于河川径流特征以及预测的研究方法很多，但没有将各种理论联系在一起，做系统分析，使得研究结论各不相同，给河川径流研究的实际应用带来了障碍。并且在研究中，主要针对径流量与其影响因素进行研究，不能直观地体现出径流变化规律，而直接从径流变化规律着手，研究径流特征值与影响因素的关系，可以反映出各因素对径流的影响机制，帮助我们更加直观地了解径流变化特征，为流域水资源利用及灾害防治提供更加直观的理论依据。

1.3研究内容

本论文主要研究汉江流域近年来水文特征变化，探究其变化特征，并选取水文影响因素，与水文特征值进行耦合分析，得到拟合模型。 所做工作主要包括以下几个方面：

（1）在湖北省水利局网站获取了汉江流域白河站、丹江站、黄家港站、皇庄站、仙桃站5个水文站2002年至2016年15年径各月份流量数据。

（2）对径流量年内、年际变化特征进行了分析，得到了径流年内、年际分配变差系数、集中度和集中期、年内径流变化幅度等特征值；

（3）分析了气候因素、植被因素以及人为因素对年内分配变差系数、集中度的影响；

（4）使用相关分析以及线性回归的方法对径流变化特征值与相关因素进行了分析，并得到了相关回归方程。

1.4技术路线

首先获取水文数据，通过湖北省水利局相关网站、水文年鉴对汉江流域水文数据进行查找并获取各月份径流量、降雨量等数据；

然后研究汉江流域水文特征及其变化规律，通过计算各特征值，包括年内变差系数、集中度集中期、变化幅度、年际径流变差系数、均值等，对各站点径流年内以及年际的变化特征进行分析；

然后选取水文影响因子，并进行量化表示。选取降水、气温、湿度作为气候影响因子、NDVI数据作为植被因子，以丹江口水库作为人为影响因子；

选取水文影响因子后，进行水文特征与影响因子的耦合分析。采用相关分析和回归分析方法，研究影响因子与年内分配变差系数和集中度的关系，建立回归模型，并进行检验；

最后，为汉江流域水文管理提出相应意见，通过耦合结果，分析影响因子的重要程度，从而对水文管理提供科学依据。具体过程如图1.4所示。

查找汉江流域水文数据

湖北省水利局网站、水文年检查找

研究汉江流域水文

特征及其变化规律

年内、年际变化特征

选取水文影响因子

选取气候因素、人文

因素、植被因素等相关因子

量化各因子并获取数据

水文影响因子与水文特征值进行耦合分析

相关分析、回归分析

模型检验

为汉江流域水文管理提出相应意见

变差系数、集中度、集中期、变化幅度、突变点分析

图1.4 技术路线图

1.5 文章结构

本文主要包括四个部分：

第一部分为绪论，主要介绍了汉江流域径流特征变化及其影响因素研究的背景意义以及国内外研究现状，并介绍了本研究的研究内容及技术路线。

第二部分为研究方法及理论依据，主要介绍了水文循环过程、NDVI模型、回归分析模型，以及径流特征值的计算方法。

第三部分为主要研究过程，主要包括了研究区域的介绍、径流年内变化特征、径流年际变化特征以及植被、气候、人文要素对汉江径流变化特征的影响分析。

第四部分为结论与展望，主要总结了整个研究工作以及根据结果所得结论，并对研究内容进行了讨论，对研究方法改进以及未来研究方向进行了说明。

第二章 径流特征研究的理论方法

2.1研究方法介绍

本次研究采用了变差系数、集中度集中期等特征值对汉江流域年内、年际特征变化进行了描述，采用了Mann-Kendall法对年径流进行了突变分析，并采用了相关分析、回归分析法对径流影响因素和径流特征值进行了耦合分析。具体方法介绍如下：

2.1.1 径流特征分析

径流特征分析主要分为年内径流分析以及年际分析，年内径流特征分析采用了年内变差系数Cv、集中度和集中期、径流年内分配偏态系数Cs、径流年内分配变化幅度。年际变化分析采用了年变差系数Cv以及偏态系数Cs。

2.1.1.1 径流年内及年际分配变差系数

径流分配变差系数是衡量径流分配均匀情况的特征值，随Cv值增大，分配越不均匀，反之越均匀。其计算公式如下：

（2.1） （1.1）

其中，为样本标准差，为样本均值。

2.1.1.2 集中度和集中期

集中度和集中期可以衡量径流年内分配的集中程度。其原理是：将各月径流量视为以径流量为长度，以月份为方向的向量。从一月到十二月份方位角分别为0°，30°，60°，90°，120°，...，330°。对12个向量进行求和计算，最终得出一个总效应向量，其长度为总效应大小，方向为总效应方向。集中度越趋近与100%表示其集中程度越高。集中度和集中期计算公式如下：

（2.2）

（2.3）

其中

（2.4）

（2.5）

（2.6）

式中：R(t)为年内各月径流量，Rx为径流量在x轴的分量，Ry为径流在y轴上的分量，为不同月份对应的角度，R为总向量大小，Cd为集中度，D为集中期。

2.1.1.3 径流年内分配偏态系数Cs

径流偏态系数Cs是衡量径流量在均值两侧对称程度的特征值。计算公式如下：

（2.7）

2.1.1.4 径流年内分配变化幅度

采用相对变化幅度作为反应径流年内分配变化幅度的指标，计算公式如下：

（2.8）

（2.9）

（2.10）

其中，Cm为极值比，Rmax为最大月平均径流量，Rmin 为最小月平均径流，为样本平均径流。

2.1.2 年径流突变分析法—Mann-Kendall法

Mann-Kendall突变检验法常用于检测径流量的突变点，该方法可以找出径流量的突变点以及突变区域。广泛应用于水文、化学、气候、矿物成分检验等各个方面[20]。该方法原理如下：

首先给时间序列X构造一个秩序列，该时间序列包括n个样本：

（2.11）

其中

（j=1,2,…,i） （2.12）

假定该时间序列随机且独立，定义统计量:

（k=1,2,…,n） （2.13）

其中UF1=0，E（s）、Var（Sk）是累计数Sk的均值和方差，当时间序列的各样本相互独立，且有相同连续分布时，它们可由下式算出：

（2.14）

（2.15）

给定显著性水平a，查正态分布表，若Ufigt;Ua，则表明序列存在明显的趋势变化。构造该时间序列的逆序列，重复上述过程，得到新的Ufk，Ufk=-Ubk，k=n,n-1,…,1，UB1=0。给定显著性水平a，绘制显著性水平线以及Ufk、Ubk曲线，当Ufk曲线及Ubk曲线相交，且交点在显著性水平内，则交点为径流量突变开始时间。当Ufk及Ubk大于0 时，则表示径流呈上升趋势，反之呈下降趋势，当超过临界值，则表明产生突变，超过部分为突变时间区域。

2.1.3 径流影响因素与径流特征耦合分析方法

使用相关分析法以及回归分析法对汉江流域径流特征以及其影响因素进行了分析。

2.1.3.1 相关分析法

通过相关分析来确定径流量与各水文影响因素的相关程度，其原理为通过Person相关法计算相关系数，并通过P检验来完成的，若Plt;0.05则显著相关，否则不存在相关性。具体分析过程为：首先分析两者是否服从正态分布，若符合正太分布则使用参数方法进行相关分析，否则进行Sperman秩相关；然后进行相关系数的计算；最后，对相关性进行检验，判断是否显著相关。

2.1.3.2 回归分析法

回归分析就是研究要素之间具体数量关系的方法，具体过程为：首先，绘制散点图；然后计算回归方程；最后，进行拟合优度检验。

2.2径流特征及其影响因素分析的理论依据

对水循环过程进行了简介，对影响因素的选择依据进行了阐述，对植被因素NDVI模型进行了介绍，并对分析方法进行了概况。

2.2.1水循环简介

从海洋蒸发到大气中的水，一部分被携带到大陆上空，通过降水的形式降落到地面，其中一部分沿着地表坡面流动，汇集到河流中最终流入海洋，还有的水渗入地下，以渗流的方式补给河道，最终流入海洋[21]。这种海洋和大陆间整体性的水体交换称为大循环。同样还存在局部小循环。例如，从海洋蒸发的水在没有到达陆地之前又通过降水的形式返回海洋；降落到陆地上的水通过蒸发到空中又重新降落到地面等。流域气候对流域水文特征，例如年径流量、地表水及地下水文特征、水文波动等，有重要影响[22]。水文循环示意图如下所示：