水文時間序列趨勢與突變分析系統(tǒng)開發(fā)與應用

王毓森

（甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000）

水文時間序列趨勢與突變分析系統(tǒng)開發(fā)與應用

王毓森

（甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000）

在借鑒趨勢檢驗和突變分析各種統(tǒng)計應用軟件使用方法的基礎上，結(jié)合水文工作實際，對數(shù)據(jù)輸入格式進行統(tǒng)一約定，對計算分析過程進行模塊化編程，對數(shù)據(jù)輸出結(jié)果進行規(guī)范化處理，基于Net Framework4.5、Visual Basic. Net和SharpDevelop 4環(huán)境開發(fā)完成了水文時間序列趨勢檢驗和突變分析系統(tǒng)。介紹了水文時間序列趨勢與突變分析系統(tǒng)的理論基礎、總體結(jié)構(gòu)、設計功能及其應用。系統(tǒng)設計的趨勢分析和突變分析各項功能達到預期目標，較好地實現(xiàn)了對水文資料的一致性分析，分析結(jié)果科學、合理，對水文水資源工作具有一定的參考意義。

水文時間序列；趨勢分析；突變分析；系統(tǒng)開發(fā)

隨著全球氣候變化和人類活動的雙重影響，極端天氣和水突發(fā)事件日益頻繁，已嚴重危害到經(jīng)濟社會發(fā)展和人類生存安全。為了有效避免和控制這些破壞性的全球環(huán)境變化事件，對水文氣象時間序列的趨勢變化、突變分析及預測研究是當前行業(yè)十分關(guān)注的問題之一。

目前，時間序列趨勢與突變分析各種方法在實際應用過程中散見于 MATLAB、DPS、SPSS、SAS、Excel等各種統(tǒng)計計算分析軟件中[1]。工作人員有時需要安裝、掌握多種應用軟件，有時甚至需要學習、編制程序來實現(xiàn)相關(guān)功能，致使原本簡單的工作復雜化、工作效率得不到提高，也使相關(guān)軟件在行業(yè)內(nèi)部、單位內(nèi)部得不到廣泛應用。為此，在借鑒趨勢檢驗和突變分析各種統(tǒng)計應用軟件使用方法的基礎上，對數(shù)據(jù)輸入格式進行統(tǒng)一約定，對計算分析過程進行模塊化編程，對數(shù)據(jù)輸出結(jié)果進行規(guī)范化處理，開發(fā)適合水文工作實際的趨勢檢驗和突變分析系統(tǒng)很有必要。

1 系統(tǒng)的理論基礎

水文時間序列是一個重要的自然要素時態(tài)數(shù)據(jù)，從大量水文基礎觀測中獲得，是一個觀測值序列。一般來說，一個時間序列是由一系列局部極點（最大點或最小點）組成的，這些局部極點通常被稱為跳躍點、臨界點、轉(zhuǎn)折點，因為這些極點顯現(xiàn)出了這個時間序列的趨勢變化及突變情況。在日常水文計算分析中，水文時間序列資料必須滿足可靠性、一致性、代表性要求，而趨勢檢驗和突變分析則是一致性分析的重要內(nèi)容[2]。一致性分析是指獲得的水文時間序列是否來自同一總體，序列中的每個數(shù)據(jù)是否具有同一成因。通過一致性分析，即可判斷水文時間序列變化趨勢及是否發(fā)生突變，為進一步還原資料、分析氣候變化和人類活動對其影響提供依據(jù)。

水文氣象要素趨勢檢驗和突變分析方法大多基于現(xiàn)代數(shù)學和統(tǒng)計學理論，普遍采用參數(shù)統(tǒng)計、非參數(shù)檢驗等分析方法，并在其廣泛研究的基礎上，凝練出水文氣象序列趨勢與突變分析的理論與方法體系，這為水文時間序列趨勢與突變分析奠定了良好的理論基礎[3]。謝平等人提出的“水文變異診斷系統(tǒng)”，為今后理論方法的進一步改進及應用發(fā)展提供了參考[4]。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)框架

經(jīng)過對水文時間序列資料的整理分析，根據(jù)分析計算數(shù)據(jù)流向，可將系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)概況為：數(shù)據(jù)準備、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果保存4個部分，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)思路及總體結(jié)構(gòu)圖

“數(shù)據(jù)準備”即對初始觀測資料進行收集、整理，了解數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)量，若采用經(jīng)過整匯編的水文資料則更為可靠。這部分數(shù)據(jù)格式常見的有DAT、XLS、TXT等。

“數(shù)據(jù)預處理”即對收集到的水文資料按系統(tǒng)規(guī)定的文本格式（TXT）進行處理，主要信息包括資料名稱、資料類別、起訖時間、數(shù)據(jù)序列等。

“數(shù)據(jù)分析”即選擇不同檢驗方法，進行趨勢和跳躍分析，得出結(jié)論。

“結(jié)果保存”即將原始數(shù)據(jù)、中間計算過程、檢驗結(jié)果按系統(tǒng)規(guī)定格式（TXT、JPG等）進行保存。

2.2 系統(tǒng)功能

根據(jù)前述分析可知系統(tǒng)主要功能是趨勢分析、突變分析及結(jié)果保存，每個功能又根據(jù)具體的應用方法分為若干子功能，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能分布圖

“趨勢分析”功能實現(xiàn)了定性分析、定量檢驗，主要有累計濾波器法、肯德爾秩次相關(guān)法、斯波曼秩次相關(guān)法、線性趨勢相關(guān)法及非參數(shù)檢驗 （Z檢驗）等方法。

“突變分析”功能實現(xiàn)了累計距平、有序聚類、M-K等檢驗方法。在推廣應用中，又根據(jù)用戶的建議陸續(xù)實現(xiàn)了滑動T、滑動F、滑動游程、滑動秩和和MWP檢驗等方法。

“結(jié)果保存”功能實現(xiàn)了水文時間序列原始數(shù)據(jù)、每個子功能中間計算關(guān)鍵結(jié)果、常規(guī)檢驗結(jié)果的保存及子功能計算結(jié)果直觀展示。特別是對中間計算關(guān)鍵結(jié)果和常規(guī)檢驗結(jié)果的處理極大的方便了用戶在Excel等數(shù)據(jù)處理軟件中進行二次編輯，如圖3所示，以便引用。

圖3 經(jīng)Excel辦公軟件二次編輯的分析成果

2.3 開發(fā)技術(shù)

水文時間序列趨勢與突變分析系統(tǒng)基于.Net Framework4.5、Visual Basic.Net和Sharp Develop4環(huán)境開發(fā)。NET Framework是微軟用于Windows托管代碼編程模型的組件，它以通用語言運行庫（CLR）為基礎，實現(xiàn)多種語言 （C#、VB、C++、F、Python、ASP、HTML等）的開發(fā)。Visual Basic.Net是基于微軟.NET Framework的面向?qū)ο缶幊陶Z言，是目前最流行的Windows平臺應用程序開發(fā)語言之一[5]。Sharp Develop4是一款完全兼容visual Studio平臺的所有語言的輕量級開源IDE，支持插件擴展，具有安裝體積小、編譯封裝快捷、跨平臺運行等特點[6]。

3 系統(tǒng)應用實例

系統(tǒng)編制完成后，在各類水文水資源專項研究工作中，特別是涉及到基礎研究數(shù)據(jù)“一致性”處理方面得到了廣泛應用，并在工作實踐中不斷加以完善。在《氣候變化對祁連山區(qū)水文循環(huán)的影響研究》中通過對57個降水、氣溫、蒸發(fā)代表站、21個徑流代表站資料分析，得到了祁連山區(qū)三大流域氣候變化趨勢及發(fā)生突變的事實[7]。在《黑河流域東部子水系近60年來泥沙演變規(guī)律分析》中通過對3個代表水文站泥沙、徑流資料的分析，得到了黑河干流泥沙變化的趨勢及發(fā)生突變的年份[8]。在《基于變異診斷分析的大通河流量預報模型研究》中通過對享堂水文站年平均流量資料分析，結(jié)果表明大通河流域自20世紀90年代以來發(fā)生了顯著突變，在此基礎上進行了序列還原，并建立了預報模型[9]。上述計算成果結(jié)合物理成因分析，對進一步分析氣候變化和人類活動對水文時間序列的影響提供了依據(jù)。

4 結(jié)論與建議

1）系統(tǒng)設計的功能達到了預期目標，較好的實現(xiàn)了對水文資料的一致性分析，分析結(jié)果科學、合理，對水文水資源工作具有一定的參考意義。

2）系統(tǒng)可借鑒“水文變異診斷系統(tǒng)”綜合診斷的理念，對各種計算方法進行綜合評價，給出權(quán)重系數(shù)，從而確定最終變異形式[10]。

3）系統(tǒng)應對比分析各種方法計算結(jié)果的差異性，對各突變點相異的可能原因進行分析，對突變點代表水文時間序列變化發(fā)生的具體階段有待進一步探索。

[1]唐啟義.DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)∶實驗設計、統(tǒng)計分析及數(shù)據(jù)挖掘[M].北京∶科學出版社,2010∶990-995.

[2]SL322-2013,建設項目水資源論證導則[S].北京∶中國水利水電出版社,2013∶12-13.

[3]周園園,師長興,范小黎,等.國內(nèi)水文序列變異點分析方法與在各流域應用研究進展[J].地理科學進展,2011,30 (11)∶1361-1369.

[4]謝平,陳廣才,雷紅富,等.水文變異診斷系統(tǒng)[J].水力發(fā)電學報,2010,29(2)∶85-92.

[5]謝爾頓,等.NET4.5與Visual Basic 2012高級編程(王凈譯)[M].北京∶清華大學出版社,2014∶1-3.

[6]侯穆,等.C#軟件項目開發(fā)全程剖析：全面透視Sharp Develop軟件的開發(fā)內(nèi)幕(薛興濤等譯)[M].北京∶清華大學出版社,2009∶2-5.

[7]牛最榮.氣候變化對祁連山區(qū)水文循環(huán)的影響研究[M].蘭州∶甘肅人民出版社,2013∶36-41.

[8]王毓森,黃維東,崔亮,等.黑河流域東部子水系近60年來泥沙演變規(guī)律分析[J].甘肅水利水電技術(shù),2016,52(1)∶5-8.

[9]王毓森,黃維東.基于變異診斷分析的大通河流量預報模型研究[J].人民黃河,2016,38(2)∶19-23..

[10]謝平,陳廣才,李德,等.水文變異綜合診斷方法及其應用研究[J].水電能源科學,2005,23(4)∶11-14.

p333.6