水文序列非一致性診斷研究進(jìn)展

王 玥，徐 磊

（1.北京淼鑫節(jié)水技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100054；2.北京中灌綠源國際咨詢有限公司，北京 100054）

目前，氣候變化和人類活動對全球環(huán)境變化的驅(qū)動日趨強(qiáng)烈，已導(dǎo)致地球表面的水循環(huán)過程以及不同水文要素形成的物理?xiàng)l件都顯著改變[1]，且這種驅(qū)動過程極其復(fù)雜，存在時變性和空間異質(zhì)性。其中，氣候變化主要表現(xiàn)為降水、氣溫等的趨勢性變化以及極端干旱、暴雨事件發(fā)生頻率與強(qiáng)度變化。而人類活動則主要包括大規(guī)模水利水電工程、農(nóng)田設(shè)施建設(shè)、城市化進(jìn)程和水土保持工程等，悄然地改變著地球表面水文過程的形成條件以及水循環(huán)的途徑與速度，并與氣候變化疊加（交叉或耦合）影響，驅(qū)動著難以預(yù)估的地表水文變化[2]。大量的國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)表明，受氣候變化和人類活動的耦合驅(qū)動，世界范圍內(nèi)不同尺度下（流域、陸面、全球）地球表層系統(tǒng)的水文過程已發(fā)生深刻的變化[3]。當(dāng)然中國也未能幸免，正在經(jīng)歷著由變化環(huán)境所驅(qū)動的流域水文過程的時空變異，且極端和突變水文極值時有發(fā)生[4]，已引發(fā)一系列水資源衍生問題，直接威脅水安全、國家安全以及人類的安全和發(fā)展，其嚴(yán)重性已被廣泛認(rèn)同。

水文序列的“一致性”假設(shè)（即平穩(wěn)性假設(shè)）是目前工程水文分析計(jì)算的理論前提，僅當(dāng)水文序列具有“一致性”時，歷史數(shù)據(jù)中的水文規(guī)律和統(tǒng)計(jì)特征才能用于指導(dǎo)現(xiàn)在和未來的水資源管理，工程設(shè)計(jì)目標(biāo)和水資源規(guī)劃方案才具有現(xiàn)實(shí)意義。然而，在變化環(huán)境下，受時變性氣候條件、下墊面條件以及人類活動的影響，實(shí)測水文序列常表現(xiàn)出顯著的非一致性，從而顛覆了傳統(tǒng)水文學(xué)的基本理論假設(shè)，導(dǎo)致在過去采用傳統(tǒng)的工程水文學(xué)方法所設(shè)計(jì)的防洪工程、水利水電工程、水土保持工程以及所制定的流域或區(qū)域防洪抗旱保障體系，在水文非一致性條件下都面臨變化環(huán)境所帶來的極大風(fēng)險與挑戰(zhàn)[5]。

中國是全球環(huán)境變化影響的典型區(qū)。受氣候變化與人類活動的耦合持續(xù)性影響，許多北方流域（如黃河、海河等）的水文過程都發(fā)生了顯著變化，且這些變化在氣候—下墊面—人類活動耦合系統(tǒng)的聯(lián)合驅(qū)動下日趨強(qiáng)烈、復(fù)雜，常導(dǎo)致原本區(qū)域水資源評價中最基礎(chǔ)的“到底有多少水（多大水）”等問題重新被擱置于水資源管理者的案頭，成為新時期治水事業(yè)發(fā)展中困擾決策者的“新”問題。筆者通過對水文序列非一致性的研究進(jìn)行梳理，從水文序列非一致性的結(jié)構(gòu)性診斷、非一致性水文序列的頻率分析與預(yù)測以及水文非一致性的物理歸因3個方面分析水文非一致性研究發(fā)展趨勢，并指出未來需要進(jìn)一步深化研究的方向，以期為水文非一致性研究提供科學(xué)參考。

1 水文序列非一致性的結(jié)構(gòu)性診斷

在統(tǒng)計(jì)學(xué)上，一致性水文序列常被定義為不存在趨勢、突變和周期性的序列[6]。而所謂的非一致性是其一個相對概念，可以理解為非一致的水文序列，即存在趨勢、突變或周期性的序列。國際上有更廣泛的定義，將水文序列的非一致性描述為序列統(tǒng)計(jì)參數(shù)隨時間的變化[7]。截至目前，全球的許多水文學(xué)者都高度關(guān)注這一議題，提出了許多有關(guān)水文非一致性的診斷方法，且研究對象主要集中在趨勢變異、跳躍變異和周期變異3個方面。

對水文序列跳躍性突變的診斷與識別，一般采用分形理論中的R/S 分析方法、貝葉斯變點(diǎn)分析模型、有序聚類法、雙累積曲線法、Pettitt 檢驗(yàn)法、Leeheghinian 檢驗(yàn)法、滑動F 檢驗(yàn)法、滑動T 檢驗(yàn)法等[8]。當(dāng)各種方法診斷結(jié)果存在差異時，可采用水文變異綜合診斷方法進(jìn)行綜合分析[9]。此外，為處理常規(guī)變點(diǎn)分析方法計(jì)算復(fù)雜、識別全部變點(diǎn)困難等問題，金菊良等提出了用遺傳算法進(jìn)行水文時間序列多變點(diǎn)分析的AGA-CPAM 法[10]；為解決自相關(guān)性影響和掩蔽效應(yīng)，張洪波等提出了用于水文序列多點(diǎn)均值跳躍變異識別的TFPW-BS-Pettitt法[11]。

在水文序列趨勢性的診斷與識別方面，常見的方法有線性傾向估計(jì)法、滑動平均法、非參數(shù)Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法、非參數(shù)Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法、相關(guān)系數(shù)法、Hurst 系數(shù)法等[8]。此外，針對Mann-Kendall 趨勢檢驗(yàn)法易受序列自相關(guān)性影響而導(dǎo)致檢驗(yàn)結(jié)果失真的問題，張洪波等提出了基于Over-whitening 的改進(jìn)思路，取得了很好的效果[12]。在水文序列周期性（協(xié)方差）的診斷與識別方面，常見的方法有小波分析法、最大熵譜分析法、連續(xù)功率譜分析法、交叉譜法、方差分析法等，但對于周期變異這一提法并不多見，蘭甜在其碩士論文中對周期變異給予了足夠的重視，認(rèn)為周期變異可能會是非一致性變化中的1 個重要表象，值得進(jìn)一步分析與研究[13]。除此之外，張洪波等將研究視角聚焦于水文序列的方差變化，通過TFPW-DT-ICSS 集成方法研究了渭河流域水文序列的方差變化，論證了水文序列方差變異的客觀存在性，并指出方差變異的研究極其重要，對保障供水安全、河道生態(tài)保護(hù)都意義深遠(yuǎn)[14]。

2 非一致性水文序列的頻率計(jì)算與預(yù)測

2.1 非一致性水文序列的頻率計(jì)算

目前，有關(guān)非一致性洪水頻率計(jì)算的方法主要包括還原或還現(xiàn)方法[9]以及一些統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，如分解-合成法、混合分布法、時變矩法、條件概率分布法、多變量非一致性分析等[5，6]。此外，一些模型也被應(yīng)用于非一致性洪水頻率計(jì)算，如極值模型、r-最大理論、MISOHRM 模型、POT 法等[5，7，15]。對于非一致性干旱序列，謝平等從統(tǒng)計(jì)學(xué)途徑提出了基于小波理論和Hilbert-Huang 變換的非一致性干旱頻率計(jì)算方法[16]。

除了對極端水文事件重現(xiàn)期的研究，謝平等基于時間序列方法、降雨徑流相關(guān)關(guān)系以及序列的趨勢性特征，建立了非一致性年徑流序列水文頻率計(jì)算的原理與方法體系。透過該體系，可計(jì)算得到過去、現(xiàn)在和未來不同時期處于變化環(huán)境下的年徑流合成序列的頻率分布[8]。此外，謝平等還基于水文基因遺傳、變異和進(jìn)化理論，創(chuàng)新性地提出了水文非一致性頻率計(jì)算的基因途徑，揭示非一致性水文序列的演變規(guī)律，為非一致性水文序列頻率計(jì)算開拓了新的理論和方法[17]。宋松柏等研究了具有跳躍變異的非一致分布水文序列頻率計(jì)算方法，在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了具有跳躍變異的非一致分布水文序列頻率計(jì)算公式[18]。胡義明等基于假定“發(fā)生趨勢性變異的實(shí)測序列存在著某種理想化的平穩(wěn)性（一致性）狀態(tài)，且這種平穩(wěn)狀態(tài)所具有的振動中心（即均值）是序列某分割點(diǎn)前后兩實(shí)測樣本系列均值的線性組合”提出了趨勢性變異序列的一致性修正方法[19]。杜濤等將水文風(fēng)險的概念引入非一致性條件下洪水重現(xiàn)期計(jì)算中，并選取渭河流域洪水序列做了實(shí)例研究[20]。梁忠民等提出“等可靠度”概念，建立了一致/非一致性條件下計(jì)算方法的聯(lián)系，借此可繼續(xù)采用現(xiàn)行水文頻率分析框架中的重現(xiàn)期與可靠度概念，共同探討非一致性條件下頻率分析中設(shè)計(jì)值的估計(jì)問題[21]。

2.2 非一致性水文序列的預(yù)測

變化環(huán)境下的水文響應(yīng)模擬是典型的非平穩(wěn)水文過程和水文驅(qū)動關(guān)系的模擬，然而現(xiàn)有的大部分水文模型并不具備隨時間轉(zhuǎn)移（非平穩(wěn)降雨徑流關(guān)系）的功能[22]，且變化環(huán)境下水文模型模擬的結(jié)果是不可檢驗(yàn)的[23]，雖然考慮參數(shù)非平穩(wěn)性趨勢變化可以取得較好的模擬結(jié)果，但是參數(shù)的非平穩(wěn)性變化趨勢的外延是失敗的。此外，水文模型本身的眾多不確定性也會對模擬結(jié)果產(chǎn)生不可預(yù)估的影響（不確定性在水文模型中的傳遞效應(yīng)），通過水文模型模擬非平穩(wěn)水文過程和水文驅(qū)動關(guān)系目前仍面臨巨大挑戰(zhàn)。顧西輝等曾運(yùn)用GAMLSS模型，將氣候、水庫等影響因素考慮到非一致性洪水頻率分析中，構(gòu)建了以氣候和水庫為協(xié)變量的非一致性模型，為非一致性洪水預(yù)測提供了新的方法[24]，同時也為非一致性水文序列的預(yù)測開辟了新的思路。

3 水文非一致性的物理歸因

3.1 基于水熱耦合平衡假設(shè)的非一致性物理歸因

基于水熱耦合平衡假設(shè)的Budyko 理論是前蘇聯(lián)物理氣候?qū)W家Budyko（布迪科）在分析全球尺度的水量和能量平衡時提出的一種平衡模式[25]?；谶@一理論，全球的水文學(xué)家或科研工作者陸續(xù)推導(dǎo)出了大量不同類型的適用于多年尺度的水熱耦合平衡方程，并經(jīng)過不斷發(fā)展與完善，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于流域或區(qū)域?qū)嶋H蒸散發(fā)量對氣候變化和下墊面條件改變的響應(yīng)分析，并借由區(qū)域水量平衡方程，進(jìn)一步分析氣候變化和下墊面改變對河川徑流的影響。目前，用于徑流影響分析的方法主要包括彈性系數(shù)法和垂直分解法[26]。

彈性系數(shù)法的理論基礎(chǔ)是水熱耦合平衡方程，其關(guān)鍵途徑在于得到徑流變化對降水以及潛在蒸散發(fā)的彈性系數(shù)。結(jié)合降水與潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，即可推求氣候變化在多年平均尺度上引起的徑流改變量。然后，在徑流變化總量中扣除上述計(jì)算求得的氣候變化影響量，即可得到人類活動變化所驅(qū)動的徑流變化量。很多國內(nèi)外學(xué)者將這種方法應(yīng)用于不同地區(qū)氣候變化與人類活動影響量的推求，如Ma H等就利用彈性系數(shù)法，計(jì)算并分析了氣候變化與人類活動對北京密云水庫入庫流量變化的影響，并用GBHM 模型進(jìn)行了交叉驗(yàn)證，結(jié)論一致[4]，從而論證了彈性系數(shù)法在研究區(qū)的適用性；Yang H 等基于彈性系數(shù)法的基礎(chǔ)理論，提出了年徑流氣候彈性的解析推導(dǎo)，得到了徑流對降水、凈輻射、氣溫、風(fēng)速和相對濕度等氣象要素的彈性方程，并基于黃河與海河流域89個流域的氣象水文數(shù)據(jù)，估算了不同因子對研究區(qū)流域徑流量變化的影響，分析了氣候彈性對流域特征的敏感性[27]；楊大文等以黃河流域38 個典型子流域?yàn)閷ο?，運(yùn)用水熱耦合平衡模型計(jì)算了研究區(qū)不同流域徑流對氣候變化以及下墊面改變的彈性系數(shù)，并進(jìn)一步定量了氣候與下墊面變化對天然徑流衰減的貢獻(xiàn)量[28]。

垂直分解法的實(shí)質(zhì)主要基于一個基本假設(shè)，即在小于地質(zhì)變化的時間尺度下，認(rèn)為氣候變化對流域下墊面條件的影響是非常小的，而其主要變化來自于人類活動的直接或間接影響?；谠摷僭O(shè)，可得到如下推論：即氣候變化僅驅(qū)動狀態(tài)點(diǎn)在Budyko曲線上的曲線移動，而人類活動所引起的狀態(tài)點(diǎn)的變化則不同，其會驅(qū)動狀態(tài)點(diǎn)發(fā)生垂向變化，即偏離原始的Budyko 曲線。在此推論下，可進(jìn)一步基于狀態(tài)點(diǎn)的偏離軌跡定量區(qū)分流域氣候變化與人類活動對徑流過程的影響量或者貢獻(xiàn)量[29]。國內(nèi)外許多學(xué)者將其應(yīng)用于不同流域的徑流變化歸因分析，并與彈性系數(shù)法等類似方法進(jìn)行對比，驗(yàn)證了該方法的適用性。如Sun Y 等就基于彈性系數(shù)法、垂直分解法、動態(tài)水文建模法，采用對比分析的方式，對我國漢江流域出現(xiàn)的河川徑流衰減問題進(jìn)行了定量的歸因解析，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，3 種定量區(qū)分方法結(jié)論較為相似[30]，從而驗(yàn)證了分析結(jié)果的可靠性。此外，Li?ang W 等聚焦我國黃土高原14 個典型流域，采用垂直分解法研究了不同流域的徑流量演變對多驅(qū)動因素的響應(yīng)關(guān)系[31]。

3.2 基于水文模擬的非一致性物理歸因

基于水文模擬的非一致性物理歸因研究主要采用流域水文模型模擬的途徑，定量評價氣候變化和下墊面改變以及部分人類活動對徑流的影響。王國慶等采用SIMHYD 降水徑流模型，定量分析了氣候因素和人類活動對汾河流域徑流變化的影響[32]；謝平等從成因途徑提出基于WHMLUCC 模型的非一致干旱頻率計(jì)算方法，定量分析了氣候變化和人類活動的干旱效應(yīng)[16]；陳利群等采用SWAT 和VIC 水文模型分析了黃河源區(qū)氣候變化和土地覆被對徑流的影響[33]；Ye X 等應(yīng)用基于能量平衡和水量平衡的概念模型定量分析了氣候變化和人類活動對鄱陽湖流域徑流變化的影響[34]。

4 未來發(fā)展方向及建議

通過對水文非一致性研究的文獻(xiàn)梳理，總結(jié)提煉科學(xué)問題，提出對未來發(fā)展方向的建議。

（1）水文序列的非一致性，也稱非平穩(wěn)性，是指在氣候、下墊面以及人類活動的耦合擾動下，水文序列的概率分布或（和）特征參數(shù)在研究時段內(nèi)發(fā)生了顯著變化，即前后段表現(xiàn)為不同的統(tǒng)計(jì)特征。從本質(zhì)上講，水文序列的非一致性是一個統(tǒng)計(jì)學(xué)問題。然而，這種非一致性變化的背后卻隱藏著復(fù)雜的物理驅(qū)動過程。因此，建立物理非一致性與統(tǒng)計(jì)非一致性的伴生機(jī)制，通過物理驅(qū)動過程模擬預(yù)測水文非一致性變化將是未來水文非一致性研究的關(guān)鍵。

（2）通過文獻(xiàn)梳理可知，水文非平穩(wěn)性變化的不確定性或時變性是統(tǒng)計(jì)方法和水文模型外延失敗的關(guān)鍵因素，要想解決非一致性水文序列的預(yù)測問題，前提是要掌握水文序列非一致性變化的過程。有了水文非一致性變化的預(yù)測序列值，變化環(huán)境下的頻率分析與設(shè)計(jì)值估算問題都將迎刃而解。可見，水文非一致性變化的模擬與預(yù)測是所有問題的關(guān)鍵。而這其中需要解決的關(guān)鍵點(diǎn)是模型的校驗(yàn)和模型參數(shù)隨時間的遷移問題。

（3）眾所周知，在變化環(huán)境下水文與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系日趨緊密，社會系統(tǒng)與水文系統(tǒng)錯綜復(fù)雜、不同環(huán)節(jié)間交叉交織，形成網(wǎng)狀的互饋機(jī)制，構(gòu)成了融合性的社會水文系統(tǒng)。盡管以往的非一致性歸因研究考慮了人類活動的影響，但人類活動多被圈定于人類活動引起的下墊面改變，而對直接涉水活動考慮較少，一定程度上偏離了當(dāng)前環(huán)境下社會—水文雙向反饋機(jī)制及其協(xié)同進(jìn)化的動態(tài)模式。因此，從社會水文學(xué)的角度對自然—社會水文循環(huán)過程進(jìn)行二次解讀，已成為變化環(huán)境下水文模擬和水資源演化研究發(fā)展的必然選擇。

（4）以往研究中，氣候、下墊面、人類活動3 個驅(qū)動（環(huán)境）要素常被作為獨(dú)立（或者部分獨(dú)立）的驅(qū)動因素來考慮，往往忽略了兩者或三者之間的交織作用和互饋機(jī)制。這種處理方式與水文非一致性變化的多要素聯(lián)合驅(qū)動環(huán)境是有所偏差的，極易導(dǎo)致模型模擬或預(yù)測結(jié)果的失真。因此，梳理氣候—下墊面—人類活動3個要素之間的聯(lián)動關(guān)系，構(gòu)建氣候、下墊面、人類活動對水文系統(tǒng)的聯(lián)合驅(qū)動模型將是科學(xué)解決水文非一致性變化解析的關(guān)鍵。