太湖西苕溪流域水文序列突变检测比较和分析研究 Change-Point Detection and Analysis of Hydrological Time Series in Xitiaoxi River Basin

doi:10.12677/JWRR.2013.26059

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Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2013, 2, 415-419

http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2013.26059 Published Online December 2013 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html)

Change-Point Detection and Analysis of Hydrological

Time Series in Xitiaoxi River Basin*

Linghua Qiu1, Dingzhi Peng1#, Hejuan Lin2, Mingyue Zhang1

1College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing

2Bureau of Taihu Lake Basin, Shanghai

Email: #dzpeng@bnu.edu.cn

Received: Sep. 30th, 2013; revised: Nov. 20th, 2013; accepted: Nov. 26th, 2013

Abstract: The change-point analysis of hydrological time series would help to find the evolution of hydro-

logical processes and provide the scientific guidance for sustainable utilization of water resources. As the

crucial headwaters of Taihu Lake basin, Xitiaoxi River basin was chosen as the study case. Under the sign ifi-

cance level 5%, Mann-Kendall, Pettitt, Moving T test, Yamamoto and the residual mass curve combined rank

test methods were applied to compare and analyze the change-point of precipitation and streamflow from

1972 to 2010 in the basin. It is found that the change-point of precipitation and streamflow time series both

happened at the year 1999 in Xitiaoxi River basin. The result would provide the basis for the further studies

on identification for the impact of cli mate change and human activities on hydrological processes.

Keywords: Change-Point; Mann-Kendall; Pettitt; Yamamoto; Moving T Test

太湖西苕溪流域水文序列突变检测比较和分析研究*

邱玲花 1，彭定志 1#，林荷娟 2，张明月 1

1北京师范大学水科学研究院，北京

2水利部太湖流域管理局，上海

Email: #dzpeng@bnu.edu.cn

收稿日期：2013 年9月30 日；修回日期：2013 年11 月20 日；录用日期：2013 年11 月26 日

摘要：探索流域水文变点可发现其水文演变规律，为水资源的可持续利用提供科学指导。本文以太

湖流域的重要水源西苕溪流域为研究对象，在 5%显著性水平下，采用 Mann-Kendall、Pettitt、滑动T

检验、Yama mo t o 、差积曲线–秩检验联合识别法等分析和比较了1972~2010 年流域降水和径流的变点。

结果表明：西苕溪流域降水和径流的变点均发生在 1999 年，该结果为进一步甄别气候变化和人类活

动的贡献率提供了研究基础。

关键词：变点；Mann-Kendall；Pettitt；Yama mo t o；滑动 T检验

1. 引言

随着社会经济的快速发展，人类活动和气候变化

对流域水资源产生了极大的影响，水文序列的变化趋

势亦被改变[1]。区分气候变化与人类活动对水文过程

的影响，量化两种驱动因素的贡献率，有助于探寻气

候变化与人类活动影响下的水文演变规律，合理开发

利用水资源，使水资源可持续发展。水文序列突变检

测分析则是定量甄别气候变化与人类活动对水文过

程影响的基础。水文序列变点检测分析的方法很多[2]，

*基金项目：“十二五”国家科技支撑计划课题(2012BAC21B02)。

作者简介：邱玲花(1989-)，女(汉)，江西吉安人，硕士研究生，主

要研究方向为：流域水文模拟研究。

#通讯作者。

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邱玲花，等：太湖西苕溪流域水文序列突变检测比较和分析研究

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各类方法均有其适应性及局限性[3]。在多种方法检测

分析同一水文序列的变异点时，可能会出现检测结果

相异的情况[4]。但多种方法可达到相互验证的效果，

增强检验结果的可靠性。

太湖流域人口密集，经济发展迅猛，城市化进程

快，人类活动剧烈。西苕溪是太湖的主要水源地，为

太湖流域提供工农业用水和生活用水，具有重要的地

位。本文以太湖流域上游西苕溪流域为例，采用多种

变点检测方法分析和比较流域水文序列的变异特征，

为西苕溪流域气候变化与人类活动对水文过程影响

的定量化甄别提供研究基础，进而为太湖流域水资源

科学调控与管理提供科学依据与技术支撑。

2. 研究区概况

西苕溪发源于天目山山脉的龙王山，地势西南高

东北低。流域海拔在 1500 m以内，干流长 145 km，

流域面积1355 km2，占太湖流域总面积的6%。流域

属亚热带季风气候区，多年平均降水量 1626 mm。

选取流域 1972~2010 年的降水和径流序列进行变

点分析，其中降水为流域面雨量数据，主要由 27 个雨

量站(分布如图 1)数据使用反距离权重(Inverse Dis-

tance Weighted, IDW)法[5]得到。径流序列为流域出口

横塘村水文站的流量数据。

3. 变点检测方法

Mann-Kendall (MK)非参数检验法[6,7]是世界气象

组织推荐的检验方法[8]，已广泛应用于检测水文气象

要素时间序列的趋势或变异。该方法构造了同一水文

序列的两个统计变量，若这两个统计变量的曲线出现

交点且其交点位于临界线之内，则该交点为突变发生

的点。

Pettitt非参数检验法是基于 Mann-Whitney的统计

函数[9]确定其统计量的最大值为最显著的突变点。该

方法有一定的物理意义，能判断变点位置、数量及其

是否在统计意义上显著。

Yamamoto 法是人为设定基准年，将序列分为前

后两个子序列，采用信噪比S/N来表征突变指数[10]。

SN SS







，其中 x1、x2、S1、S2分别为基准年n1

年及基准年后n2时间段内的平均值和标准偏差。对于

水文序列的 S/N时间序列，当 S/N > 1.0时则在该基准

Figure 1. Topographic map of Xitiaoxi River basin

图1. 西苕溪流域图

点发生突变。

滑动 T检验法(Moving T Test, MTT)通过分析时

间序列可能变异点前后两个样本的方差构造 T统计

量[11]。若统计量值通过置信水平检验，则使统计量达

到最大值的点为最可能的变异点。该方法主要用于检

验两样本均值的显著性差异。

差积曲线-秩检验联合识别法首先通过序列的差

积曲线初步识别变异点，再使用秩检验法进行精确检

验[12,13]。该方法假设少，检验过程简单直观。

4. 结果与讨论

4.1. 降水变点检测与分析

由流域降水的差积曲线(图2)初步选定 1999 年为

变异点，而其秩检验得到统计量|U| = 4.93 > 1.96，因

此，差积曲线-秩检验联合识别法的结果表明流域降水

在1999 年变异显著。滑动T检验统计值在 1998、1999

和2000 年均超出临界线(图3)，滑动T检验的结果是

在此三点上可能发生变异。而Yamamoto 法发现流域

降水在 1999、2000 和2005 年可能发生变异(图4)。滑

动T检验和 Yamamoto 法统计值均在 1999 年出现最

大值，表明这两种方法检测在 1999 年出现突变的可

能性最大。综合以上差积曲线-秩检验联合识别法、滑

动T检验和 Yamamoto 法三种方法对降水的检测分析

和比较，可确定西苕溪流域降水的突变发生在 1999 年。

4.2. 径流变点检测与分析

根据径流的差积曲线(图5)初步选定变异点为

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Figure 2. Residual mass curve of precipitation from 1972 to 2010 in

Xitiaoxi River basin

图2. 西苕溪流域 1972~2010 年降水差积曲线

Figure 3. MTT statistical curve of precipitation from 1972 to 2010

in Xitiaoxi River basin

图3. 西苕溪流域 1972~2010 年降水 MTT统计曲线

Figure 4. Yamamoto statistical curve of precipitation from 1972 to

2010 in Xitiaoxi River basin

图4. 西苕溪流域 1972~2010 年降水 Yamamoto 统计曲线

1999 年，该点的秩检验统计值|U| = 4.93 > 1.96，即差

积曲线-秩检验联合识别法检测出径流在 1999 年发生

突变。Mann-Kendall 统计曲线(图6)在临界线以内出

现两个交点，即可能在 1996 和1999年发生突变。

Figure 5. Residual mass curve of streamflow from 1972 to 2010 in

Xitiaoxi River basin

图5. 西苕溪流域 1972~2010 年径流差积曲线

Figure 6. MK statistical curve of streamflow from 1972 to 2010 in

Xitiaoxi River basin

图6. 西苕溪流域 1972~2010 年径流 MK 统计曲线

Pettitt 法(图7)识别出径流在 1999 年可能发生变点，

且滑动 T检验法(图8)亦检测出在 1999年可能发生突

变。结合差积曲线-秩检验联合识别法、Mann-Kendall、

Pettitt 和滑动 T检验法四种方法检测结果，可确定该

流域径流在 1999 年发生突变，这也与 Zhang 等[14]的

研究成果较一致。

4.3. 西苕溪流域突变成因分析

通过以上多种变异检测方法分析比较结果可知

西苕溪流域降水和径流序列均发生了突变，一些学者

也对其突变成因进行了分析。如高伟等[15]分析发现降

雨量变化是造成西苕溪流域径流减少的主要因素，人

类活动影响相对较小。Zhang 等[14]通过定量评估气候

变化与人类活动对西苕溪流域径流的影响发现人类

活动影响强于气候变化。西苕溪虽处太湖流域上游，

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Figure 7. Pettitt statistical curve of streamflow from 1972 to 2010

in Xitiaoxi River basin

图7. 西苕溪流域 1972~2010 年径流 Pettitt 统计曲线

Figure 8. MTT statistical curve of streamflow from 1972 to 2010 in

Xitiaoxi River basin

图8. 西苕溪流域 1972~2010 年径流 MTT统计曲线

但流域内水利工程、水土保持等也使得径流减少[16]，

流域内城镇化使得土地利用类型、土壤类型的改变亦

会对径流产生较大影响[17,18]。降水序列发生突变主要

是受气候变化驱动，其气候变化的导致因素可能是自

然变率，也可能是人类活动导致CO2等温室气体增加

改变气候的结果。径流序列突变的发生则为气候变化

和人类活动的双重影响。气候变化通过影响气温、降

水、蒸散发等水循环要素的变化趋势或分布而影响水

循环。人类活动改变流域下垫面直接对蒸散发、径流

等水文要素产生影响[19]。本文采用多种检测分析方法

对西苕溪流域降水和径流突变点的分析和比较结果，

为进一步甄别气候变化和人类活动的贡献率奠定了

研究基础，流域内水文要素变化的驱动因素及其影响

的贡献率还有待进一步深入评价，但流域内气候变化

与人类活动的水文响应需引起水资源管理者足够的

重视，科学合理规划和利用水资源。

5. 结论

本文在 5%显著性水平下，采用 Mann-Kendall、

Pettitt、滑动 T检验、Ya mamot o 、差积曲线-秩检验联

合识别法等分析和比较了西苕溪流域 1972~2010 年流

域降水和径流的变点。近 40 年的流域降水和径流序

列，分析结果均表明在 1999 年发生了突变，各种方

法的结果交叉验证，并对突变的成因进行了初步分

析。该研究结果为进一步定量化甄别气候变化和人类

活动的各自贡献率奠定了基础。

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