水文序列变异点检验方法的性能比较分析

水文序列变异点检验方法的性能比较分析

【摘要】水文序列容易受到气候、自然环境、人类生产活动的影响而发生变化，不仅会改变其原来的变化趋势，而且给检验结果带来一定的影响。因此，为了更好的区分人类生产活动和气候变化对水文序列造成的影响，我们有必要对水文序列变异点的检查方法和性能进行比较，仅供同行工作参考。

【关键词】水文序列；检验方法；性能；变异点

变异点识别在区分气候变化、人类活动以及自然灾害对水文的影响方面有着至关重要的作用。在近几十年来，国内水文序列变异点的研究如火如荼的开展着，从最早使用单一方法的研究发展到以多种方法综合、系统组成的水文序列变异点诊断和研究，并对这种方法做了深入的改进和处理。尤其是在近年来，随着先进科学技术的出现，越来越多的设备和技术被广泛的应用到水文序列变异点检验中，为整个水文序列变异点的时间年限、变异点检验提供了工作新思路。

1.水文序列概述

由于受到气候变异和人类活动的双重影响，水文序列在某个时间段前后其统计规律发生了显著的变化。因此在目前的研究中整个管理策略非常的繁琐，这就要求我们对水文序列的概念、特征进行分析。

1.1水文序列概念

水文序列指的是在一定时期内气候条件、自然条件、人类活动综合作用下的产物，资料本身就反应的这些因素和影响程度进行控制，并发生了显著的变化。但是无论水文现象多么复杂，水文序列总是可以将其分解成为两个不同的成分，根据确定性、随机性将其分为两种。确定性主要指的是水文序列在运行中的物理特征，它包含了周期、趋势、跳跃的等成分。随机性则是各种不确定、不规格振荡和随机影响的总称，它是因为随机不同的影响造成的，是一种无法严格的从物理上阐明，只能随机的采用序列理论进行研究。如果在这一环节，水文序列与周期、趋势和跳跃成分无关，它是平稳时间序列的一个系统内容，其具备着相同的屋里成因。

1.2水文学列的原理

水文序列便以诊断主要可言将其分为初步诊断、详细诊断两个不同的极端。在水文序列进行初步进行分析的时候，我们可言采用过程线法、累计曲线法、滑动平均法等方法进行检验。在判断的过程中，主要是根据序列进行变异分析，通过运用科学的检验方法进行详细的诊断，结合流域的水文过程和可能发生变异的问题进行处理，从而达到预计标准要求。

在检验方法的检查上，一般可以将检验方法分为参数和非参数检验方法。参

数检验主要是总体上分布和样本信息对称一体的参数腿短流程，对总体的特殊要求包含了各种不同的检验标准。非参数检验不需要利用总体的信息，以样本信息对总体分布情况进行推理和处理，并针对其不同条件下的参数进行优化和整理。

2.水文序列变异点检验方法的性能比较

这里我们主要是以时间为定点进行水文序列变异点进行分析，它了解和诊断水文序列的变异、规律以及模糊等不同的性能，它对水文分析、模拟和预测，有效的保证了水文地质的安全，达到了防洪减灾、水环境治理的工作目的。

2.1各种检验方法的原理

2.1.1里海哈林法

2.1.2有序聚类法

由有序聚类推求最可能干扰点S0，其实质是求最优分割点，使同类之间离差平方和最小，而类与类之间离差平方和较大。设序列xt（t=1，2，…，n），可能分割点为S，满足S*n=max1≤S≤nSn（S）=∑St=1（xt-xS）2+∑nt=S+1（xt-xn-S）2条件的S，即为最可能变异点S0。

2.1.3最优信息二分割法

以灰色差异信息理论为基础，建立差异信息相对测度体系和最优信息二分割模型。采用不同分割方法，计算分割点前后序列的差异信息测度，对应着分割点前后差异信息测度之差最小的点，认为是最可能变异点。

2.1.4滑动T检验法

滑动T检验与滑动F检验类似。设变异点S前后两序列总体的分布函数各为F1（x）和F2（x），从总体F1（x）和F2（x）中分别抽取容量为n1和n2的两个样本，构造T统计量为：

2.2各检验方法性能分析

2.2.1变异序列生成器及变异序列生成

变异序列生成器就是采用线性同余数法生成[0，1]区间上随机数，混洗后生成周期为无穷的均匀分布随机序列，再采用舍选法生成长度为N（取偶数）、变异点在中间，且满足P-Ⅲ型分布水文序列的一种方法，其中[1，N/2]序列满足均值为X1、变差系数为Cv1、偏态系数为Cs1的P-Ⅲ型分布，[N/2+1，N]序列满足均值为X2、变差系数为Cv2、偏态系数为Cs2的P-Ⅲ型分布。

2.2.2变异点设置

根据第一段均值（X1）、变差系数（Cv1）、偏态系数（Cs1）以及第二段均值（X2）、变差系数（Cv2）、偏态系数（Cs2）的不同取值情况，总共有7种组合M=C13+C23+C3。其中：C13表示序列的前半部分与后半部分的3个统计参数（均值、变差系数、偏态系数）只有一个不相同，共有3组合；C23表示序列的前半部分与后半部分的3个统计参数有两个不相同，共有3种组合；C3表示序列的前半部分与后半部分的3个统计参数都不相同，共有1种组合。可以看出，这7种组合包括了单点变异的所有可能情况。各方法对均值、CS发生同方向变异的序列检验能力高于只有均值或CS发生变异序列的检验能力。

2.2.3结果统计与分析

根据设置的以下几种变异情况，统计实验分为三大类：Ⅰ类，单参数变异检验；Ⅱ类，双参数变异检验；Ⅲ类，三参数变异检验。在每种变异情况下，利用变异点生成器生成长度为1000的水文序列，在允许度（各方法检验变异点与设置变异点之间差异幅度的允许范围）为1%。

2.2.4检验性能综合分析

由三类变异情况下检验结果的统计分析可知，最优信息二分割、R/S检验对所有情况检验效果较差。主要原因是这2种方法都应用了图形分析法，误差较大，影响了变异点识别精度，其他方法对变异点具有识别能力。秩和检验对7种变异情况检验效果较好；Brown-F、Bayesian、里海哈林、有序聚类、滑动T等5种方法检验性能基本接近，都是对均值变异的序列或含有均值变异的序列检验效果明显，而对CV或CS变异的序列识别能力较差；滑动F检验对CV或含有CV 变异的序列识别能力较强，而对均值或CS变异的序列识别能力较差；Mann-K 检验对均值或含有均值变异的序列有一定的识别能力，但效率不高，检验效率低于0.5，对CV或CS变异的序列识别能力差。可以看出，这些方法对CV和CS 变异识别能力一般。当有2个或3个参数同时发生变异时，检验效率并不因变异的参数多而效率高，也并非是随变异幅度增大而一直上升。

3.结束语

多数方法对均值变异序列的检验效果优于变差系数变异序列的检验效果，变差系数变异序列的检验效果优于偏态系数变异序列的检验效果。各检验方法对多参数变异相互叠加效果检验能力较差、方法本身对某些变异无法检验以及方法各自的假设条件等是影响检验效率的主要因素。

【参考文献】

[1]王国庆，贾西安，陈江南，张云，李皓冰，王云璋.人类活动对水文序列的显著影响干扰点分析——以黄河中游无定河流域为例[J].西北水资源与水工程，2001（03）.