Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 中国北方岩溶泉流量的非平稳极值统计模型研究 | |
| 刘彦 | |
| 完成单位 | 天津师范大学 |
| 登记(发布)日期 | 2018 |
| 中文摘要 | 1．课题来源与背景 中国是世界上岩溶地层最普遍的国家之一,世界上四分之一的岩溶地层分布在中国。我国岩溶水资源为2039.67×108m3/a,约占全国地下水总水资源量的23%。在我国干旱半干旱区的北方地区,岩溶地下水已经成为该地区工农业以及居民生活的主要供水水源。然而,20世纪50年代以来,我国北方岩溶地下水普遍下降,一些大泉相继断流。进入新世纪以来,极端气候变化事件频繁发生,人们对地下水的开采也达到空前高的强度。在高强度开发岩溶地下水的情况下,灾变气候对我国岩溶含水层有着怎样的影响？北方广阔的岩溶含水层对极端气候带来的灾害又具有怎样的调蓄能力？这些都是岩溶水文地质工作应当考虑的问题。因此,研究人类活动和极端气候共同作用下我国北方岩溶地下水水文过程的变化规律,对于保障我国北方地区的用水安全、社会稳定和经济发展有着重要的意义。 2. 研究目的与意义 本项目旨在完善极值统计理论中的非平稳模型,以及时间序列理论中的ARIMA-GARCH等模型;在此基础上,运用上述模型研究极端气候变化和人类活动对北方岩溶地下水水文过程的影响,对极端条件下泉水流量的变化趋势,以及发生断流的概率做出预测,为我国北方的岩溶地下水保护和科学开发利用提供基础资料。 3. 主要论点与论据 论点一：我国地下水流量序列不仅均值不断发生变化,其振幅亦随时间的变化而变化,也就是说,其振动规律具有异方差性,而人类活动是导致异方差性的主要原因。 论据：本项目尝试使用时间序列理论中的ARIMA(自回归积分移动平均)模型和近年来新兴的ARIMA-GARCH(自回归积分移动平均-广义自回归条件异方差)模型分别拟合娘子关泉近60年的月流量序列。残差诊断显示,两个模型都可以很好地解释流量中复杂的均值部分,但是ARIMA-GARCH模型可以给出一个长度可变的置信区间,在振动剧烈时,置信区间的长度变宽,反之,处于振动平缓时,置信区间的长度变窄,相比只能提供长度不变置信区间的ARIMA模型,明显ARIMA-GARCH模型可以更好地捕捉、模拟、解释序列中存在的异方差性。另外,本项目继续使用更加复杂的SARIMA-GARCH(季节自回归积分移动平均-广义自回归条件异方差)模型分别对辛安泉1978年前后的流量序列进行拟合,并将两个模型做以比较,结果表明1978年之前模型未见明显异方差性,而1978年之后序列呈现显著异方差性。历史资料显示1978年之前,辛安泉几乎未受人类活动影响,而1978年后,随着经济发展,人类对辛安泉流域进行了大规模的打井、采水活动。据此,人类活动是导致泉水异方差性的主要原因。 论点二：娘子关泉未来流量很可能呈现出以负指数函数为主体,并在反复振动中不断下降的长期趋势,但是在未来几十年内,发生断流的可能性仍然很小。 论据：本项目提出了极值统计分解模型,此模型可将地下水流量序列分解为长期的下降趋势、周期变化趋势和随机振动三个部分。长期趋势被理解为人类活动造成的影响,其可由负指数模型拟合;周期变化趋势主要由气候变化导致,它也可由指数模型拟合,而此指数模型的指数部分恰好是两个具有不同周期不同振幅的正弦函数的叠加;另外广义极值分布可以用来解释随机振动部分。长期趋势和周期变化趋势的参数可由Levenberg-Marquardt算法计算,广义极值分布的参数可由极大似然方法估计。上述极值统计分解模型被用于拟合、预测娘子关泉水流量。诊断结果显示,模型拟合良好;预测结果显示,娘子关泉未来流量很可能呈现出在反复振动中不断下降的趋势,并且到2046年之前,泉水发生断流的可能性是1%。 4. 创见与创新 创见与创新一,本项目将时间序列理论中的ARIMA-GARCH、SARIMA-GARCH模型引入地下水领域,用来模拟喀斯特泉水流量的变化规律,捕捉序列中的异方差性,取得了很好的拟合效果。 创见与创新二,本项目将极值统计理论中的广义极值模型、广义帕累托模型引入地下水领域,用来研究年度极大与极小流量发生的可能性和规律,并对不同重现期下的重现水平进行估计,对未来发生断流的可能性进行预测。 5. 社会经济效益,存在的问题 本项目的研究成果将为极端条件下北方岩溶地下水的研究提供基础资料,对于保障我国北方地区的用水安全、社会稳定和经济发展具有一定的积极意义。 目前,本项目已经取得了很大的成绩,但仍有一些问题值得进一步分析和研究。首先,目前的方法大多停留在数据表面,笼统地建立流量、降雨、气温等序列之间的关系模型,这样的方式略显粗糙,也很难准确量化人类活动对地下水的影响程度,以及降雨、气温等指标和地下水的确切关系。况且传统的回归方法需要首先确定模型的形式,具有主观性,未必与客观真实情况准确吻合。在后续的研究中,我们将逐步优化方法,正确解决上述问题。 6．历年获奖情况 无 |
| 中文关键词 | 中国北方 ; 岩溶泉流量 ; 平稳极值 ; 统计模型 |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 中图法分类号 | P641 |
| 来源机构 | 天津师范大学 |
| 资源类型 | 成果 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/241395 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘彦. 中国北方岩溶泉流量的非平稳极值统计模型研究[Z]. ,2018. |
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