石國棟

(陜西省渭河生態(tài)區(qū)保護(hù)中心，陜西 西安 710004)

1 概述

水文資料是各種水文測站經(jīng)過水文測驗(yàn)得到的原始數(shù)據(jù)，按科學(xué)的方法和統(tǒng)一的格式進(jìn)行資料的整編，最終處理成規(guī)范準(zhǔn)確的水文資料成果。水文資料成果可為水文預(yù)報(bào)、水利計(jì)算等提供科學(xué)依據(jù)。水文資料成果為地表水資源評價(jià)所提供的一般是水位、降水和徑流資料等。徑流量原始水文資料的可靠性、一致性及代表性決定了計(jì)算成果的精度與合理性。原始資料一致性不好，會(huì)影響徑流計(jì)算成果的精度[1-2]。

資料的一致性是指資料系列的條件要一致，比如某一斷面流量系列資料應(yīng)是在同樣的氣候條件、同樣的下墊面條件、測流斷面以上流域同樣的開發(fā)利用水平和同一測流斷面條件下獲得的。目前常用的頻率計(jì)算方法要求所有樣本的每項(xiàng)指標(biāo)都必須具有一致性，保證其都是在同等條件下，隨機(jī)獨(dú)立抽取。對一致性不符的樣本不適合采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法計(jì)算。一般情況下，氣候條件、下墊面和人類活動(dòng)對徑流資料的一致性產(chǎn)生的影響最大，如果有的水文站發(fā)生位置遷移，則會(huì)造成遷站前后水文資料一致性受到破壞，后續(xù)就需要對水文監(jiān)測資料資料進(jìn)行審查。其分析方法分為兩大類：一類是用來判斷資料整體趨勢的方法，如Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法、Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法、滑動(dòng)平均檢驗(yàn)法等；另一類是判斷資料中跳躍成分的方法，如累積曲線法、Lee和Heghinan法、有序聚類分析法和重標(biāo)度極差分析法(R/S)等。

水文資料可靠性主要從資料來源、測驗(yàn)方法、整編精度和水量平衡等方面進(jìn)行檢查。如果流域水文站歷年斷面變化較小，水位流量關(guān)系穩(wěn)定，則水文資料可靠性較高。此外對各雨量站和水文站點(diǎn)的系列雨量和水位流量數(shù)據(jù)應(yīng)對特大、特小值為審查重點(diǎn)，對突出點(diǎn)據(jù)有疑問的站點(diǎn)與上下游或相鄰站點(diǎn)進(jìn)行平行對照，結(jié)合水量平衡原理，查清原因后進(jìn)行改正，并說明改正方法。隨著人類活動(dòng)的影響，也需要對鄰近斷面徑流資料的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，依據(jù)不同資料的統(tǒng)計(jì)特征互相驗(yàn)證是一種高效簡便的做法，可提高整體工作效率[3]。

文章利用假設(shè)檢驗(yàn)中t檢驗(yàn)、F檢驗(yàn)方法，對同一水文站三個(gè)鄰近測驗(yàn)斷面兩組徑流系列的方差與均值分別進(jìn)行檢驗(yàn)。其中，根據(jù)斷面的空間位置，對方差進(jìn)行雙側(cè)檢驗(yàn)，對均值分別進(jìn)行雙側(cè)和單側(cè)檢驗(yàn)。如果通過檢驗(yàn)，說明徑流資料具備一致性，可作為后續(xù)計(jì)算分析的依據(jù)。

2 基于假設(shè)檢驗(yàn)原理的資料審查分析

通過對假設(shè)檢驗(yàn)的基本原理分析可知，該方法可在對水文資料一致性或可靠性審查中應(yīng)用。本節(jié)所提出的基于假設(shè)檢驗(yàn)的資料審查主要針對工作人員對測驗(yàn)斷面遷移或兩個(gè)鄰近測驗(yàn)斷面水文資料系列一致性有所懷疑的情況，例如下文實(shí)例就是依據(jù)同一個(gè)水文站的三個(gè)測驗(yàn)斷面的徑流資料來檢驗(yàn)上下游鄰近斷面資料系列的一致性，不屬于產(chǎn)生資料系列來源、測驗(yàn)方法、整編精度等不一致的情況，因此將其歸納到一致性審查范疇。

假設(shè)檢驗(yàn)是指施加于一個(gè)或多個(gè)母體的概率分布或參數(shù)的假設(shè)，所作假設(shè)可能存在正確或者錯(cuò)誤的情況。一般情況下，判斷假設(shè)的正確與否主要方法為：從母體子樣中取樣進(jìn)行檢驗(yàn)，對假設(shè)正確與否進(jìn)行選擇。其理論背景為實(shí)際推斷原理，即“小概率原理”[4]，基于假設(shè)檢驗(yàn)的水文資料一致性或可靠性審查的程序如下。

(1)根據(jù)實(shí)際問題所關(guān)心的內(nèi)容，建立H0與H1；

(2)在H0為真的前提下，選擇合適的統(tǒng)計(jì)量V，統(tǒng)計(jì)量的分布常用正態(tài)分布、t分布和F分布，由確定拒絕域形式，給定顯著性水平α，其對應(yīng)的拒絕域?yàn)椋?/p>

(1)

(3)根據(jù)子樣值計(jì)算，確定拒絕域，對原假設(shè)作出接受或拒絕的判斷，利用計(jì)算的統(tǒng)計(jì)量與查表所得的臨界值比較，若計(jì)算值沒有落到拒絕域，說明小概率事件沒有發(fā)生，則接受H0，反之，則拒絕。

F檢驗(yàn)法通過對兩組樣本方差的比較，判斷是否存在顯著性差異。設(shè)母體X～N(μ1，σ12)，Y～N(μ2，σ22)，作假設(shè)H0、H1，F(xiàn)檢驗(yàn)法的計(jì)算如表1所示，其中S1*2、S2*2為子樣方差，且F值服從第一自由度n-1和第二自由度m-1的F分布。查F分布表得臨界值，若計(jì)算值F小于臨界值，表明兩組樣本沒有顯著差異。

表1 F檢驗(yàn)法

表2 t檢驗(yàn)法

3 實(shí)例分析

林家村水文站是渭河干流控制站，屬國家重要水文站，擔(dān)負(fù)著渭河河道和寶雞峽渠道水文要素監(jiān)測任務(wù)。該站共布設(shè)上、中、下三個(gè)斷面，上下浮標(biāo)斷面兼比降斷面、流速儀測流斷面兼浮標(biāo)中斷面，基本水尺斷面位于流速儀測流斷面下游20m，浮標(biāo)斷面與比降斷面重合，上下斷面間距200 m?；緮嗝嬉陨霞s300 m有太寅溝匯入，約800 m有寶雞峽大壩[5]。林家村(三)站位于寶雞峽至蔡家坡寶雞城區(qū)河段，設(shè)立日期為1934年1月，測站地點(diǎn)位于陜西省寶雞市金臺(tái)區(qū)硤石鎮(zhèn)林家村，斷面名稱為林家村，屬于國控?cái)嗝?，至河口距離為388 km，集水面積為30 661 km2，領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)為陜西省水文水資源勘測中心。林家村(合)站位于上游省界至寶雞峽山區(qū)河段，斷面名稱為虢鎮(zhèn)橋，屬于省控?cái)嗝?，領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)為陜西省水文水資源勘測中心。林家村站寶雞峽渠道測驗(yàn)斷面于1974年設(shè)立，斷面距寶雞峽渠首約1 km，觀測項(xiàng)目有水位、流量、含沙量，設(shè)站的目的為農(nóng)業(yè)灌溉計(jì)劃用水提供依據(jù)。

表3 林家村(三)站與林家村(合)站的檢驗(yàn)結(jié)果

資料的一致性審查中，遷站前后斷面變化可能導(dǎo)致徑流系列一致性被破壞，類比這個(gè)變化，檢驗(yàn)寶雞峽灌區(qū)引水是否會(huì)導(dǎo)致林家村(合)站和下游的林家村(三)站徑流資料的一致性被破壞。由于林家村站、林家村(三)站及林家村(合)站在空間分布上相互關(guān)聯(lián)，對其徑流資料的審查可以通過對比(時(shí)間域與分析域)分析進(jìn)行，通常以長系列降水資料、流域或區(qū)域主要水文要素(降水、徑流)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)、已有的水資源量和開發(fā)利用成果作為對比的參考資料。利用檢驗(yàn)法[6]F、t檢驗(yàn)法[7]分別對林家村(三)站與林家村(合)站、林家村站與林家村(合)站1973-2018年共46 a的徑流資料統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，并對結(jié)果進(jìn)行分析。在顯著性水平α=0.05的條件下，F(xiàn)檢驗(yàn)、t檢驗(yàn)的計(jì)算成果如表3、表4所示。

表4 林家村站與林家村(合)站的檢驗(yàn)結(jié)果

由表3的檢驗(yàn)結(jié)果可知，林家村(三)站與林家村(合)站F檢驗(yàn)的F值沒有落在拒絕域內(nèi)，小概率事件沒有發(fā)生，因此接受，認(rèn)為兩個(gè)站的方差無顯著差異；t檢驗(yàn)的t值同樣沒有落在拒絕域內(nèi)，同樣地，接受，認(rèn)為兩個(gè)站的均值相差不大，即徑流量無顯著差異。由表4的檢驗(yàn)結(jié)果可知，林家村站與林家村(合)站F檢驗(yàn)的F值落在了拒絕域內(nèi)，說明小概率事件發(fā)生，因此拒絕，認(rèn)為兩個(gè)站的方差有顯著差異；t檢驗(yàn)的t值同樣落在了拒絕域內(nèi)，因此拒絕，認(rèn)為，即林家村(合)站的徑流量均值明顯大于林家村站的徑流量[8-9]。F檢驗(yàn)、t檢驗(yàn)的兩組檢驗(yàn)結(jié)果表明，林家村站、林家村(三)站、林家村(合)站測驗(yàn)斷面的布設(shè)是合理的，通過檢驗(yàn)，即寶雞峽灌區(qū)引水并沒有破壞導(dǎo)致林家村(合)站和下游的林家村(三)站徑流資料的一致性。監(jiān)測整編的結(jié)果可用于后續(xù)分析，即徑流資料具有一致性。

4 結(jié)語

(1)一致性分析是選擇和利用水文資料進(jìn)一步分析計(jì)算的基礎(chǔ)。對于徑流資料的一致性，一般而言可從下墊面環(huán)境、測驗(yàn)斷面遷移、測驗(yàn)方式方法的變化進(jìn)行分析。對于水文站及流域內(nèi)各雨量站資料，一般需要經(jīng)過現(xiàn)場踏勘調(diào)查及測站沿革考證，確定水文站斷面無較大遷移，若測驗(yàn)方式方法發(fā)生變化，也應(yīng)進(jìn)行同期不同方法比測，分析其變化趨勢，進(jìn)而驗(yàn)證一致性。

(2)本文從另一個(gè)角度出發(fā)，選擇F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)對鄰近測驗(yàn)斷面的徑流資料一致性進(jìn)行分析，優(yōu)勢是利用Excel計(jì)算方便快捷，對優(yōu)選參數(shù)的取舍可以多次試算，非常適合基層工作者使用，高效快捷，這在手工計(jì)算時(shí)要耗費(fèi)很大的精力。但需要注意的是上述方法僅局限于以上兩種假設(shè)檢驗(yàn)均通過時(shí)各系列資料才可視為具有一致性，且所選樣本需要來自同一總體。同時(shí)，在給定α的前提下，接受還是拒絕原假設(shè)完全取決于子樣值，因此所作檢驗(yàn)可能導(dǎo)致棄真(第一類錯(cuò)誤)或取偽(第二類錯(cuò)誤)兩類錯(cuò)誤。理想的檢驗(yàn)方法應(yīng)使犯兩類錯(cuò)誤的概率都很小，但在子樣容量給定的情形下，不可能使兩者都很小，降低一個(gè)，往往使另一個(gè)增大，因此可控制犯第一類錯(cuò)誤的概率(小概率)，然后，若有必要，可通過增大子樣容量的方法來減少犯第二類錯(cuò)誤的概率。文中所述方法僅供參考，實(shí)際工作時(shí)建議采用多種方法進(jìn)行對比分析。