基于Kendall重现期的降雨潮位风险分析

短时强降雨和外江潮水位顶托是诱发城市内涝的两个重要因素,分析雨潮风险对于减少内涝灾害,确保居民人身财产安全具有重要意义。重现期与设计值的定义和计算是风险分析中的重难点,通过构造年最大1h降雨量与相应潮位的联合分布,介绍了Kendall重现期的定义和计算方法,指出了Kendall重现期与传统重现期在危险区域识别上的差异性,并通过实例分析,验证了Kendall重现期法的合理性。研究结论可为城市内涝防治提供依据。     

未来气候情景下淮河中上游降水极值及其联合概率行为变化特征

极端气候变化导致水旱灾害频率和强度的改变,为探究未来气候情景下淮河中上游降水极值及其联合概率行为变化规律,以淮河干流小柳巷以上32个雨量站1961～1990年实测日降水数据为基准,集合RCP4.5情景下5种全球海气耦合模式(GCM)在2021～2050、2051～2080年的日降水预测,应用6种极端降水指数量化极端降水变化规律,基于Copula函数构造3组极端降水指数组合的联合分布,并利用Kendall重现期探讨双变量降水事件发生概率的空间变化规律。结果表明,无论在哪个未来时段,6种极端降水指数较基准期均有不同程度的增大;双变量降水事件的发生概率的空间异质性随着重现期水平的增高而增大;未来60年北部山区和研究区下游极端降水事件发生更加频繁,对淮河流域防洪排涝具有指示作用。     

秦淮河流域不同频率降雨联合概率分析

秦淮河流域汛期雨量丰沛,洪水的特性受一日降雨量和多日降雨量影响,单考虑某一时段的降雨量不能全面反映流域洪灾的风险。选取P-Ⅲ型分布分别作为最大1日面雨量的边际分布,两参数对数正态分布作为最大3日面雨量、最大7日面雨量边际分布。在此基础上利用Gumbel Copula函数建立秦淮河流域最大1日面雨量、最大3日面雨量联合分布模型,利用Clayton Copula函数建立最大1日面雨量、最大7日面雨量联合分布模型,并计算了二维联合分布下的暴雨设计值和重现期。结果表明,两变量联合重现期小于同现重现期,基于二维Copula函数联合分布计算的暴雨设计值大于单变量分布计算的暴雨设计值,为秦淮河流域的防洪防涝提供了参考。     

山东省小清河流域暴雨——潮位遭遇组合规律研究

鉴于洪潮遭遇组合分析可为沿海地区洪涝防治规划与设计提供参考,采用Copula函数建立山东省小清河流域面雨量年极值和羊角沟站潮位年极值的联合分布函数,通过优选,最终选用Gumbel Copula函数分析两者组合概率,揭示其遭遇组合规律。结果表明,重现期越小的设计面雨量(潮位)遭遇同量级潮位(面雨量)的概率越大;面雨量和潮位同为10年一遇时,联合重现期约36年;两者同为200年一遇,联合重现期约为947年,小清河流域平均面雨量和羊角沟潮位同频率遭遇是两者概率的1/4左右。     

基于Copula函数的柘林水库设计洪水频率分析

针对传统设计洪水频率分析采用单变量方法且不考虑变量间相关关系的问题,以江西省柘林水库坝址洪水为研究对象,采用Frank Copula函数构建洪峰与5d洪量的二元联合分布,并引入联合重现期的概念。结果表明,柘林水库坝址洪水主要受洪峰和洪量控制,峰量间存在良好的相关性;两变量方法推求的峰量联合设计值均大于单变量方法,各特征量的重现期均高于设计标准。可见Copula函数拟合度较高,计算所得频率设计值更符合洪水事件的内在规律以及工程实际要求,且同时可得不同情况下的峰量设计值组合,在水文领域具有广阔的应用前景。     

基于Copula函数的河南省干旱特征分析

基于河南省及周边26个站点降水资料,采用降水距平百分率识别干旱事件,统计了干旱历时和干旱烈度两个干旱特征变量,利用四种Copula函数建立了干旱历时和干旱烈度的联合分布,选取拟合度最优的Copula函数,通过空间插值法得到河南省干旱联合重现期空间分布,分析了干旱重现期的空间分布特征。结果表明,干旱联合重现期低值(干旱风险高)区在河南省南部,如南阳、信阳一带;干旱联合重现期高值(干旱风险低)区分布在河南省西部,如三门峡、栾川等地区。     

基于Copula函数的武澄锡虞区雨潮组合风险分析

沿海城市的洪涝问题除了受降水等因素的影响外,还与潮位变化密切相关。为此,基于武澄锡虞区1951～2019年的日降雨资料和江阴站1951～2019年的逐日潮位资料,采用P-Ⅲ型分布函数作为边缘分布函数,根据K-S检验和Anderson-darling检验对其进行检验,根据离差平方和准则法择优选出Frank-Copula函数构建武澄锡虞区雨潮遭遇联合分布,定量计算了研究区域不同重现期组合的年最大15d降水和相应潮位遭遇的风险率。结果表明,重现期为10年一遇的15d降水遭遇重现期为2年一遇的相应潮位时同现和防涝风险率均很高,且随着设计标准的提高,雨潮遭遇组合的风险率逐步降低。该研究结果为武澄锡虞地区的洪涝灾害防治问题提供了新思路。     

基于Copula函数的赣江流域气象干旱特征分析

赣江流域是我国粮食主要产区之一,也是干旱灾害频发的区域。基于流域内39个站点1960～2018年的逐月降水和气温资料,计算逐月标准化降水蒸散发指数,通过游程理论提取干旱历时和烈度,分析其逐年变化趋势,对干旱历时进行边缘分布拟合前预处理,利用Copula函数计算‘或’和‘且’两种情境下不同等级干旱的重现期,分析干旱历时与烈度的时空特征。研究结果表明,赣江流域干旱历时和烈度两变量均呈减少趋势,跨季节干旱为主要类型;干旱历时的最优边缘分布函数中威布尔分布居多,Frank-Copula函数能很好地描述大部分站点的联合分布状况;重旱及以上两种重现期均小于7年,表明干旱严重且多发。     

基于Copula函数流域防洪分析

采用Copula函数的基本理论和方法构建了边缘分布为P-Ⅲ型的联合分布,描述分析了潮位和降雨二者频率组合后确定流域防洪标准的合理性,为流域防洪分析提供了一种新方法。算例结果表明,在给定某一频率的潮位下,有多种频率的降雨进行组合,且概率随频率的增加而减小。     

基于Copula函数的西南岩溶流域多变量洪水频率分析

基于西南岩溶区澄碧河流域平塘水文站年最大场次洪水数据,利用Copula函数建立多维洪水变量的联合分布并计算联合、同现重现期。结果表明,Frank Copula对洪峰—洪量二维联合分布的拟合效果最优(R_(RMSE)=0.041 1,A_(AIC)=-56.2),Gumbel Copula对洪峰—历时二维联合分布的拟合效果最优(R_(RMSE)=0.0482,A_(AIC)=-53.3),Gaussian Copula对洪量—历时二维联合分布的拟合效果最优(R_(RMSE)=0.046 0,A_(AIC)=-54.2),Gumbel Copula对洪峰—洪量—历时的三维联合分布拟合效果最优(R_(RMSE)=0.049 2,A_(AIC)=-53.0);洪水单变量重现期大于多变量联合重现期(如T=100 a,相应的T_(aqw)=52.3 a、T_(aqt)=79.9 a、T_(awt)=60.6 a和T_(aqwt)=35.7 a),小于多变量同现重现期(如T=100a,相应的T_(oqw)=980.2 a、T_(oqt)=130.1 a、T_(owt)=267.4 a和T_(oqwt)=260.3 a)。研究结果可为岩溶区流域工程防洪安全评价提供新的选择。     

基于超越概率的海堤防御标准理论探讨

针对海堤防御标准确定的重要性及复杂性,引入超越概率理论,提出了双灾害因素的组合超越概率理论分析方法,推导了双灾害因素组合重现期关系,并对海堤破坏因素进行物理分解分析后提出一段时间(使用期)内其遭遇出现的理论超越概率,进而从物理层面探讨了重现期关系.结果表明,遭遇双灾害因素事件,对确定的可靠度可采取多种重现期组合方式满足;当重现期组合关系满足1:2.18时,双灾害因素同时出现的概率最大.     

合肥市干旱识别及基于Copula的特征值重现期分析

以合肥市月降水量为干旱指标，以轻旱等级的上下限值为干旱发生阈值，并以月水面蒸发量与土壤耕作层有效含水率之和为干旱解除阈值，采用三阈值游程理论法识别干旱，以干旱烈度和峰值强度为干旱事件的特征值，利用适于描述具有上尾相关性的GH Copula函数构建特征值的联合分布，计算干旱事件特征值的各种重现期，辨析各种重现期的内涵及其对实际旱情的反映。结果表明，基于月降水量和月水面蒸发量识别的干旱能较准确地反映实际旱情；合肥市干旱始于10、7月的可能性最高，严重干旱绝大多数均始于或包含7月；发生于2019年7~12月的干旱烈度、峰值强度的重现期分别为27.4、42.9年，烈度和峰值强度的“AND”、“OR”联合重现期分别为48.0、25.7年；联合重现期越大的干旱不代表其对承灾体造成的损失越严重。     

基于Copula函数的不同历时降雨量组合概率研究

为查清越西县不同历时降雨量组合概率情况,根据越西雨量站1954~2012年降水资料,基于三维不对称Gumbel Copula函数构建了年最大1日降水量(R1d)、年最大3日降水量(R3d)、年最大7日降水量(R7d)的三维联合分布函数,计算了不同历时降水量的组合概率、条件概率和相应的重现期。结果表明,R1d、R3d、R7d三变量发生极端降水事件的联合概率最大,同现概率最小,单变量发生的概率介于二者之间;单变量的重现期(T)介于三变量联合重现期(Ta)与同现重现期(T0)之间;通过组合概率分布图和等值线图可得到给定条件下的两个不同组合事件的条件概率;三维不对称Gumbel Copula函数能够很好地描述不同历时降水变量之间的关系;可为城市防洪排涝及县域水资源开发利用提供参考依据。     

佛子岭水库群汛限水位调整及风险分析

为提高水库群防洪和兴利效益,以佛子岭水库群为例,针对单库调洪演算的局限性,考虑水库间水力联系,建立了联合调洪演算模型,通过确定联合运用时的起调水位和止调水位,研究了汛限水位调整后的运行效果。同时,采用安全度作为风险分析指标,计算了各汛限水位组合下水库群的安全度,定量分析了汛限水位调整对防洪安全的影响。结果表明,佛子岭水库群汛限水位可恢复至设计值,且白莲崖水库的兴建能大幅提高水库群的整体防洪能力。     

多年持续洪灾的概率分析及重现期的确定

在假定某一地区的来水状况是一无限延续的贝努利试验的前提下，基于概率论的有关理论及轮次理论的基本原理，研究了轮次长度为八年的多年持续洪灾的概率分布Ｒｌ，ｋ（ｎ），给出了其求解方程．同时，根据概率论中概率母函数的基本概念，推导出了轮次长度为六年的多年持续洪灾的重现期Ｔｋ的均值和方差的理论公式；并在假定Ｔｋ服从正态分布的条件下，给出了任一显著性水平下Ｔｋ的置信区间．并用于对长江宜昌站的洪峰流量资料进行验证．     

M-Copula函数在洪水遭遇中的应用研究

针对求解多变量情况下的设计水文特征值,采用M-Copula函数分析洪水遭遇问题,并采用适线法估计参数分析长江干流的设计洪峰流量.研究结果表明,M-Copula函数具有灵活性和应用范围广等特点,可更好地拟合两变量的相关关系,能更全面地描述设计洪水空间组成,在多变量水文频率分析中具有广泛应用前景.     

降雨重现期标准化及其在某滑坡稳定性评价中的应用

鉴于三峡库区降雨标准化、定量化研究对库区降雨型滑坡稳定性评价与预测具有重要意义,采用数学期望公式(Weibull公式)与P-Ⅲ型频率曲线相结合,在海森几率格纸上绘制降雨频率曲线的方法求取不同降雨重现期时万州区4~6月单次最大降雨过程,在此基础上,以万州区某滑坡为例,对稳定性与破坏概率进行计算。结果表明,通过降雨频率曲线,可以找到不同极值降雨过程重现期对应的降雨量;库水位下降期间浸润线逐渐趋于凸型;该滑坡是库水+暴雨复合型滑坡;在20年(及以上)一遇暴雨与库水位联合作用下,滑坡将达到欠稳定状态。     

基于Infoworks CS的雨水利用措施对城市雨洪影响的模拟研究

以广州市新河浦社区为研究区域,构建了基于Infoworks CS的城市雨洪模型,对研究区年均可收集雨量和需水量进行分析计算,并设计了雨水利用方案。采用Infoworks CS模型模拟了设置蓄水池、下凹式绿地和透水砖3种雨水利用措施在不同重现期时排水管道出口断面洪峰流量和淹没情况。结果表明,蓄水池、下凹式绿地和透水砖皆可有效地削减洪峰、推迟峰现时刻、减少径流量及被淹没节点数,三者组合可更好地发挥控制流量的作用,增加雨洪资源利用量,且重现期越小,雨水利用措施效果越好。     

干支流不同典型洪水组成的梯级水库防洪极限风险分析

不同的典型洪水组成对梯级水库的联合防洪调度风险有重要影响,为研究其对极限风险的具体影响以提高梯级水库洪水资源利用率,以黄河上游龙羊峡和刘家峡梯级水库为例,选取干流和支流实测洪水流量资料的年最大洪量过程,按洪峰在洪水过程中出现的位置划分为4场典型洪水,并从中各筛选出4场典型洪水过程线组合成16种情景,采用同倍比放大法推出梯级水库入库设计洪水,以下游水库设计洪水位作为极限风险控制指标,通过调洪演算得到防洪极限风险率。经分析干流洪峰靠后支流洪峰靠前的典型洪水组合对刘家峡水库的极限风险起决定作用。不同起调水位的联合防洪补偿调度计算结果表明,视不同来水情况可将刘家峡水库起调水位抬升至1 728~1 730m,以充分利用黄河流域的洪水资源。     

上海市台风降雨和潮位遭遇组合概率研究

针对台风期间上海市城市防洪涝安全风险问题,基于1970～2011年徐家汇气象站日降雨资料和黄浦江吴淞潮位站日潮位资料,采用P-Ⅲ型分布拟合了台风降雨和潮位的概率分布,利用Copula函数建立了上海市台风降雨与黄浦江潮位的联合分布模型,并定义和分析了台风降雨与潮位的组合风险概率及两变量重现期。结果表明,上海市台风降雨达到50mm,与年最高潮位达到警戒水位的联合重现期约为2年;10年一遇台风降雨与5年一遇或20年一遇的年高潮位的同现重现期分别为111、303年;20年一遇的台风降雨与20年一遇的年高潮位的同现重现期为625年;上海市10年一遇以上台风降雨遭遇到5年一遇以上的年高潮位的机率很小。