非一致性条件下水文设计值估计方法探讨

非一致性水文频率分析中,为了刻画未来环境变化对水文极值分布函数的影响,常假定分布函数中的分布参数随时间或其它因子变化,这就导致了某一量级洪水在未来发生的可能性每年均不同,是随时间变化的,使得现行水文频率分析框架中熟于理解的重现期/设计值概念难于应用。为此,提出"等可靠度"概念,即假定在工程的设计使用寿命期内,非一致条件下的频率分析结果与平稳条件下的成果应具有相同的水文设计可靠度,由此可以继续采用现行水文频率分析框架中的重现期与可靠度的概念探讨非一致条件下频率分析中设计值的估计问题,并建立了一致/非一致性条件下计算方法的联系,保证了非一致性条件下水文设计成果与现行工程采用的成果之间的衔接与协调。     

考虑非一致性条件的淮河干流洪水分析

环境的变化和不确定性导致水文序列表现出非平稳特征,基于一致性条件的洪水风险分析忽略了气候变化和人类活动等因素的影响,会低估洪水风险。研究采用GAMLSS模型作为边际分布模型,以降水作为协变量,对淮河干流部分重要水文站点的年最大1 d流量和年最大15 d洪量序列进行非一致性频率分析,探究非一致性条件下洪峰和洪量设计值的变化。结果表明：在大洪水年份,基于一致性条件的洪峰和洪量边际分布设计值低于非一致性条件下的设计值。运用Copula函数构建两种条件下洪峰和洪量的联合分布模型,分析50年一遇的峰量同现超过概率,发现在大洪水年采用一致性条件下的同现超过概率容易忽略峰高量大的洪水风险。     

变参数PDS/GP模型及其在洪水频率分析中的应用

传统的洪水频率分析模型一般假定研究区域是完全均质的,未能考虑分布函数参数会随协变量而变化,忽略了水文序列时空上的异质性。本文将广义Pareto(GP)分布函数的参数作为随机变量,利用自动阈值法确定独立样本的超定量系列(PDS),并将线性矩法和核回归法相结合估计含协变量的模型参数,从而构建了可考虑水文序列时空分布异质性的变参数PDS/GP模型。丹江口水库实例研究表明:定参数模型的尺度参数估计值和设计洪水预测值均在变参数PDS/GP模型的估计区间内,这说明本文提出的变参数PDS/GP模型能够更好地反映参数变化对模型不确定性的影响。而且,变参数PDS/GP模型的估计区间随重现期的增大而变宽,表明频率分析外延存在较大的不确定性,有必要考虑丹江口水库水文序列时空分布的异质性。     

论变化环境下的地表水资源评价方法

由于受气候变化和人类频繁活动的影响,用于水资源评价计算的天然年径流序列失去了一致性。针对非一致序列的“还原”和“还现”计算方法不能反映不同时期环境变化的问题,从水文变异诊断系统、考虑土地利用和覆被变化的流域水文模型、适应变化环境的非一致性序列水文频率计算方法3方面论述了变化环境下的地表水资源评价方法,指出水文变异诊断系统可以识别非一致性年径流序列发生变异的形式和时间。采用考虑土地利用/覆被变化的流域水文模型或适应变化环境的水文频率计算方法,可以从成因途径或统计途径得到反映过去、现在和未来变化环境下地表水资源量的评价成果。     

应对水文序列非一致性变化影响的溯源重构法研究

水文序列的非一致性特征导致多种常用水文分析计算方法在理论上陷入瓶颈,因尚未得到有效的解决,仍需不断探索研究。从因变量与自变量关系的角度看,引起水文变量非一致性变化的原因是影响因子自身的非一致性变化。据此,针对单个影响因子作用于水文变量的规律,提出源函数概念,依据水文变量与影响因子源函数间的统计乘积模型,构建新的函数,并据此函数将非一致性变化的影响因子的作用从原序列中剔除,实现了非一致性序列向新的一致性序列的转化。本文称该方法为溯源重构法。获得的重构序列可用于以一致性序列为基础的分析计算工作。对陕西省佳芦河流域非一致性年最大洪峰流量序列的应用研究表明,溯源重构法不仅能有效消除序列的线性、非线性趋势以及突变等三种非一致性特征,且重构序列的分布更符合原序列的抽样属性。相比于分解合成法仅能去除序列的一阶矩趋势,溯源重构法在去除一、二阶矩的非一致性上均能发挥作用。     

基于Copula 函数的非一致性洪水峰量联合分析

传统的洪水单变量频率分布形式不能反映在变化环境下洪水序列的真实分布情况,且不适合构建洪水多变量联合分布进行洪水特征的多变量联合分析。以大清河南支沙河上游王快水库入库年洪峰序列和年最大6日洪量序列为基本数据,基于各序列变异点诊断结果,运用混合分布法确定各序列的理论分布,并以此为边缘分布,采用Copula函数法构建其二维联合分布,对两变量重现期及特定条件下的洪峰和洪量条件频率进行了分析,计算了两变量联合分布设计值。结果表明,非一致性洪水单变量重现期介于二维联合重现期与二维同现重现期之间;当峰量具有较高相关性时,发生超过某一频率洪峰设计值的洪峰,会有较大可能发生超过同频率洪量设计值的洪量。基于两变量联合分布得到的洪峰、洪量设计值比单变量同频率法得到的设计值偏大,从工程设计角度偏于安全,对防洪控制是有利的。     

融合ARIMA模型和MCMC方法的非一致性设计洪水计算

常规非一致性频率分析方法在选择协变量、建立统计参数与协变量的函数关系方面均存在主观性,且仅获得设计洪水估计值,不能同时进行不确定性分析。为改进上述不足,建立了ARIMA-MCMC模型,在贝叶斯MCMC方法抽样过程中考虑统计参数拟合期内的时变性,进而对未来气候变化条件下的非一致性设计洪水频率分布模型参数进行抽样,基于参数后验分布进行设计洪水计算,并推求相应的置信区间。选取雅砻江流域小得石水文站作为分析对象,采用ARIMA-MCMC模型定量评估未来气候变化条件下小得石站设计洪水的变化情况。结果表明：基于ARIMA-MCMC方法的参数抽样收敛效果较好,3种情景下的模型统计量D均小于显著水平5%的临界值;除SSP2-4.5情景下P=0.1%和P=0.05%的设计值外,其他情况的设计最大日流量较历史期均明显增加,其中SSP1-2.6、SSP5-8.5情景下的增幅分别为7.1%～10.5%、13.9%～27.2%。本文建立的ARIMA-MCMC方法能够有效进行非一致性设计洪水频率分析。     

基于基流退水过程的非一致性枯水频率分析

枯水流量频率研究在水资源管理中具有重要作用。在气候变化和人类活动的影响下,水文极值序列的频率分布随时间变化。近年来,非一致性水文系列频率分析作为一项新课题逐渐被水文学者重视和研究。非一致性序列的频率计算方法主要集中于洪水和年径流,而对枯水频率研究不足。本文探讨了流域基流退水和降雨特征对河道枯水流量的重要影响,并通过结合基流退水分析和广义回归模型,研究了基于基流退水过程的非一致性枯水频率分析方法。以渭河为实例,结果表明:以流域退水参数和降雨参数为协变量的非一致性模型更好地描述了渭河华县站枯水流量分布特征的变化;渭河华县站枯水流量总体呈减少趋势,主要原因是基流退水速率加快、日平均降雨深减少以及降雨事件平均时间间隔增加。研究成果对变化环境下水资源供水设计管理、河流生态系统保护以及旱灾风险管理等问题具有实践意义。     

Copula函数在水文多变量分析计算中的问题

基于Copula函数的水文多变量分析是统计水文学新兴的研究领域,经过20多a的研究和实践,Copula函数已被应用于洪水、暴雨、干旱和枯水概率等多变量分析计算,研究成果丰富了Copula函数理论体系,拓宽了Copula函数的应用领域。根据国内外有关研究进展,从Copula函数的主要类型、Copula函数在水文应用中面临的几个问题等方面总结了实际计算研究面临的计算问题。在此基础上,提出了基于Copula函数水文多变量分析计算研究的建议:①非平稳多变量联合概率分布与设计值计算的实用化;②提高Copula函数的参数估计精度;③提高随机变量和、差、积、商分布计算的精度。     

基于GAMLSS模型的大渡河流域极值降水非一致性分析

以GAMLSS模型为基础,分析大渡河流域降水频率的非一致性特征,并将时间和多项气候因素作为解释变量进行参数拟合。结果表明,大渡河流域年最大日降水序列均呈现不显著变化的趋势,与一致性模型相比,大渡河流域降水序列的时间非一致性的特征不明显,而气候指标可以更好地反映大渡河流域降水非一致性的特征,表现为所有气象站点GAIC值与一致性模型的值相比明显减少。GAMLSS模型可以模拟水文序列的方差、偏态系数等其他统计参数非线性变化趋势,能够反映水文序列的非一致性特征。     

变化环境下雅砻江流域水文极值演变及不确定性分析

为了探讨环境变化前后雅砻江流域的水文极值演变特征及不确定性,以雅砻江流域雅江水文站和洼里水文站为代表站,基于年极大值和超门限阈值样本,结合序列变异理论、多种极值统计模型(GEV、GPD、P-III)和轮廓似然函数参数估计及不确定性分析方法,分析了变化环境下雅砻江水文极值序列演变特征。结果表明:受气候变化和人类活动的影响,雅江水文站和洼里水文站环境变化前后的最优分布线型由P-III型分布转变为GEV分布。环境变化后的水文极值序列相应设计流量增大,重现期变小。设计值估算中,重现期越长,相应设计流量的不确定性也越大,其中参数的不确定性对于设计值的影响最为显著,但极值选样及分布函数的不确定性也不容忽视。轮廓似然函数法的使用可有效降低设计值不确定性,基于极值理论与轮廓似然函数估计法进行变化环境下水文极值演变分析可提高设计值的可靠性。研究成果可为雅砻江流域水库设计管理及防洪规划等提供参考。     

基于统计推断的GEV分布水文频率计算充分样本长度研究

针对水文频率计算样本长度的充分性问题,本文根据最大似然估计量的渐近正态性质,界定了充分样本长度的概念,将bootstrap与Shapiro-Wilk正态性检验相结合,确定给定水文序列不同设计频率计算所需的充分样本长度。该法不依赖于模型及经验法则,可避免主观因素的影响,能够应用于水文实际计算。为验证方法的可行性,选取广义极值（GEV）分布进行数值模拟分析,计算不同频率下设计值计算所需的充分样本长度na,在此基础上,选用相对置信区间（RCI）、平均相对误差（RMAE）为评定误差指标,应用曲线拟合法,定量分析不同参数、频率、参数估计方法与样本长度间的潜在关系。数值模拟结果表明：（1）通过正态性检验,验证了文中方法的合理性,采用误差指标曲线对推导结果na进行分析,在不同参数、频率下均表现出充分样本长度na规律性,论证了文中方法的正确性。（2）误差指标与样本长度表现为幂率函数关系,当样本长度达到一定样本量时,两种参数估计方法的RCI、RMAE拟合曲线出现交叉点,交叉点后最大似然估计法表现出良好的估计性能。（3）在10%~75%的频率范围内,样本长度30基本满足不同参数、不同参数估计方法下参数估计的充分条件,而在该频率范围外,充分样本长度远大于30,且重现期越大,所需样本长度越大。最后,将文中方法应用于国内8个典型径流、降水和洪峰序列,对实例计算结果进行方差分析（ANOVA）检验,进一步论证了方法的可行性。     

基于极值同频率法的非一致性年径流过程设计方法--以跳跃变异为例

由于气候系统变化和高强度人类活动的影响,天然年径流序列失去了一致性。为了适应变化环境对工程水文分析计算的新要求,本文以跳跃变异为例提出了基于极值同频率法的非一致性年径流过程设计方法:首先,采用水文变异诊断系统对不同时间尺度径流序列进行年际和年内分配情势变异分析;其次,根据年际变异和年内分配情势变异的时间点,将径流序列分段;再次,基于径流年际变异诊断结果,采用变化环境下非一致性水文频率计算方法计算不同时间尺度径流量变异前后过去不同保证率下的设计值;最后,基于径流年内分配变异诊断结果,在径流年内分配变异前后利用极值同频率法进行年径流过程设计。以东江岭下站为例,进行了非一致性年径流过程设计,并与未考虑"非一致性"影响的年径流过程设计结果进行了比较,发现岭下站设计年径流过程受"非一致性"影响显著,该结果可为东江流域水利工程的规划设计提供参考和依据。     

基于径流丰枯分类的月水量平衡模型参数响应研究

针对变化环境下水文模型参数的时间变异性如何影响径流模拟的准确性问题,提出依据径流丰枯分类后对水文模型分别率定和验证。通过常规法和集对分析法对清江流域径流丰枯分类,并将不同径流丰枯年份对应降水、蒸发输入到两参数月水量平衡模型中,率定各丰枯类型下的模型参数值,并分析不同频率的径流差异情况。结果表明:集对分析法分类后两参数月水量平衡模型的C参数值规律为枯水年平水年丰水年,常规法则为枯水年平水年丰水年; SC参数值的规律在两种方法下表现类似。从年际变化看,模型效率系数基于集对分析法分类时较大,且对于不同丰枯年份下的径流模拟更接近实测值。从年内分配看,基于集对分析法的不同频率高、中、低水相对误差综合表现优于常规法。基于此进行的交叉模拟进一步发现,使用比当前状态偏湿润年份的参数值,得到的径流响应均为增大;反之则径流响应均为减小,且所使用参数值条件与基准条件变化的幅度越大,径流响应增大或者减小的幅度就越大。     

设计洪水计算方法研究进展与评价

设计洪水是确定水利工程建设规模及制定运行管理策略的重要依据,国内外已经开展了大量深入的研究。本文系统总结了国内外洪水频率分析方法,包括抽样方法、分布线型、经验频率公式、参数估计方法、设计洪水过程线、历史洪水、区域洪水频率、PMP/PMF、分期和梯级水库设计洪水等方面的研究进展,重点阐述了中国近30年来的主要研究成果,并讨论了存在的主要问题和不足。从四个方面归纳了当前设计洪水研究的前沿与热点问题:即多变量设计洪水计算、非一致性洪水频率分析、基于水文物理机制的洪水频率分析和设计洪水不确定性研究,并展望了中国设计洪水计算未来的研究重点和方向。     

Characterisation of Drought Properties with Bivariate Copula Analysis

Drought severity and duration are usually modelled independently. However, these two characteristics are known to be related. To model this relationship, a joint distribution of drought severity and duration using a bivariate copula model is proposed and applied to daily rainfall data (1976–2007) of 30 rain gauge stations in Peninsular Malaysia. The drought characteristics are classified using the standardized precipitation index (SPI) and their univariate marginal distributions are further identified by fitting exponential, gamma, generalized extreme value, generalized gamma, generalized logistics, generalized pareto, gumbel max, gumbel min, log-logistic, log-pearson3, log-normal, normal, pearson 5, pearson 6 and weibull distributions. The three-parameter log-normal distribution is identified as the best fitting distribution for drought severity while the generalized pareto distribution is determined as the most appropriate distribution for drought duration with respect to the application of the Anderson-Darling procedure. The dependency among the drought properties is analysed using Kendall’s τ method. The maximum likelihood estimation of the univariate marginal distributions and the maximisation of the bivariate likelihood are employed to compute the Akaike Information Criterion (AIC) values in verifying the best fitting copula distribution. The Galambos distribution is recognised as the most appropriate copula distribution for describing the relationship between drought severity and duration. The conditional drought probability and drought return period are further described to explain the drought properties comprehensively. The probabilities of drought occurrences under certain circumstances with a specific seriousness or duration can be determined in order to verify the possibility of drought episodes. The return period of a recurrent drought has also been investigated to identify the time-interval for repeated drought occurrences under similar situation.     

基于地区线性矩法对四川省水文频率分析的研究

为了促进地区线性矩法在水文频率分析领域的研究与应用并改进我国传统水文频率分析的研究成果,为四川省的防洪工作提供一定的参考,根据地区线性矩法的基本思想和原理,对四川省共计150个国家自动气象站点的年最大日降雨序列进行分析,对四川省进行水文气象一致性区域划分,并确定各区域的最优频率分布线型。根据各个一致性区域的最优频率分布线型,估算出各个站点不同重现期下的设计值。此外,还把地区线性矩法与传统水文频率分析法估算的结果进行比较分析。结果表明:四川省可以划分为9个水文气象一致性区域;水文气象一致性区域1区、2区、3区、5区、6区、7区、8区、9区的最优频率分布线型均为广义逻辑斯蒂分布(GLO),4区的最优频率分布线型为广义极值分布(GEV);水文气象一致性区域3区、4区、6区为主要暴雨区。随着重现期增大,利用传统方法得到的设计值总体偏低。