条件期望在两变量洪水频率分析中的应用

针对现行单变量洪水频率分析计算方法无法考虑洪水要素之间的相关性这一不足,采用Copula函数构建洪水峰、量之间的二维联合分布,根据条件期望的原理,提出了一种推求两变量设计洪水的新方法。以清江隔河岩水库为例,计算了1 000 a一遇的两变量设计洪水,推求了对应的设计洪水过程线,并与单变量设计值进行了比较。结果表明,两变量设计值大于单变量设计值,两变量设计值对应的水库调洪最高水位略高于单变量设计值。由于两变量频率分析考虑了洪水峰、量之间的内在相关性,更符合水文现象的内在规律,所推求的两变量条件期望设计值组合相对于单变量设计值而言也是偏安全的。所提方法为洪水频率分析提供了一条新途径。     

两变量防洪风险模型研究

针对传统设计洪水过程线推求方法所存在的局限性,采用Copula函数建立洪峰和洪量的两变量联合分布,对洪峰和洪量设计值进行联合随机模拟,同时根据随机模拟值与实测洪水过程特征量的相似性来选择典型洪水过程,并基于多变量重现期,建立了两变量防洪风险分析模型。以清江流域隔河岩水库为例,分析不同汛限水位对应的极限风险率和漫坝风险率。研究结果表明：① 隔河岩水库汛期运行水位可确定为193.6m,在预报长江将发生大洪水时,可将水位提前降低至192.2m,不会增加水库的防洪风险;② 当汛限水位继续抬高至194.0m时,尽管极限风险率变化不大,但漫坝风险率成倍增加。所提出的模型可以充分考虑洪水过程的随机性和不确定性,可为流域水库的防洪设计和安全运行提供参考。     

泾河流域水沙联合分布特征分析及其不确定性评估

径流与泥沙是非独立的二维随机变量,若要对流域实现水沙并举的科学管理方案,开展水沙联合概率分析显得尤为必要。而在联合概率分析中,水沙样本系列容量一般较小,使得联合设计值估计具有不确定性。以泾河流域为例,本文提出基于蒙特卡洛法的两变量联合设计值不确定性量化方法。该方法基于Copula函数建立水沙联合分布模型,推求两变量联合设计值的最可能组合模式,利用蒙特卡洛抽样法分析样本不确定性对水沙联合设计值的影响,计算两变量设计值置信区间。结果表明,OR重现期为20年的情况下,联合设计值95%二元置信区间表现出较大的不确定性,对流域工程设计值的确定提出了巨大挑战,且随着重现期水平的增加,联合设计值的不确定性随之增加。     

基于两变量分布的峰量联合分析

采用Gumbel 逻辑模型建立基于超定量取样的两变量联合分布,利用所建立的联合分布,给出了条件频率和两种两变量重现期的计算方法。以隔 河岩水库坝址洪水研究为例,分析了当洪峰超过其某一频率的设计值时,各不同频率的设计 洪量发生的条件频率,并对同频率设计值组合的两变量重现期进行了计算。研究表明在推求 设计洪水过程线时,洪峰和洪量同频率的假定并不是过于偏保守,甚至还存在一定的风险, 作为设计方法中的假定,具有一定的合理性。     

基于峰量联合分布推求设计洪水

洪水事件一般由洪峰与时段洪量等多个要素组成,各要素间通常存在较强的正相关性,应进行多变量联合分析。在进行多变量洪水频率分析时,对于给定的联合重现期水平,存在满足防洪标准的无穷多种峰、量组合,但并非所有的组合都符合水文事件的内在规律,只有在一定的范围内取值才是合理的。本文基于Copula函数构造洪水峰、量之间的二维联合分布,提出了一种确定两变量取值边界的方法,推导了两种具有统计意义的两变量联合设计值组合,即两变量同频率组合和条件期望组合。以清江流域隔河岩水库为应用实例,结果表明,两变量设计值组合对应的水库调洪最高水位高于单变量设计值,但差别不大,从防洪安全的角度考虑,推荐采用两变量同频率组合作为水库防洪设计值。所提方法拓展了多变量洪水频率分析技术在水利工程实际中的应用范围。     

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。     

基于Copula函数的桃林口水库防洪风险分析

为了对桃林口水库进行防洪风险分析,采用阿基米德Gumbel-Hougaard Copula连接函数,构建了入库洪峰与洪量的两变量联合分布模型,由随机抽样模拟洪峰和洪量系列,然后基于洪水类别生成洪水过程线。同时综合考虑了水库泄洪能力与水位库容关系水力不确定性因素,采用Monte Carlo法计算桃林口水库在现行常规调度条件下不同风险因子组合对应的水库调度风险定量关系。结果表明,桃林口水库防洪风险系统最主要的控制因素是水文风险,水力风险影响次之。降低汛限水位及采取合理的控泄方式可极大地减轻下游的防洪压力,而该调度方式下水库本身的风险率很小。研究成果为当地水库管理与防汛部门制定科学、合理的防洪规划,为未来合理利用洪水资源探索汛限水位动态化管理提供一定的参考。     

基于WetSpa模型的设计洪水计算

分别根据长期的流量资料、广东省推理公式法,基于WetSpa分布式水文模型,推求广东省流溪河水库流域设计洪水。基于WetSpa模型推求设计洪水结果与广东省推理公式法相比,基于WetSpa模型推求设计洪水结果比根据长期流量资料计算结果更接近,说明基于WetSpa模型推求设计洪水是可行的。利用WetSpa模型推求设计洪水只需要知道流域的DEM、土地利用类型、土壤类型以及少量的降雨洪水资料。流域的DEM、土地利用类型、土壤类型数据可通过互联网免费下载,所以WetSpa模型为短缺资料地区推求设计洪水提供了新的参考。     

南湖水库设计洪水分析

对有关地区没有水文资料和相关方面的水文模型研究成果,采用相邻地区设计洪水计算方法,推求其设计洪水。文章以齐齐哈尔市南湖水库为例推求其设计洪水,基本满足工程设计要求。     

基于神经网络与遗传算法的洪水分类预报研究

针对水文模型参数的不确定性,对洪水进行分类预报,不同类型洪水采用不同预报参数,旨在提高洪水预报精度。基于BP神经网络模型,依据分类因子选取原则,选取6项具有代表性的影响因子作为模型输入,可将洪水划分成高、中、低3类。基于遗传算法,对3类洪水进行参数率定,获得3组不同的参数组,最终利用训练好的分类预报模型实现不同类型洪水的变参数预报。以大伙房水库25场历史典型洪水进行实例验证与分析,结果表明:分类预报结果的洪峰误差、峰现误差、确定性系数及典型洪水过程的拟合效果明显优于分类前。经训练后的基于BP神经网络与遗传算法的洪水分类预报模型可较好适用于大伙房水库,结果更贴合实测值,效果整体上优于分类前,方法可行、有效。     

Uncertainty Analysis of Bivariate Design Flood Estimation and its Impacts on Reservoir Routing

The bivariate hydrological quantile estimation may inevitably induce large sampling uncertainty due to short sample size. It is crucial to quantify such uncertainty and its impacts on reservoir routing. In this study, a copula-based parametric bootstrapping uncertainty (C-PBU) method is proposed to characterize the bivariate quantile estimation uncertainty and the impact of such uncertainty on the highest reservoir water level is also investigated. The Geheyan reservoir in China is selected as a case study. Four evaluation indexes, i.e. area of confidence region, mean horizontal deviation, mean vertical deviation and average Euclidean distance, are adopted to quantify the quantile estimation uncertainty. The results indicate that the uncertainty of quantile estimation and the highest reservoir water level increases with larger return period. The 90% confidence interval (CI) of highest reservoir water level reaches 1.56 m and 2.52 m under 20-year and 50-year JRP respectively for the sample size of 100. It is also indicated that the peak over threshold (POT) sampling method contribute to uncertainty reduction comparing with the annual maximum (AM) method. This study could provide not only the point estimator of design floods and corresponding design water level, but also the rich uncertainty information (e.g. 90% confidence interval) for the references of reservoir flood risk assessment, scheduling and management.     

基于广义极值分布和Metropolis-Hastings抽样算法的贝叶斯MCMC洪水频率分析方法

广义极值（GEV）分布是国内外洪水频率分析建模中广泛应用的一种概率分布。本文将水文频率分布线型的未知参数看作随机变量，通过基于Metropolis-Hastings抽样算法的贝叶斯MCMC方法估计GEV分布参数和设计时段洪量的后验分布，并据此进行极值洪水的频率分析。汉江流域丹江口水库年最大1日（3日、5日、7日）洪量频率分析的结果表明了本方法的有效性和实用性。主要结论包括：基于Metropolis-Hastings抽样的MCMC模拟在GEV分布参数的贝叶斯估计计算中行之有效；由于利用了与似然函数渐近性质无关的先验信息，贝叶斯估计方法得到的高分位数设计洪量的后验分布比经典统计方法得到的设计洪量能包含更多的信息，从而能表达由于参数不确定性而引起的预测不确定性。该方法能显著地通过分位数图、PPCC法、均方根误差法、K-S法等多种拟合优度检验方法，拟合效果不亚于其他常用的经典统计方法。     

Flood Frequency Analysis of Interconnected Rivers by Copulas

Flood frequency analysis (FFA) considering the confluence of interconnected rivers is important for hydraulic structures (such as dams or diversions) design, but it has received little attention. This study develops a copula-based method for FFA and quantile estimation considering the confluence of two interconnected rivers, along with the uncertainty estimation by a nonparametric bootstrapping algorithm. Flood probability distribution and return periods are estimated for the two rivers by mapping from bivariate to univariate peak flow quantile estimation. The methodology is applied to the case study of Qezel Ozan and Shahrud Rivers which merge to one of the largest reservoir dams in Iran: Sefidrud (Manjil) dam. According to the results from Peak flow records from Gilvan station (GPF) at Qezel Ozan River and from Loshan station (LCF) at Shahrud River, Gaussian copula with Weibull and gamma margins fits best. Also, it shows that some peak flow quantiles with the same magnitudes have a different probability of occurrences at the confluence of the rivers, and the bivariate estimation uncertainty usually plays an important role in FFA. These findings suggest the use of bivariate instead of univariate distributions to the peak flows at the confluence of interconnected rivers, in which the sampling uncertainty should be considered.

     

基于随机模拟和并行计算的水库防洪调度风险分析

由于洪水预报、洪水类型、工程状态、管理决策等诸方面不确定性因素,水库实际防洪调度不可避免地存在各种风险,水库防洪调度风险分析研究显得尤为重要。为确保防洪安全,降低大坝及下游综合洪灾损失,对水库防洪调度风险分析进行了全面梳理,分析和识别了水库防洪调度风险的关键影响因素,探明了洪水预报误差、不同典型洪水、初始起调水位和防洪调度滞时等不确定性因素。研究了基于蒙特卡罗随机模拟的不确定性因素模拟手段,建立了并行计算模式下水库防洪调度风险分析模型及其计算流程,并定量分析了不确定条件下的水库防洪调度风险。相关成果可为快速方便、科学合理的水库防洪调度运行方式和安全管理提供技术支持。     

两变量洪水结构荷载重现期与联合设计值研究

目前常用的两变量洪水重现期所判定的危险事件和表征的水库大坝水文失事情景都存在不符合实际的情况。本文以超过坝前最高水位的频率来度量防洪安全设计标准,开展两变量洪水结构荷载重现期与最可能联合设计值计算方法研究。以清江流域隔河岩水库为例,进行应用和比较研究。实例结果表明:与结构荷载重现期相比,"OR"和"AND"重现期最可能联合设计值的设计标准分别系统偏高和偏低,Kendall和生存Kendall重现期也存在不同程度的偏低或偏高。结构荷载重现期考虑了洪峰、洪量与水库调洪规则的交互作用,符合设计洪水的实质内涵,能够达到指定的防洪标准,可为水库防洪安全设计和风险分析提供更加科学合理的依据。     

贯入法及冲击筛分法检测砌体抹灰 砂浆强度研究

为了解现有的砌筑砂浆强度检测方法的适应性,进行了试验研究。试验中主要采用了贯入 法、冲击筛分法检测普通粘土砖砌体28 d抹灰砂浆的强度,并辅以点荷法,立方体抗压强度予以对 比分析。结果表明,冲击筛分法可以用作普通粘土砖砌体28 d抹灰砂浆强度的检测,而贯入法需要 进一步研究,以获得准确的抹灰砂浆强度回归曲线,方可用于现场检测。