基于GAMLSS的雅砻江流域极端降水时空特性研究

由于气候和环境变化,气象水文时间序列的非平稳性特征普遍存在,直接影响防洪兴利工程的设计和运行。研究基于MK趋势检验和GAMLSS非平稳性分析,以雅砻江流域为研究对象,选取流域内18个气象站自建站至2016年日降水值数据集,基于9个极端降水指标,分析降水极值的时空变化趋势,研究时间序列的非平稳性特征对频率设计值的影响。     

考虑非平稳性特征的雅砻江流域洪水量化分析

以雅砻江流域为研究对象,采用趋势分析、GEV分布、P-III分布和GAMLSS模型研究流域内8个水文站实测年最大洪峰流量系列的渐变、突变特征和非平稳性。研究发现,流域内年最大洪峰流量GEV分布以形状参数为负的薄尾分布为主。对于平稳序列,通过对比P-III,GEV和二参数GAMLSS模型优选成果,发现与薄尾GEV分布和GAMLSS优选模型相比,研究案例的P-III目估适线成果偏大。对于非平稳系列,GEV分布需要充分考虑参数的时变特征和尾部特点。     

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。     

变化环境下大清河山区典型流域洪水演变规律研究

在中国各大流域中,海河流域水文情势受环境变化的影响最为显著,深入研究环境变化对流域洪水演变的影响具有重要的实践意义。选取海河流域中部大清河山区紫荆关水文站以上和阜平水文站以上2个典型子流域,利用两站1960—2018年年最大洪峰对应的洪水过程和降水量资料,运用数理统计等方法分析流域洪水过程、径流系数和产流阈值的变化,采用时变参数模型GAMLSS分析非一致性条件下洪水频率的变化情况。结果表明：2个子流域1960—2018年的洪峰流量序列均呈显著下降趋势,且不同阶段洪量及径流系数的均值也呈现持续下降趋势。2个流域2000—2018年产流阈值的均值分别为14、16 mm,下垫面变化引起的水文非一致性对设计洪水值的影响显著,在未来水文分析计算中应重视环境变化对水文序列的影响。     

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。     

汦河流域洪水特性分析

以汦河流域气候特征和降雨情况为研究对象,通过分析汦河流域各站建站以来至2021年的实测暴雨洪水资料,统计其次暴雨量和次洪量、洪峰流量、洪峰滞时等水文要素。采用线性趋势回归分析和Mann-Kendall非参数秩次相关检验法研究水文时间序列的变化趋势,以及有序聚类等方法来分析水文时间序列的突变,揭示了区域区暴雨洪水产生的机理及规律,推动了山丘区中小河流流域洪水预报模型的发展,为区域暴雨洪水灾害精准防控及风险应对提供有力技术支撑。     

非平稳时间序列极值统计模型及其在气候-水文变化研究中的应用综述

伴随全球气候变暖和平均海平面持续上升,极端气象事件出现的频率增加、强度增大,气候变化已经成为导致水文极值非平稳性的一个重要原因。本文总结了气候-水文变化研究中常用非平稳时间序列极值统计模型的结构以及统计推断方法,从降雨极值变化、洪水极值变化等方面分析了非平稳时间序列极值统计模型在气候-水文变化研究中的典型应用案例。国内外研究表明:非平稳时间序列极值统计模型能体现水文极值随时间或协变量的变化情势,非平稳情况下水文极值重现期和风险的概念和计算方法与传统平稳时间序列的频率分析相比存在显著差异。最后对需要进一步研究的问题进行了展望。     

基于时变矩模型的湄公河上游非一致性洪水频率分析

以湄公河上游为研究案例,基于清盛水文站1960-2019年逐日流量观测数据,采用时变矩模型进行非一致性洪水频率分析,探讨梯级水库建设对洪水频率的影响。结果表明：清盛水文站年最大日流量序列呈显著减小的非一致性特征;清盛水文站广义逻辑斯谛分布搭配均值具有线性趋势的模型拟合最优;与传统频率分析方法相比,时变矩方法计算得到的100年一遇设计流量随时间呈减小趋势,重现期随时间呈上升趋势。湄公河上游梯级水库尤其是糯扎渡水库运行后明显减小了清盛水文站100年一遇的洪峰流量,对下游防洪具有积极作用。     

变化环境下时变标准化径流指数的构建与应用

变化环境下,干旱指数可能表现出非一致性特征。本文假设径流序列为二阶非平稳序列,建立以时间为协变量的时变矩GAMLSS模型,该模型采用非一致性Gamma分布拟合实测径流序列,并基于该模型计算出的时变标准化径流指数SRIt,与传统指数SRI进行对比分析,以验证其合理性与必要性。结果表明:基于时变矩模型的时变标准化径流指数SRIt更适应于潘家口水库流域变化环境下水文干旱的评价。时变标准化径流指数SRIt的值整体上比基于一致性模型的指数SRI偏小,即所表示的干旱程度更加严重,主要是因为时变矩GAMLSS模型能够反映出变化环境下径流序列的变化趋势,该趋势是影响径流的一系列因素共同导致的,如气候变化,人类活动等。而在受这些因素的影响下,潘家口水库流域的水文干旱事件频率增加,严重程度增强。     

分位数回归和GAMLSS模型在非一致性洪水频率分析中的比较

为了探索分位数回归模型在非一致性频率分析中的适用性,分别采用分位数回归模型和GAMLSS模型对渭河流域以及珠江流域5个站点的年最大洪水序列进行非一致性频率分析。模型概率覆盖率定性分析结果显示,分位数回归模型拟合效果优于GAMLSS模型;Filliben相关系数定量分析结果显示,GAMLSS模型拟合效果更好但优势不明显。综合分析可得,分位数回归模型的拟合优度整体优于GAMLSS模型。     

飞来峡水利枢纽基于DEM的分布式流域水文预报模型

利用飞来峡水利枢纽建库运行后的水文资料,建立基于DEM的分布式水文预报模型,对参数进行率定,并进行预报模拟。从模拟结果看,模型确定性系数、洪峰相对误差、径流总量相对误差等指标基本在可接受范围内,对大部分场次洪水的预报精度较好,洪峰流量合格率也较好,但整体上对洪峰的模拟值偏低,预报精度有待进一步提高。今后随着资料的不断延长和积累,对参数进行重新率定,其预报结果可应用于预报作业中。     

水文序列非一致性对其参数估计不确定性影响研究

随着气候变化、人类活动影响的加剧,水文序列一致性条件遭到破坏,本文选择下垫面变化剧烈的西大洋水库控制流域为研究区域,采用水文变异诊断系统,分析其年最大洪峰流量序列的变化趋势及变异点,确定序列变异形式,并对非一致性洪峰流量序列进行还原修正;根据贝叶斯理论将先验信息和样本信息有机结合,采用Gibbs-MCMC算法对修正前后的P-Ⅲ型频率分布曲线参数不确定性进行估计,给出了参数95%置信区间。将估计后的参数与适线法耦合进行水文频率分析计算,得到修正前后设计频率洪峰流量预估区间。选取覆盖率、平均带宽、平均偏移度等3个指标对修正前后预报区间优良性进行评价,其中覆盖率修正后比修正前提高17.10%,平均带宽修正后比修正前减少15.77%,平均偏移程度修正后比修正前减少3.27%,可见,对于人类活动影响较大的非一致性水文序列进行一致性修正可使得预报不确定性区间的可靠性得到提高。     

梅江松源河段非一致性水文频率分析

随着气候变化以及人类活动的影响,水文要素时间序列的一致性受到广泛质疑,传统水文频率分析已经不能满足日益精进的水文设计精度要求,如何将非一致性水文要素时间序列转化成符合一致性要求的序列是当今水文数据处理研究的重点。该文以梅江流域松源河上的宝坑站为例,进行水文变异以及非一致性水文频率分析。采用Mann－Kendall检测法以及Lee－Heghinian法对宝坑年径流量进行突变点检验,将水文变异序列进行基于趋势分析的非一致性水文频率分析以及基于两P－Ⅲ混合分布的非一致性水文频率分析。结果显示：宝坑站年径流量序列在1983年发生了变异;经过一致性修正后,百年一遇年径流量比原始序列减小了3．10％。     

黄河流域典型三级区蒸发序列非一致性分析

为研究蒸发序列非一致性,增强水文频率计算的稳定性,以黄河流域典型三级区蒸发序列为研究对象,以GAMLSS模型为基础,选择黄河流域5个典型水资源三级区,引入时间t作为解释变量进行参数拟合,分析各三级区年、汛期、非汛期蒸发序列的非一致性特征。采用Kendall法进行趋势检验,Mann-Kendall法和5 a滑动T检验法进行突变检验。分析结果表明:(1)伊洛河、三门峡—小浪底区间、花园口以下干流区间的蒸发序列突变较为明显,大夏河与洮河、湟水蒸发序列的突变存在一定的差异;(2)5个三级区不同时间尺度的蒸发序列以Generalized Gamma为最优分布的最多,Logistics的最少;(3)5个三级区不同时间尺度的蒸发序列除部分序列外,均与时间t成负相关,大部分蒸发数据均包含在置信水平为5%和95%的置信区间内,表明不同时间尺度的蒸发序列的GAMLSS模型拟合效果较好;(4)5个三级区蒸发序列非一致性特征较为明显,以花园口以下干流区间年、非汛期蒸发序列的非一致性特征最为明显。     

西藏稀缺资料地区洪峰流量推求

洪峰流量是水利工程规划设计、工程建设和运营管理的重要依据,对水利工程的投资规模和安全运行有着重要的意义。西藏地区主要水文测站实测洪峰流量(Instantaneous Peak Flow,简称:IPF)资料稀缺,而按水位计算整编的日径流资料(Mean Daily Flow,简称:MDF)相对较多。通过构建实测资料时段的洪峰流量与对应日平均流量间的函数关系,基于长序列的日径流资料估算洪峰流量,延长洪峰流量序列,为设计洪水提供数据支撑。研究结果表明:(1)西藏地区主要水文测站IPF～MDF函数关系稳定,利用这种函数关系由实测MDF推求的IPF误差均在10%以内,且延长后的IPF序列频率分析计算结果更加合理;(2)对于实测MDF序列缺乏的测站,可以通过气象资料驱动HIMS系统水文模块(Hydro Informatic Modeling Systerm)拓展MDF序列,在此基础上推求IPF序列。基于HIMS系统水文模块对西藏三条典型河流(年楚河、拉萨河和尼洋河)的日径流序列进行了模拟,结果表明,模型对日径流整体过程与高流量值的模拟效果均良好。进而利用模型延长的MDF序列以及构建的IPF～MDF函数关系拓展了西藏三条典型河流2000年-2010年间的IPF序列。     

一种新的洪水频率分析方法研究

为解决采用参数法做洪水频率分析时的线型限制问题,同时避免非参数统计法计算过程中复杂的核函数选取问题,提出一种新的洪水频率分析手段,即基于概率密度演化法来推求洪水频率值。首先通过对概率密度演化法的介绍,给出了年最大洪峰流量联合概率密度函数模型;其次利用具有方向自适应性质的单边差分格式对模型进行数值求解,并对求解结果进行积分,得到洪峰流量概率密度函数值;最终,通过三次样条插值及梯形法由洪峰流量概率密度函数值推求洪峰流量频率值。分别以台湾石门水库及黑龙江省嫩江下游的大赉水文站为例,对其洪水频率进行分析。研究结果表明,同实际工程计算中经常应用的参数洪水频率分析方法相比,采用基于概率密度演化法得到的洪水频率曲线能更好地拟合于经验频率点据,是一种有效的水文频率分析方法。     

一种新的洪水频率分析方法研究

为解决采用参数法做洪水频率分析时的线型限制问题,同时避免非参数统计法计算过程中复杂的核函数选取问题,提出一种新的洪水频率分析手段,即基于概率密度演化法来推求洪水频率值。首先通过对概率密度演化法的介绍,给出了年最大洪峰流量联合概率密度函数模型;其次利用具有方向自适应性质的单边差分格式对模型进行数值求解,并对求解结果进行积分,得到洪峰流量概率密度函数值;最终,通过三次样条插值及梯形法由洪峰流量概率密度函数值推求洪峰流量频率值。分别以台湾石门水库及黑龙江省嫩江下游的大赉水文站为例,对其洪水频率进行分析。研究结果表明,同实际工程计算中经常应用的参数洪水频率分析方法相比,采用基于概率密度演化法得到的洪水频率曲线能更好地拟合经验频率点据,是一种有效的水文频率分析方法。     

伊洛河夹滩滞洪区对黄河下游洪水的影响

根据实体模型试验,对不同洪水频率及伊洛河夹滩地区大堤不同决口方式条件下黑石关站的洪峰流量和洪水过程进行了研究。结果表明:①伊洛河夹滩滞洪区对较大洪水具有显著的削峰、滞洪作用,在两岸大堤多处决口的情况下,100年一遇洪水的削峰率为23%,50年一遇洪水的削峰率为27%。②遭遇50年一遇洪水时,如果伊洛河夹滩滞洪区大堤决口,则黑石关站最大洪峰流量为7 963 m3/s;如果不决口,则黑石关站最大洪峰流量可达10 960 m3/s;遭遇100年一遇洪水时,即使夹滩滞洪区大堤决口,黑石关站最大洪峰流量也可达到10 153 m3/s;遭遇1 000年一遇洪水时,夹滩滞洪区大量滞洪,黑石关站洪峰可达14 989 m3/s。③如果夹滩滞洪区大堤不决口,则50年一遇和100年一遇洪水白马寺—黑石关的洪峰传播时间分别为7.30、6.82 h,龙门—黑石关的洪峰传播时间分别为10.26、9.90 h。     

1959～2020年洞庭湖四水洪水情势变异特性及归因分析

近几十年来,湖南四水(湘江、资水、沅江、澧水)的水文情势发生了显著改变,对湖区调洪与区域防洪产生了一定的影响。为深入认识四水洪水情势发生的复杂变化,采用水文变异诊断系统对近60 a(1959～2020年)来洞庭湖四水出口控制水文站点的年最大洪峰流量序列、年最高洪峰水位序列进行了变异特性及归因分析。结果表明：湘潭站洪峰、水位序列未发生变异;受降水突变式跃升的影响,桃江站洪峰流量、洪峰水位序列在1987年发生向上的跳跃变异;因站点断面的水位流量关系发生了变化,桃源站年最高洪峰水位序列在1989年发生向上的跳跃变异;因江垭、皂市水库联合调度的影响,石门水文站年最大洪峰流量序列在2003年发生向下的跳跃变异。     

祖厉河洪水过程模拟与预警GIS系统设计

针对水文测站在控制祖厉河洪水过程、把握洪水涨落时间、最大洪峰来临时间、最大洪峰流量和抢测洪峰中的困难,在实时水文信息系统数据库的基础上建立了基于ArcGIS Server的洪水过程模拟与预警系统,实现了祖厉河郭城驿段洪水过程的模拟,能够为水文测站的工作人员提供直观、实时、准确的洪水信息,使测站工作人员能更方便地了解洪水过程并掌握洪水过程的重要控制点信息,减小了抢测洪峰的压力和难度,提高了水情拍报的数据精度.