基于风险的非一致性设计洪水及其不确定性研究

研究非一致性条件下的设计洪水对水利工程规划设计、防洪决策等具有重要意义,当今国内外研究方法主要集中于时变矩法,然而,该方法对于某一设计频率推求出的每年一个设计值很难用于实际。水利工程设计需要量化两方面的基础信息,工程设计使用年限及设计使用年限内水文风险。本文尝试将水文风险的概念引入到非一致性条件下设计洪水研究当中,其中选取更具物理意义的气象因子作为洪水频率分析的协变量,进一步结合大气环流模型(General Circulation Model,GCM)输出数据的统计降尺度结果推求特定设计使用年限内某一水文风险下的设计洪水,并与传统以时间为协变量的情况进行比较。选取渭河流域洪水序列作为实例研究。结果表明:两种协变量情况下非一致性设计洪水及其95%置信区间相比于一致性假设情况存在明显差别,并且以气象因子为协变量的非一致性设计结果相比于时间为协变量更为合理。本文方法所得设计结果可为水利工程规划设计及防洪决策提供一定参考依据。     

基于跳跃性诊断的非一致性水文频率分析

气候变化及人类活动等的影响致使水文系列的一致性遭到破坏,传统频率分析方法对水文系列的一致性要求已很难满足。为此,探索非一致性水文系列的频率分析方法显得尤为重要。基于假定"发生跳跃性变异的实测系列存在着某种理想化的平稳性(一致性)状态,且这种平稳状态所具有的振动中心(即均值)是系列变异点前后两实测样本系列均值的线性组合",通过综合变异点前后两段系列,开展跳跃性变异系列的一致性修正及频率分析计算。应用该方法对黄河上游唐乃亥站1961—2007年的年径流系列进行了研究,结果表明:基于未修正系列和修正系列的水文频率计算结果存在明显差异,10 a一遇设计标准以上设计年径流量的差异幅度在6.7%以上;且随着设计标准的提高,差异表现得更为明显。     

汉江上游径流非一致性演变特征及频率分析

受全球气候变化及大规模人类活动的影响,导致流域径流产生变化,水文序列发生变异。基于汉江上游武侯镇、洋县、安康3个水文站点逐日径流数据,采用Mann-Kendall及Lee-Heghinan法进行非一致性检验,并将变异的水文序列进行基于趋势分析的非一致性水文序列修正计算,根据Pearson-Ⅲ频率分布曲线确定修正前后不同保证率设计值,以期为水利工程规划设计与管理提供参考。结果表明:3站年径流呈递减趋势,递减率自上游向下游递增,均有变异发生,且下游变异时间略滞后于上游,区间汇水是控制下游水量及突变的主要因素;武侯镇年最大日径流微弱增加,洋县与安康递减;经一致性修正,对应近期气候与下垫面条件下100年一遇洪水设计值较历史值变化显著。     

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％。     

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。     

混合分布在非一致性水文频率分析中的应用

传统水文频率分析方法的前提条件是水文极值系列需满足一致性要求,然而由于气候变化和人类活动的影响,使得水文资料的非一致性问题越来越突出,导致现行水文频率分析方法的应用受到挑战。根据重建的淮河流域1470年-1999年共530年夏季面平均降雨量长系列数据,进行分析,通过假设检验表明系列在1534年、1724年和1923年发生跳跃性变异,因而将系列划分为4个子平稳系列;采用现行频率分析方法估计每个子系列的概率分布函数,再根据混合分布概念由各子系列的概率分布构建一个综合的概率分布函数,作为非一致性降雨系列总体分布的估计。在此基础上,计算了给定设计标准下的设计值,并与基于大样本(530年)计算的经验设计值进行了对比,结果表明混合分布模型对观测系列具有较好的拟合效果。     

基于非一致性频率的全国旱灾损失风险分析

基于1949—1999年中国旱灾损失资料,运用启发式分割算法对旱灾损失序列进行变异点判定,并运用非一致频率分析方法对全国旱灾损失序列进行频率分析,得出基于不同时间段的3条近似平行的旱灾损失序列频率曲线,结果呈现出一种时序的规律性。结合1951—1998年中国年平均降水量资料,对结果合理性进行了分析。     

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。     

变化环境下基于回归分析的非一致性水文频率计算方法

基于非一致性水文频率计算原理的频率计算方法,存在确定性成分参数选取主观性强,无法反映多影响要素的问题。提出了变化环境下基于回归分析的非一致性水文频率计算方法,将该方法应用在鄱阳湖水位非一致性频率计算中。结果表明：鄱阳湖年均水位序列呈现出下降的趋势,枯水期出现的频率有所提升,重现期缩短,导致鄱阳湖干旱情况频发。分析结果与鄱阳湖实际的水位状况较为一致,该方法具有较好的可行性和可靠性。     

水文变异条件下基于Copula函数的非一致性干旱频率分析方法——以鄱阳湖为例

受环境变化的影响,时间序列的非一致性已对干旱频率分析造成越来越多的影响。针对目前干旱频率分析对时间序列“非一致性”考虑不足的问题,提出通过对时间序列的变异诊断、分时段干旱特征变量提取、Copula联合分布函数构建等过程,对水文变异条件下的非一致性干旱频率进行分析。以鄱阳湖为研究对象,采用非一致性干旱频率计算方法对湖口站1955—2015年的水位序列进行分析。结果显示:湖口站水位序列于2003年出现了跳跃向下的变异,水位变异后的干旱历时和干旱烈度比变异前均有所增大,同频率干旱事件的重现期存在较大幅度的缩减。鄱阳湖区有关水资源管理部门应尽快对干旱应对措施作出相应的调整,以适应水文变异带来的挑战。     

基于云模型的黑龙江上中游河流健康评价

以黑龙江上中游为例,研究国际界河的河流健康评价。为了全面衡量该过程中的随机性与模糊性,将云模型引入河流健康评价。基于水文特征、形态特征、水体特征等7个层面选取了16个指标构建了黑龙江上中游河流健康评价指标体系,以2013年为典型年对其进行了河流健康评价。结果表明:黑龙江上中游2013年河流健康等级为"中"。分析了影响河流健康的主要因素,并针对性地提出了一系列河流治理措施:加强水污染控制、加固沿岸堤坝、退耕还林恢复湿地、实施生态调度等。     

长江上游流域暴雨洪水相似性判别指标研究

暴雨洪水发生演化的各个阶段之间存在一定的关联性和规律性。以长江上游流域为研究对象,将暴雨洪水指标分为降雨、洪水、时间、雨洪关系、水库、形状和初始指标7大类,共67个指标。通过整理暴雨历史洪水资料,摘录暴雨洪水过程和计算暴雨洪水特征值,结合洪量相似度、洪峰相似度、形状相似度和灰色关联度4种相似性评价方法,优选出降水量、降水历时、起涨流量和洪水涨率4个指标作为相似洪水判别指标。以113场三峡入库洪水为样本进行相似性检验,基于几场典型洪水特征值寻找的历史相似洪水之间的相似度较高,确定性系数都达到了0.9以上。结果表明,降水量、降水历时、起涨流量和洪水涨率4个指标作为相似洪水判别指标,对指导实时洪水预报具有较高的参考价值。研究成果在三峡水库以上长江上游流域进行了试验应用,在寻找历史相似洪水方面具有较好的效果。     

闽江上游生态环境改变对山洪过程的影响研究

山洪灾害易发地区一般处于江河上游的生态脆弱区和生态敏感地带,水土流失和生态退化加剧了灾害程度。选取闽江上游为研究区域,重点研究生态环境变化与山洪的耦合关系。以2013年闽江上游生态系统分类结果为本底数据,利用GIS技术,模拟退耕还林、矿山恢复、生态封育3种生态最优情景以及生态退化情景。采用HEC-HMS模型,基于设计暴雨资料计算不同生态情景下洪水过程,进而分析生态优化及生态退化条件对山洪过程的影响。由研究结果可得,生态类型优化对洪水削峰滞时作用显著,洪水峰值减小,洪水集中度减小、冲击力减弱,不易成灾;生态条件退化后,洪峰值增加,峰现时间提前。因此,改善易灾地区生态环境,调节径流能力,可有效提升抗御山洪灾害的能力,对于减少山洪灾害损失具有重要意义。     

长江上游与洞庭湖洪水遭遇天气概念模型研究

长江上游与洞庭湖洪水一旦遭遇,将会形成全流域性洪水或特大洪水,给流域各地区防洪减灾工作带来巨大考验。对1981~2012年间共30次长江上游与洞庭湖洪水遭遇过程进行了分析,建立了5类天气学概念模型。通过分别描述这5类模型的洪水特征、降水特征及天气系统演变特征,对洪水遭遇的天气学规律进行了更细致的研究,为进一步优化三峡水库调度方案提供了技术支撑。     

湄公河干流径流变化及其对下游的影响

湄公河水资源丰富,径流时空变化大.在阐述湄公河水资源及其开发利用状况的基础上,分析了下湄公河干流径流变化及其对洞里萨湖和湄公河三角洲的影响.研究表明:影响湄公河干流径流的水量主要来自老挝,对湄公河干流径流贡献最大的是巴色―上丁段;流域水电开发和水资源利用,改变了下游水文条件,主要使下游汛期洪水威胁减小,枯季径流增加;湄公河水倒灌进入洞里萨湖,在雨季蓄积大量洪水,对湄公河金边以下径流起着天然调节作用,减缓了湄公河三角洲海水入侵和洪水影响,提高了旱季农业灌溉保证率.     

ERA-interim再分析数据集在长江上游的适用性

针对长江上游地区ERA-interim再分析降水数据,结合流域内65个实测站点的降水数据,计算流域以及站点年降水量、多年平均降水量。利用降水偏差、偏差百分比、合格率等多种指标,分析ERA数据在长江上游地区的适用性并进行校正,以补充实测降水资料。结果表明:(1)ERA降水在年、春、夏、秋、冬的变化趋势与实测数据近乎相同,可直接采用折算系数整体校正ERA年降水数据;(2)流域内海拔高的观测站点ERA降水估计值与实测降水数据偏差明显增大,海拔低的观测站点ERA降水估计值与实测降水数据偏差相对较小,并且流域东南部的降水偏差整体小于流域西北部;(3)利用折算系数整体折算1979~2012年、夏、秋尺度各站点ERA插值降水数据,各站点拟合后年、夏、秋序列与实测降水偏差30%以内的站点合格率分别为98.46%,92.31%和70.77%。     

基于减法集对势的漳河上游水资源冲突风险评价与态势分析研究

为有效预防漳河上游水资源冲突,积极维护地区水安全,科学合理地评价水资源冲突风险和预测风险态势演化尤为重要。基于水量、用水效率、水质、生态环境和社会经济等5个维度构建了水资源冲突风险评价及态势分析框架,运用熵权法和集对分析理论构建了基于减法集对势的水资源冲突风险评价及态势分析模型,对漳河上游2011-2020年的水资源冲突风险进行评价,通过五元减法集对势动态分析风险发展态势。结果表明：漳河上游水资源冲突风险水平较低且呈现下降的态势;3个省份水资源冲突风险等级由高到低依次为山西省、河北省、河南省。从水资源冲突的5个维度来看,河北省需重点关注水量和用水效率引起的冲突风险,河南省整体情况较好,山西省则需重点关注水量、水质和社会经济引起的冲突风险。研究结果对识别漳河上游水资源冲突风险、缓解水事纠纷和维护地区稳定具有重要的现实意义。     

黄河下游滩区漫滩概率分析

根据对新中国成立以来黄河下游历次漫滩资料的分析，小浪底水库建成前约2年漫滩一次，建成后约3年漫滩一次。随着黄河调水调沙的继续实施，黄河下游河道的过洪能力将会得到进一步提高，加上工农业用水的增加、中游水土保持工程建设的不断完善．小浪底水库对中常洪水的拦蓄率将会提高，发生大于平滩流量洪水的概率会更低，有希望达到5年一遇。因此。从技术角度分析黄河下游滩区具备享受国家蓄滞洪区运用补偿政策是可行的。