变化环境下水文设计值计算方法研究综述

系统总结了国内外在变化环境下单、多变量水文设计值计算及计算成果不确定性评估三方面的研究成果,重点评述了基于水文极值系列重构、分布函数加权综合和变参数概率分布模型3类单变量水文设计值计算方法,分析了考虑边缘分布非一致性和结构参数非一致性的变参数联合分布函数模型,指出一致性条件下多变量重现期和设计值计算方法无法应用于非一致性条件下的多变量情景。提出了变化环境下水文设计值计算领域需进一步深入研究的问题,包括已建工程设计洪水复核调整、多变量情形下组合设计值计算、计算成果可靠性评估等。     

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。     

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。     

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。     

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。     

无资料地区设计洪水的区域频率分析

概述国内外无资料地区设计洪水的研究现状和进展,探讨推求无资料地区设计洪水的区域频率分析方法.以定量计算的模糊集模型选择相似流域组,并应用不一致性测度和不均匀性测度审查流域组的一致性和均匀性;以流域特征值和相似流域移置相结合的方法估算指标洪水;采用P-Ⅲ型分布作为区域增长曲线,同时应用线性矩法估计P-Ⅲ型分布的参数.最后以滠水长堰河流域为设计无资料流域,采用区域频率分析法推求该流域的设计洪水,结果表明该方法值得研究推广.     

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。     

洪水调查与计算方法

以开封市水利工程河道情况为例,大多数河道常年干枯或断流,实测流量系列资料不完善。在设计流域实测流量资料不足或缺乏时,或人类活动破坏了洪水系列的一致性,就有必要研究由暴雨资料推求设计洪水的问题。文章研究如何利用暴雨资料,探讨洪水调查和计算方法,并对计算结果进行水量平衡分析,为防洪工作提供经验和方法。     

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。     

人类活动干扰对灞河流域设计洪水的影响研究

我国干旱半干旱地区,强烈的人类活动干扰引起城市河流洪水过程的显著变化,影响防洪与水资源规划设计结果。基于改进的网格化分布式降雨径流模型MCDRM(Modified Cell Distributed Rainfall Run-off Model),定量研究土地利用变化、水库建设运行对不同重现期暴雨洪水过程变化的影响。以秦岭北麓城市型河流灞河为例,结合流域典型人类活动干扰产汇流下垫面条件的实际情况,构建暴雨洪水模型,并依据推理公式法计算结果率定模型参数。研究结果表明:2000年后,西安市城镇加速扩张,并启动"八水润长安"工程建设,使得流域内城市用地及水域面积增加、水资源开发利用强度增加明显。强烈的人类活动改变了流域降雨产流、汇流的下垫面条件,引起流域洪水过程变化;秦岭北麓灞河流域1980-2015年设计洪水洪峰、洪水总量均减少。与1985年相比,2015年流域内重现期为10、20、50、100年一遇的设计洪峰流量平均减少22. 98%,设计洪水径流总量平均减少约21. 4%。其中,100年一遇标准设计洪峰径流减少23. 88%,20年一遇标准设计洪水径流总量减少21. 51%。基于改进的网格化分布式降雨径流模型,开展城市河流人类活动干扰的暴雨洪水模拟与响应变化研究,结果可为干旱半干旱区中小流域设计洪水复核与计算提供新的参考。     

非一致性条件下城市设计洪水的计算方法

在分析城市化后产流变化的基础上,可采用平均洪量模数增量修正设计洪峰频率曲线的均值,进而推算城市化后的设计洪峰流量,以宝象河流域为实例进行了验证。结果表明:该算法具有合理性,以实测洪水资料为基础进行的非一致性条件下的设计洪水计算结果比基于设计暴雨推求设计洪水的误差更小。     

二维非恒定流数学模型在废黄河下段流域设计洪水计算中的应用

经典型年洪水验证二维数学模型应用于废黄河下段流域设计洪水计算是合理可行的,可提高计算成果的精度.用该模型计算了33种不同遭遇组合设计洪水,计算成果已在江苏省盐城市废黄河防洪预案中得到应用.     

无资料地区设计洪水计算成果合理性探析

无资料地区设计洪水计算,由于缺乏水文实测资料,成果准确性难以保证。以蓝田县汤峪河流域为例,通过对小流域典型设计洪水流量推求,采用地区经验公式、推理公式等传统计算方法和基于高精度的DEM的分布式水文模型计算方法,对计算成果进行相互对比、与设计流域已有成果和相似流域进行对比、与新方法计算结果进行对比,综合分析其合理性。进而对无资料地区设计洪水计算成果合理性分析及新方法未来发展领域进行探析。     

洛南县栲树沟水库除险加固设计洪水分析

正确的设计洪水计算方法对无水文资料区的水利工程建设至关重要。基于栲树沟水库及栲树沟情况,采用汇水面积相关法、综合参数法、推理公式法和瞬时单位线法对栲树沟水库洪水进行了计算。经过比较,推理公式法较多地采用了流域的特征值和经验参数,既代表了区域洪水的共性,又突出了计算流域洪水的特性,其成果的精度和实用性较高,可为无水文资料的水利工程建设设计洪水计算提供借鉴。     

三维非恒定流数学模型在废黄河下段流域设计洪水计算中的应用

经典型年洪水验证二维数学模型应用于废黄河下段流域设计洪水计算是合理可行的．可提高计算成果的精度。用该模型计算了33种不同遭遇组合设计洪水，计算成果已在江苏省盐城市废黄河防洪预案中得到应用。     

气候变化条件下辽宁省无资料地区设计暴雨新雨型分配计算研究

受气候变化,辽宁省暴雨特征发生显著变化,文章结合辽宁省544个暴雨站点近百年数据,对辽宁省东部、中部以及西部的设计暴雨新雨型进行分析。分析结果表明:受气候变化影响,辽宁地区暴雨量级频率平均增加10%,暴雨中心逐步向东南方向转移,从1990年开始东南地区暴雨中心次数最高,占全省50%;东部地区67. 6%降水分配在48h内,中部和西部分别为91. 2%和98. 1%,各区域暴雨基本在72h内结束。各区设计暴雨雨型可为无资料地区设计暴雨洪水计算提供重要的计算参考。     

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。     

鄱阳湖修河虬津水文站非一致性设计洪水研究

非一致性条件下设计洪水对水利工程的规划设计及防洪决策等具有重要意义。针对传统时变矩法求得每年一个非一致性设计洪水值难于直接应用到工程实际的不足,考虑影响径流的两项气象因素(降水量和气温),并结合重现期的期望超过次数概念,选取修河虬津水文站1956-2014年年最大1、3、7、15 d和1个月的洪水系列,结合大气环流模式输出的降水量、气温统计降尺度成果,推求非一致性条件下虬津水文站多时间尺度下的设计洪水流量值,并与传统的不考虑系列非一致性的设计结果进行对比。结果表明：虬津站各时间尺度洪水流量系列位置参数均存在显著的非一致性。一致性条件下设计洪水流量和以气象因子为协变量的非一致性设计洪水流量存在显著差异,RCP4.5和RCP8.5情景下,各时间尺度20和50 a重现期非一致性设计洪水流量值与一致性设计值相比分别减小了13.5%～32.6%(平均约26.4%)和15.3%～39.1%(平均约31.0%)。研究结果可为区域洪水灾害防治和洪水资源利用提供一定参考。