长江上游水文干旱评估及其不确定性分析

在基于频率计算的水文干旱评估中,往往由于资料长度较短或不连续等原因,致使水文变量的参数估计存在抽样引起的不确定性。以长江干流宜昌站1882—2009年的日径流数据为对象,采用正态分布拟合中长时间尺度下各时段累积径流量,并以多种正态性检验方法检验拟合效果,计算了不同时间尺度的径流干旱指数SDI,采用Monte-Carlo随机模拟验证了干旱指数计算的抽样不确定性,分析了长江上游干旱演变特征和不确定性对干旱评估的影响。结果表明,根据干旱指标评估干旱量级时,考虑不确定性的影响,可为更加准确有效的抗旱决策提供理论支撑,以期规避可能造成的减灾能力不足或抗旱资源浪费。     

基于PPCC检验的径流指数对汾河上游水文干旱演变分析

水文干旱处于气象与农业干旱之间,影响着社会经济干旱。根据概率点据相关系数法检验汾河上游年径流对P-Ⅲ、对数P-Ⅲ及二参数对数正态分布的拟合情况,采用最佳分布计算径流干旱指数,分析汾河上游水文干旱变化趋势。结果表明,汾河上游年径流最佳拟合分布为二参数对数正态分布。随着时间的推移,汾河上游无旱持续时间变短,干旱持续时间延长,且发生干旱的趋势性显著。其中,不同程度干旱发生的可能性最大为轻旱,其次为中旱、重旱及特旱发生可能性较小且概率相当。     

两变量设计洪水估计的不确定性及其对水库防洪安全的影响

在两变量水文频率分析中,样本系列容量一般较小,使得水文设计值估计具有不确定性。本文基于Copula函数和Parametric Bootstrap方法,并考虑联合设计值的最可能组合模式,建立可描述两变量设计洪水估计不确定性的C-PBU(Copula-based Parametric Bootstrap Uncertainty)模型,同时提出了定量评价两变量不确定性的度量指标,分析了联合设计值估计不确定性对水库最高调洪水位的影响,并对比了不同典型洪水选取模式下的水位不确定性。以隔河岩水库为例,推求了两变量设计值估计的95%置信区域;比较了不同样本容量对不确定性的影响。结果表明:设计洪水估计和典型洪水选择具有较大的不确定性,可采用C-PBU模型推求置信区间,来考虑设计洪水估计不确定性对水库防洪安全的影响。     

基于围堰施工导流系统风险率不确定性分析

围堰施工导流工程设计应综合考虑水力、水文以及其他不确定性因素的影响,施工导流系统风险概率作为工程设计的重要依据,在围堰施工过程中发挥着中重要作用。针对传统导流风险计算方法忽略了参数及分布的不确定性问题,而仅仅考虑单一不确定因素的概率分布及其参数值的实际状况,对围堰导流系统风险率的不确定性利用Monte-Carlo仿真法进行分析,并综合考虑水文、水力及其他分布参数的不确定性影响作用。结果显示:导流系统风险率受水文、水力因素的不确定性影响较为显著,综合考虑各不确定性水力与水文因素的导流风险率服从正态分布。     

人类用水活动对中国水文干旱特征的影响评估

【目的】在全球气候变化的背景下，人类用水活动对水文干旱造成了剧烈影响。评估人类用水活动对水文干旱特征的影响，揭示基于单一模型评估的不确定性，对提升干旱风险应对能力有着重要意义。【方法】基于跨部门影响模型比较计划第二阶段(ISIMIP2a)项目提供的1971—2010年径流模拟结果，采用多模型集合方法评估气候变化背景下人类用水活动对我国区域水文干旱特征的影响，并揭示其空间差异及长期变化。【结果】结果显示：人类用水活动加剧了我国北方流域的水文干旱的频次、历时和强度，其中导致水文干旱强度增幅超过40%;同时人类用水活动对南方流域中上游地区水文干旱强度起到缓解作用；另外，相较于1971—1990年，1991—2010年间人类用水活动对我国区域水文干旱频次和历时的影响分别减少7.4%和10.2%,但对于水文干旱强度的影响增加43.1%,尤其是在辽河、西南诸河和珠江流域。【结论】人类用水活动对我国区域的水文干旱特征(频次、历时和强度)的影响表现出明显的时空差异性，基于多模型集合评估方法能够有效降低基于单一模型模拟结果的不确定性。研究深化了干旱演变机制理解，为应对变化环境下干旱风险提供科学支持。     

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分布参数和设计洪水的后验分布,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）洪量和年最大洪峰流量频率分析结果表明,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,拟合效果不亚于矩法、极大似然估计法等常用的经典统计方法。     

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。     

东江流域气象干旱向水文干旱传递阈值研究

对不同干旱类型之间传递阈值研究可有效分析干旱传递的发生规律和机理,特别是对气象干旱向水文干旱传递阈值的研究。以东江流域为研究对象,计算月尺度的标准化降水指数SPI和标准化径流指数SRI,并基于游程理论识别干旱事件,提取干旱事件及其特征,包括干旱历时和干旱烈度。对发生时间全部或部分重叠的气象干旱事件和水文干旱事件进行匹配。对匹配后的干旱特征属性进行边缘分布拟合,验证气象干旱和水文干旱的历时或烈度之间的相关性,基于二变量Copula函数分别建立气象干旱与水文干旱特征的联合分布模型,计算不同气象干旱条件下不同等级水文干旱(中旱、重旱、极旱)发生的条件概率,取条件概率为0.95时对应的气象干旱历时或烈度值,作为气象干旱向该等级水文干旱传递的干旱历时(烈度)阈值。结果表明:东江流域气象干旱历时和烈度的最优拟合函数均为伽玛分布,水文干旱历时的最优拟合函数为伽玛分布,水文干旱烈度的边缘分布函数为广义正态分布。Gumbel-copula函数拟合干旱历时和烈度的效果较好。东江流域中旱、重旱、极旱等级的干旱历时传递阈值分别为6.9、8.3、9.4个月;干旱烈度的传递阈值分别为4.6、5.7、6.6。干旱传递阈值可以为水文干旱的预测以及防旱减灾的决策提供参考。     

样本容量对明渠垂线流速分布对数公式拟合的影响

针对明渠垂线流速分布测量样本容量对对数公式拟合的影响问题,通过水槽试验,应用激光多普勒测速仪,在0.2倍水深内布设110个点进行垂线流速测量;按相对等距原则,从110个测量数据中共生成11组不同样本容量的流速系列进行统计分析。结果表明:试验测得的垂线流速分布符合对数公式;对数公式拟合所得的摩阻流速、积分常数及其统计变量相关系数和变差系数随样本容量大小的变化而变化,当样本容量逐渐变大时,渐渐趋于稳定,符合统计理论的大数定律;合理反映垂线流速分布变化的试验,其测点需要一定的样本容量;试验得到的垂线流速在间距分布比较均匀的条件下,0.2倍水深内所需样本容量为50左右。     

对数正态分布参数估计的积分变换矩法应用

针对对数正态分布参数估计矩法存在的缺陷,探讨了梅林变换的应用,推导了参数对应的一般矩和对数矩,提出了一种对数正态分布参数估计方法-积分变换矩法,包括二参数对数正态分布和三参数对数正态分布。以西南诸河16个水文站为例,利用三参数对数正态分布作为水文频率线型,对年平均流量系列进行了拟合。结果表明,与矩法相比,积分变换矩法能明显提高Cs的估算精度。     

长江口水域氯离子浓度分布模型及预测模型

对长江口水域冷却水中氯离子浓度的样本数据进行统计分析,建立氯离子浓度分布的数学模型,氯离子浓度近似服从对数正态分布,并对比分析邻近水厂和电厂冷却水中的氯离子浓度,显示两者氯离子的浓度没有显著性差异,为预测全年水中氯离子的浓度提供依据,并给出最小样本容量的选取。     

福建省暴雨频率分布论证

该文根据福建省80个观测站雨量记录,采用曲线拟合方法,对皮尔逊Ⅲ型分布、对数皮尔逊Ⅲ型分布、耿贝尔分布、正态分布和对数正态分布进行论证。研究表明。福建省暴雨符合皮尔逊Ⅲ型分布和对数皮尔逊Ⅲ型分布,且频率分布与暴雨历时无关。     

土体强度的空间分布形式对单桩承载力的影响

土体参数可能服从不同类型的分布,而在考虑土性空间变异性的桩基础承载特性的研究中一般将随机变量假定为服从对数正态分布。以土体的不排水强度为随机变量,考虑不同的变异系数和相关距离,采用随机有限元法分别模拟了竖向和水平向荷载作用下单桩基础的承载性状,对比分析了土体不排水强度分别服从对数正态分布、Beta分布和Gamma分布条件下单桩的承载力均值和标准差。结果表明,土体强度的分布形式对单桩竖向承载力的均值没有影响,而服从对数正态分布的随机场中单桩水平承载力均值最大,服从Beta分布的随机场中单桩水平承载力均值最小;竖向荷载和水平荷载作用下Beta分布得到的承载力标准差均为最大。当地基土强度空间分布形式未知时,建议采用Beta分布确定单桩承载力。     

电力系统小扰动概率稳定性的蒙特卡罗仿真

计及发电方式、负荷水平及网络拓扑的不确定性,基于蒙特卡罗状态抽样方法,通过分析系统特征值、特征向量及参与因子等特征参数的概率特性和失稳概率研究电力系统小扰动概率稳定问题。分析中分别用离散分布随机变量和正态分布随机变量描述发输电元件状态及负荷水平的概率特性,并重点讨论了网络拓扑的不确定性对失稳概率指标的影响。一个两区域算例表明所提出的方法能够从概率统计意义上为小扰动稳定性分析及电力系统稳定器（PSS）的合理配置等提供更为丰富、全面的信息。     

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Copula的汾河上游水文干旱频率分析

运用游程理论对汾河上游4个水文站的月径流资料进行干旱识别;选择4种分布函数拟合干旱特征变量,通过Kolmogorov-Smirnov检验法优选单变量边缘分布;利用Copula函数建立干旱特征变量的二维联合分布,计算重现期。结果表明,汾河上游干旱特征变量的最佳边缘分布是对数正态分布;汾河上游大多数干旱重现期小于5年,且干旱历时与烈度的单变量重现期与二维重现期较为接近;干旱历时与烈度峰值、烈度与烈度峰值的单变量重现期与二维重现期差距较大。     

线性矩法在永定河三家店站设计暴雨计算中的适用性研究

选用三家店站实测70年最大24 h雨量序列作为样本,使用矩法和线性矩法对样本进行参数估计,分别选用P-Ⅲ分布以及线性矩图优选的三参数对数正态分布作为分布线型,对不同重现期的设计暴雨进行计算。结果表明,线性矩法在三参数对数正态分布下的计算成果与常规矩法P-Ⅲ分布适线成果差别在15%以内,线性矩法的计算成果优于常规矩法的P-Ⅲ适线成果,较之常规矩法成果提高了6%。     

抚河流域气象干旱向水文干旱传播的影响机制研究

气象干旱是水文干旱发生的前兆,探究影响气象干旱向水文干旱传播的主要因素对建立有效的基于气象干旱的水文干旱监测预警具有重要意义。以抚河流域为例,采用标准化降水指数和标准化径流指数分别评估气象干旱和水文干旱,并构建基于流域分布式二元水循环模型的干旱传播评估方法,采用多因素综合影响贡献量分解法量化气候变化和人类活动对干旱传播变化的贡献。结果表明：建立的抚河流域分布式二元水循环模型模拟流域出口断面流量的纳什效率系数大于0.85,相对误差在5%之内;气象干旱向水文干旱传播关系变化的时间是1980s—1990s。相对于1956—1990年,1991—2019年气象干旱向水文干旱的传播率降低了8.3%;在气象干旱向水文干旱传播的影响中,气候变化的减缓作用占主导地位,贡献量为-9.9%;其次是人类活动的加剧作用,贡献量为1.6%;降水作为干旱的主要致灾因子,变化期增加了144.3 mm,这对于减弱气象干旱向水文干旱传播的敏感性起到主要作用。     

干旱烈度概率分布与重现期计算方法研究

根据游程理论,假定干旱烈度的概率分布为gamma分布,针对正态分布的年独立径流序列,推导出了干旱烈度分布参数估计的解析表达式,提出了干旱烈度大于或等于某固定值的干旱事件重现期的一种解析计算公式,并且在序列的偏差系数cv和参数a取不同值时,应用Matlab编程技术模拟检验了gamma分布对干旱烈度概率分布的拟合情况及重现期计算公式。结果表明：导出的干旱烈度概率分布参数估计的解析表达式较准确,干旱烈度概率分布参数是年独立径流序列均值μx、偏差系数Cv以及参数α的函数。gamma分布可以作为干旱烈度概率分布的近似分布,干旱烈度重现期计算结果与模拟结果保持了较好的一致性。经对泾河应用对比分析,表明研究的结论与前人关于独立对数正态分布干旱概率分布与重现期的研究结论是一致的。     

城市污水中污染物监测与分布规律探讨

为了明确城市污水中各种污染物质的分布规律,对典型城市二级处理出水中有机污染物、大肠杆菌、金属离子、浊度、色度等污染物进行了检测分析,在大量检测数据的基础上,通过概率纸检验和非参数假设检验等方法对污染物的分布规律进行了统计分析,发现二级处理污水中污染物在显著性水平α=0.10的条件下都服从或近似服从对数正态分布,从而可用对数正态分布函数对城市污水中污染物的出现频率进行量化描述,为水质模型的建立和运行提供基础资料.