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。     

长江口潮位非一致性及对水文设计的影响研究

采用Mann-Kendall检验和Spearman秩次相关检验等非参数统计检验方法分析了1950—2009年长江镇江和江阴站潮位的变化趋势。分析结果表明:镇江站年最高、最低潮位均存在显著的抬升趋势,年平均潮位也呈现不明显的上升趋势;江阴站除年最高潮位存在明显抬升外,年平均和年最低潮位的变化趋势均不显著。利用滑动t检验、滑动秩和检验以及Pettitt检验法对潮位时间序列进行突变检测,3种突变检测结果基本一致:镇江站年最高和年平均潮位均在1979年发生最强突变,年最低潮位在1987年发生变异;江阴站年最高潮位亦在1979年发生突变,但年平均和年最低潮位均未发生显著变异。以上述2站的年最高潮位序列为例,初步分析了潮位非一致变化的原因,潮位的这种非一致变化增加了水文频率分析的难度,并降低了水文设计值的防洪标准。     

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。     

考虑气象协变量的非一致性设计枯水流量研究

研究非一致性条件下枯水流量设计值对流域水资源管理具有重要意义,然而如今常用的时变矩法推求出的每年一个设计值很难用于实际。选取渭河流域实测枯水流量序列作为实例进行研究,将气象协变量引入到枯水流量频率分析,结合重现期的期望超过次数(Expected Number of Exceedances, ENE)概念推求非一致性条件下枯水流量设计值,并与传统以时间为协变量的情况进行比较。结果表明:2种协变量情况下非一致性设计枯水流量相比于一致性结果存在明显差别,且以气温和降水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。研究所得设计结果可为流域枯水期水资源管理提供一定参考依据。     

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。     

南水北调中线水源地与受水区丰枯遭遇分析

基于丹江口水库1954—2009年的月平均径流序列与郑州地区同时期的月平均降雨序列,采用游程理论计算了4种丰枯遭遇组合在不同游程长度下的分布概率和重现期。结果表明:在同一截取水平条件下,游程重现期随着游程长度的增加而快速增长;在同一游程长度条件下,重现期随着截取水平的增大而增长;在同一截取水平、同一游程长度的条件下,同步偏枯发生的可能性最大,其次为同步偏丰,枯丰遭遇的可能性最小。     

黄河流域重要断面设计年径流量计算研究

以黄河流域3个重要水文站(兰州站、花园口站和利津站)的历史年径流量序列为研究对象,首先对各时间序列进行变异诊断,在诊断结论的基础上再进行设计年径流量计算。分析表明：1919—2018年的兰州站和花园口站年径流量序列均存在较为明显的跳跃性变异,且最大可能变异位置分别为1932年和1990年;1952—2018年的利津站年径流量序列既存在趋势性变异又存在跳跃性变异,整体上年径流量序列呈现出较为显著的下降趋势,且序列的最大可能变异位置为1985年。针对3个水文站年径流量序列的不同特性,分别采用基于跳跃诊断的二次修正法、混合分布法和分解合成法等非一致性水文频率分析方法,计算得到各水文站不同重现期的设计年径流量。     

窟野河设计洪水计算分析

在窟野河流域自然状况查勘及洪水调查的基础上,分析了温家川、神木、王道恒塔、新庙等四站1956-2007年年最大洪水系列的可靠性、一致性和代表性,论证分析了窟野河历史洪水的排序及其重现期,分析计算了有、无转龙湾水库条件下大柳塔1号公路桥断面的设计洪峰及1976年型最大1d洪水过程.结果表明:上述四站1956 -2007年年最大洪水系列的可靠性、一致性和代表性较好;按长系列分析计算的百年一遇洪峰成果较1992年规划成果偏小10.1％～29.3％,百年一遇洪量成果较1992年规划成果偏小8.3％ ～ 19.2％;无转龙湾水库条件下,大柳塔1号公路桥桥位断面百年一遇洪峰流量为11400m3/s;转龙湾水库正常运用条件下,大柳塔1号公路桥桥位断面百年一遇最大洪峰流量为7 960 m3/s     

基于Copula函数的多变量暴雨频率计算研究

运用Copula函数对东江流域河源站年最大暴雨事件中的特征变量(最大暴雨强度、暴雨历时和暴雨量)建立联合分布,分析不同组合下的概率,主要结论如下:任意两暴雨特征变量的联合重现期约为单变量重现期的一半,同现重现期相对较大;在各单变量同频率的假设条件下,暴雨特征变量的单变量重现期设计值相比联合重现期设计值较低,河源站平均相差为12.54%~15.08%;利用暴雨特征变量的联合分布,可以获得变量间不同设计值条件下的组合概率,以及特定联合重现期和同现重现期条件下变量的可能组合。     

陕北及关中地区非一致性年径流序列变异诊断

以陕北地区和关中地区的15个水文测站为例,采用随机方法进行了非一致性年径流序列的变异诊断。结果表明:共有7个测站的年径流序列发生了变异,其中赵石窑站为趋势变异,神木站、枣园站、黄陵站、林家村站、张家山站和氵状头站为跳跃变异;这7个测站的年径流量在未来条件下存在不同程度的减少,建议对该区用水进行规划,并采取必要的措施来保证用水安全。     

西北江三角洲水文泥沙序列变异分析——以马口站和三水站为例

采用水文变异诊断系统对马口站、三水站、西北江的年径流量和年输沙量序列,三水站的分流比和分沙比序列分别进行变异分析.诊断发现马口站和西北江年径流量序列未发现明显变异,其它序列均呈现显著的跳跃变异,变异时间多在1992年前后,破坏了水文序列的一致性.物理成因分析表明频繁的人类活动是导致水沙序列变异的主要原因.根据变化环境下非一致性序列的水文频率计算原理,计算了三水站1992年变异前后年径流量和年输沙量的水文频率分布,并比较了均值和不同频率特征值之间的差异,该结果对于西北江三角洲的航道整治和防洪决策等具有一定的参考价值.     

基于Copula 函数的非一致性洪水峰量联合分析

传统的洪水单变量频率分布形式不能反映在变化环境下洪水序列的真实分布情况,且不适合构建洪水多变量联合分布进行洪水特征的多变量联合分析。以大清河南支沙河上游王快水库入库年洪峰序列和年最大6日洪量序列为基本数据,基于各序列变异点诊断结果,运用混合分布法确定各序列的理论分布,并以此为边缘分布,采用Copula函数法构建其二维联合分布,对两变量重现期及特定条件下的洪峰和洪量条件频率进行了分析,计算了两变量联合分布设计值。结果表明,非一致性洪水单变量重现期介于二维联合重现期与二维同现重现期之间;当峰量具有较高相关性时,发生超过某一频率洪峰设计值的洪峰,会有较大可能发生超过同频率洪量设计值的洪量。基于两变量联合分布得到的洪峰、洪量设计值比单变量同频率法得到的设计值偏大,从工程设计角度偏于安全,对防洪控制是有利的。     

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。     

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。     

LID径流控制效果对设计暴雨重现期的响应

为分析不同重现期降雨与径流控制率的变化规律,以西咸新区典型海绵建设小区为例,采用基于GPU加速技术并耦合了管网系统的二维城市雨洪过程模型,对该小区不同重现期设计降雨条件下的径流控制效果变化规律进行量化分析。结果显示:通过与实测资料进行对比验证,模型模拟的流量与实测流量过程吻合度较高;随着降雨重现期的增大,径流控制率逐渐减小;在1年一遇降雨条件下,径流控制率为82.5%,100年一遇条件下,径流控制率降为29.5%;随着重现期的增大,径流控制率的差值逐渐减小,径流控制率减小的趋势逐渐平缓。     

西北江网河区顶端分流前后年径流总量联合频率变化特征解析

环境的变化导致西北江网河区顶端分流呈现较大的变化,该文根据三水站和马口站1959—2016年流量资料,从分流前后年径流总量联合频率变化角度,解析西北江网河区顶端分流关系。研究结果表明:由于分流量随着年代的延伸三水站和马口站分得的径流总量分别呈现不同的变化趋势。因此,分流前后年径流总量联合频率的变化呈现较为复杂的关系。整体上,若分流前年径流总量和分流后的马口(三水)站的联合重现期较小时,随着分流前的年径流总量和分流后的三水(马口)站的联合重现期的增大,马口和三水站的联合重现期依旧较小;若分流前年径流总量和分流后的马口(三水)站的联合重现期较大时,随着分流前的年径流总量和分流后的三水(马口)站的联合重现期的增大,马口和三水站的重现期亦呈现增加的趋势。该结果可为珠江三角洲供水规划、生态需水和航道整治等相关工作提供参考。     

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％。     

沁河年径流量非一致性水文频率分析

气候变化和人类活动加剧使得水文序列的一致性遭到破坏,在变化环境下传统频率分析方法不再适用。选择沁河下游武陟站1951—2016年共66 a实测年径流量数据为研究对象,使用Hurst系数法对年径流量序列进行初步诊断,再运用线性回归、Spearman秩次相关检验和Kendall秩次相关检验3种方法对序列进行趋势诊断,采用Bayesian变点分析、Pettitt检验等9种方法进行跳跃诊断,基于水文序列振动中心重构方法对变异序列进行一致性修正,再对修正后的序列进行水文频率分析。结果表明,武陟站年径流量序列的Hurst系数为0.84,属于强变异,于1964年发生向下跳跃变异;修正后序列的频率计算成果在不同设计标准下均小于原序列的,且差值随设计标准提高而增大。     

台风“烟花”期间黄浦江上游洪水过程及高水位分析

为研究2021年第6号台风“烟花”期间黄浦江上游洪水过程和高水位特征，在统计分析实测资料的基础上，利用产汇流模型计算，分析了黄浦江上游洪水下泄过程，高水位时空分布特征及成因。结果表明：台风“烟花”前期，受潮位顶托影响，黄浦江上游边界潮水上溯明显，后期边界洪水显著增大，主要通过黄浦江上游干流下泄；受台风强度大、移速慢，风暴潮洪叠加，外河低潮过高，乘潮排水能力降低，黄浦江上游底水趋势性抬升等综合影响，黄浦江上游各潮位站最高水位普遍超历史，超历史幅度由北向南、由下游往上游递增。研究成果可为黄浦江上游防汛工程调度的优化完善提供基础支撑。     

基于Copula函数的赣江中下游洪水遭遇组合分析

洪水遭遇组合对揭示流域洪水规律、防洪调度和洪水管理具有重要意义。以赣江流域为例，采用Copula函数构建下游外洲站和中游峡江站洪水的联合概率分布，进而推求条件概率分布、条件最可能值和置信区间，分析赣江中下游洪水遭遇组合规律。结果表明，赣江下游外洲站与中游峡江站发生同频率洪水的可能性很大，概率为81.57%～83.01%;给定赣江下游外洲站洪峰流量取值时，中游峡江站洪峰流量条件最可能值与实际值拟合效果总体较好，且实际值基本上在90%置信区间内，区间合理可靠；中游峡江站最可能发生的洪水重现期均略小于下游外洲站洪水重现期，偏小4.0%～6.6%;下游外洲站洪水重现期为100 a时，中游峡江站洪水重现期的最可能值为94 a, 90%置信区间为[39, 184]年。研究成果可以提升对赣江流域洪水规律的认识，为流域防洪减灾提供参考。