水文频率分析述评

对水文频率分析研究进行了回顾与评述,分别对常遇的几个问题——频率曲线线型、经验频率公式、统计参数估计和特殊水文资料应用等作了叙述,总结了我国近50年来在频率分析上的主要成就以及对分析思路、研究探索、实际应用和实践经验等作出剖析。可以认为,现在已发展成一套具有中国特色的水文频率分析方法,为工程所需提供了科学依据,为水文学科的发展作出了贡献。     

国际水文计划的科学成就

本文对“国际水文十年”和“国际水文计划”在过去25年里的主要科学成就进行了综述。对“十年”和“计划”发展各阶段的特点也有阐述。最后,对这项国际合作计划的科学进展问题谈了几点认识。     

非一致性水文频率分析的研究进展

水文频率分析计算需满足独立随机同分布假设,其中同分布是指水文样本在过去、现在和未来均服从同一总体分布,即样本应具有一致性。然而,由于气候变化及人类活动的影响,使得一致性的假设受到挑战,因此变化环境下传统频率计算方法获得的设计结果,其可靠性受到质疑。为此,探索适应非一致性极值系列的频率分析方法已显得非常重要。总结介绍国内外关于非一致性水文频率分析的一些代表性研究成果,主要集中在以下两方面:一是基于还原/还现途径;二是基于非一致性极值系列直接进行水文频率分析途径。最后对进一步值得研究的问题进行了展望。     

水文多变量趋势分析的应用研究

水文频率分析需要进行一系列的假设,包括一致性、同分布性和独立性。由于水文事件通常都包含多个水文变量,例如洪水过程包含洪峰和洪量,低径流过程包括年最小月径流和年最小3个月径流等,因此近年来多变量水文分析与计算方法在水文领域中得到广泛应用。然而,多变量频率分析并未对上述假设进行检验,而是直接对频率分布进行函数拟合,不能保证得到的频率分布函数符合实际情况。引入水质研究领域内广泛使用的多变量MK检验方法,分别对长江上游干支流主要控制站点的年最大洪峰、年最大7d洪量和年最低月径流、年最低3个月径流的单变量和联合变量进行变化趋势分析。结果表明,单变量趋势分析仅仅能够检验出单个变量的变化趋势,而多变量趋势分析则能够综合检验出联合变量是否存在变化趋势。因此,为保证水文频率分析结果的准确,有必要在进行多变量水文频率分析前对单变量和联合变量进行趋势分析。     

频率域激发极化法在水文物探中的应用

本文从频率域激发极化法与时间域激发极化法的等效性入手,说明频率域激发极化法可用于解决水文地质问题,并且频率域激发极化法有许多特点比时间域激发极化法更适宜于在山区、市区等复杂地区进行水文物探工作。最后给出几例频率域激发极化法在水文物探中的应用实例,说明频率域激发极化的应用效果。     

含零值水文序列频率的计算原理与应用

研究含零值水文序列频率的计算方法。应用条件概率和全概率公式,推导了含零值水文序列频率的计算公式,两种方法的频率计算公式一致。同时,文中也给出了经验频率和理论频率计算方法及其相应的计算步骤。通过3个含零值水文序列的实例计算,表明文中的计算公式可以灵活地选用目前常用的频率分布,借助现有的统计计算函数包,不难获得相应设计频率的设计水文值。文中含零值水文序列频率的计算具有严格的数学基础,以期为含零值水文序列频率的计算提供理论基础。     

考虑抽样不确定性的水文设计值估计

水文频率分析计算过程中,水文极值样本系列容量一般都较小、代表性不高,使得水文设计值估计具有不确定性。利用Bootstrap方法,研究样本抽样不确定性对水文设计值的影响。与传统水文频率分析方法相比,基于Bootstrap方法不仅可提供设计值的点估计和区间估计,同时能够对设计值的不确定性进行定量评价。此外,基于Bootstrap技术,结合矩法、权函数法及线性矩法,设置3套方案,分析了该方法在不同参数估计方法间的有效性。以南通市1970-2011年共42年的年降雨量数据资料为例,对所提方法进行实例应用分析,结果表明,从期望设计值、90%置信区间及最终设计值角度而言,基于所提方法的设计成果受参数估计方法的选取影响不大,且可回避规范中B值诺莫图通用性较差及误差显著问题。     

基于等可靠度法的变化环境下工程水文设计值估计方法

气候变化及人类活动影响的加剧,改变了水文极值系列产生的平稳性条件,给现行水文频率分析计算方法带来挑战,亟需发展非平稳性条件下的水文频率分析理论与方法。讨论了等可靠度法的基本思想,拓宽了该方法在变化环境下工程水文设计方面的应用,以解决变化环境下工程水文设计值中的两类问题:①对于待建工程,依据非平稳性的水文极值系列,如何推求给定标准的设计值;②对于已建工程,如何协调/调整已建工程的洪水设计值,以适应变化环境对其产生的影响。以黄龙滩1956—2014年共59年的15日洪量系列为对象,对等可靠度法进行应用示例研究,并分析了参数估计不确定性对水文设计值的影响。结果表明,在非一致性条件下,给定设计标准下的水文设计值随着工程设计使用年限的变化而变化,且设计值估计的不确定性随着工程设计使用年限的增加而增大。     

基于WA、ANN和水文频率分析法相结合的中长期水文预报模型的研究

针对传统中长期水文预报方法模拟预测结果精度低、未考虑水文不确定性因素的影响等问题,本文将小波分析(WA),人工神经网络(ANN)和水文频率分析法联合使用,建立了不确定性中长期水文预报模型:即在应用WA揭示水文序列变化特性的基础上,将原序列分为主序列和随机序列两部分,然后利用ANN对主序列进行模拟预测,对随机序列进行水文频率分析,最后将两部分结果叠加作为最终预测值.将该模型用于黄河河口地区作中长期水文预报,并与传统方法作对比,进行模型验证.结果显示:该模型能同时揭示序列的时、频结构和变化特性;预报值结果精度高;且合格率高;能定量分析和描述水文不确定性因素对预报结果的影响,可得到不同频率对应水文序列的模拟预测值.因此该模型的预报结果更加合理有效,对实际生产应用更具有指导意义.     

Copula函数在水文水资源中的研究进展与述评

Copula函数是一种灵活构造多变量联合分布和处理多变量问题的有效工具,在水文水资源领域应用广泛;随着研究的广度和深度不断推进,显示出其良好的适用性和不可替代的优越性。重点综述了近10年来Copula函数在水文事件多变量频率分析、水文事件遭遇组合分析、水文随机模拟、水文模型与预报以及其他问题中的最新应用研究进展与不足。从应用条件、参数估计、不对称性、拟合优选、尾部特性、多变量重现期选取、成果抽样误差等方面阐述了Copula函数应用需要注意的问题。展望了未来Copula函数在水文水资源领域应用中的研究重点和发展方向,为今后的研究提供借鉴和参考。     

变化环境下石羊河流域年径流频率计算

受气候变化与人类活动的影响,水文序列一致性遭到破坏,传统的频率计算方法受到挑战。针对石羊河流域8条河流年径流量序列,在基于水文变异诊断系统进行变异分析的基础上,采用条件概率分布法和混合分布法进行了变化环境下的年径流频率计算。结果表明,石羊河流域年径流量序列以向下跳跃变异为主,变异年份多集中在1960年附近;变异序列的两种分布均通过K-S检验,最优分布的拟合效率系数均大于0.97;对比由考虑变异的理论分布与不考虑变异的一致性P-III型分布确定的设计年径流量,当设计频率高于90%时,大靖河与西营河的设计年径流量值相差较大。因此,石羊河流域新建水利工程的规划设计,应适当考虑水文资料的变异特性,选择合理的频率分析方法确定设计年径流量。     

考虑局部趋势的非一致性水文频率分析方法

变化环境下水文序列常表现出非一致性,导致基于独立同分布假设的频率分析方法受到严峻挑战,故亟需研究适用于非一致性水文序列的频率分析方法。针对具有趋势变异的水文序列,提出了一种考虑局部趋势的非一致性水文频率分析方法:以具有局部与整体趋势识别能力的滑动窗口趋势分析法诊断序列;构造时变概率分布模型组,采用融合了贝叶斯理论的广义极大似然法估计模型参数;优选模型并按照等可靠度原则推求设计值及置信区间。应用该方法对甘肃石羊河流域红崖山水库站年径流量序列开展了实例研究,结果表明从设计值及95%置信区间角度看,所提方法与现行的一致性频率分析方法及考虑整体趋势的时变分布方法相比存在一定的差异,揭示了在准确识别序列局部或整体趋势成分的基础上,开展非一致性水文频率分析有助于合理估计设计值。     

粒子群优化适线法在水文频率分析中的应用

水文频率分析就是给各种水利工程提供具有概率含义的水文设计数据,以确定工程的规模、投资和效益.传统的水文频率计算方法一般都是假定总体服从P-Ⅲ型分布,然后采用适线法根据样本估计参数,进而推求设计值.因此,在概率分布线型确定的前提下,水文频率计算实际上就是根据样本资料估算其中包含的参数.从充分利用样本信息、增强参数估计方法的精确性和减少人为因素影响等方面考虑,本文提出了基于粒子群优化算法的优化适线法,并将该方法应用到年最大流量频率分析中.为了进一步了解该方法的统计特性,还将其与传统参数估计方法(矩法、权函数法、概率权重矩法)作了比较.实例表明,该方法能快速的完成参数寻优过程,并较好的寻找出参数的全局最优解.     

一个概念性暴雨洪水频率模型

水文频率分析的主要目的是找出水文变量与发生频率之间的定量关系。达到这一目的的主要途径迄今仍然是经验配线法。不过这只是在通过理论的途径寻求水文变量分布曲线的努力尚未得到满意结果的情况下,所采取的权宜之计。姑且不说经验配线法中选择频率线型时所加的主观色彩,既令所选定的线型恰巧就是研究对象的概率分布,在应用这一方法时,一方面因实测资料样本太小,造成的抽样误差太     

基于Halphen分布和最大熵的洪水频率分析

设计洪水估算值对水利水电工程的设计规划至关重要,其关键是选择合适的分布线型和参数估计方法。目前采用单一的频率曲线进行水文分析计算,其设计结果具有较大的不确定性。引入Halphen分布函数进行洪水频率分析,并提出了基于最大熵原理的参数估计方法。利用丹江口水库1929~2014年的年最大日流量资料系列,分析检验Halphen分布的拟合效果,并与传统的分布进行比较。结果表明,Halphen函数具有灵活的形式和较好的尾部特征,适合于水文频率分析,其拟合结果基本优于其他的传统分布。     

Excel在水文频率计算中的应用

为了完善现有水文频率计算软件，针对该软件存在的不足，巧妙地应用Excel表格及图形处理功能，首次开发了Excel水文频率计算软件。该软件的最大特点是根据水利水电工程设计的不同需求，在A3、A4、B5等不同规格的打印纸上，输出横向或纵向的各种比较的水文特征值频率曲线图，操作简单易学，而且输出的成果可以直接制版，成品制作的效果很好。     

基于贝叶斯理论的水文不确定性分析研究进展

水文过程受众多自然和人为因素影响,决定了其变化的极端复杂性,表现为确定性的动态规律与不确定性的统计规律共存。水文不确定性分析的理论和方法在认识水文规律中发挥着重要作用,其中贝叶斯作为一种主要理论方法在水文水资源相关问题的研究中得到了较广泛的应用。本文评述了贝叶斯理论在水文频率分析、水文预报、确定性和不确定性方法耦合等研究中的进展,对基于贝叶斯理论的水文不确定性重点研究内容进行了展望。     

频率域航空电磁法水资源探测深度及应用研究

为了了解频率域航空电磁法在水资源勘查中的应用条件和勘查效果,以层状介质模型为基础,计算了多种水文地电模型、多种电磁系统装置的频率域航空电磁响应。通过分析吊舱式直升机频率域航空电磁系统、固定翼频率域航空电磁系统在不同水文地电模型的电磁响应特征和衰减规律,分析了这2套系统在不同水文地电模型条件下的探测深度,即在盐渍化地区,频率域航空电磁系统最大勘探深度为60 m,在非盐渍化地区最大勘探深度为130 m。在综合分析频率域航空电磁法在水资源勘查应用前景的的基础上,通过国内外应用实例表明,频率域航空电磁法在中国东部沿海地区,以及内陆干旱地区寻找浅层淡水是有效的。该项成果对今后利用频率域航空电磁法进行水资源调查具有重要意义。     

一种新的水文频率计算方法

简要介绍了当今先进的科学与工程计算软件MATLAB.分析探讨了使用MATLAB进行水文频率计算的原理:借助伽玛分布,采用极大似然法估计P-Ⅲ型分布的参数;用伽玛累积分布函数计算理论频率;普通频率坐标转化为其位置坐标的方法:以人机交互的方式通过屏幕配线确定模型的参数.最后,通过一个实例说明了水文频率计算的具体方法.应用MATLAB进行水文频率计算,不仅语言简洁、容易操作,而且计算速度快、精度高,并具有较好的实用性和通用性.     

城市化生态水文效应

研究城市化的生态水文效应对于指导河流的保护与生态修复实践具有重要意义。基于河流径流情势在维持河道生态系统完整性方面的重要性,在分析现有生态水文指标体系的特征及可操作性的基础上,建立了以径流历时曲线、洪峰流量频率超出曲线和T_0.5(区域径流超出天然状态下重现期为0.5年的降水所产生的洪峰流量的时间占区域有径流总时间的比例)为代表的生态水文指标体系。利用SWMM(Storm Water Management Model)来模拟不同城市化程度下的降雨径流过程,并利用所建立的生态水文指标体系模拟其生态水文效应。结果表明:城市化程度越高,其时段流量幅度及历时越大,洪峰流量及发生的频率越大,T_0.5越小。城市化通过改变径流的大小、历时及频率,改变了水域生态系统完整性与多样性,进而对河道生态系统产生了负面影响。