变化环境下东江流域水文干旱特征及缺水响应

在干旱事件不确定性和枯期径流变异性的双重影响下,水文干旱特征时序非一致性问题为其联合分布模拟带来困难。基于东江干流测站日径流过程数据,采用游程理论提取水文干旱事件,并结合干旱特征均值变化、时序一致性分析及边缘分布模拟,以确定干旱事件融合及剔除评判标准的合理取值。基于Rosenblatt变换Cramer-von Mises检验统计量拟合方法,构建水文干旱特征两变量联合分布Copula模型,并根据同频法设计两变量组合值。通过对比枯期径流变点分隔子序列干旱特征,分析变化环境下东江流域水文干旱特征及缺水响应。结果表明:水文干旱事件融合和剔除的评判标准值分别取0.1和0.3比较合理。干旱特征两变量之间具有较高的正相关性,但不同时间系列不同变量之间的联合分布及边缘分布最优模型并不一致。流域水库尤其是新丰江水库的径流调节作用,对于缓解东江中下游水文干旱效果明显,超阈联合重现期为2年的设计干旱持续时间、总缺水量和最大日缺水量分别减少了63%~71%、71%~84%和30%~47%,但如果要满足东江河道内最小管理流量目标,其依然分别达到了12~18 d、6 114万~9 030万m^3和715.0万~929.0万m^3。

珠江三角洲Copula径流模型及西水东调缺水风险分析

基于两变量Copula函数模拟、变点识别和均值平移时序重构方法,构建珠江三角洲西水东调工程受水区东江和水源区西江的枯水径流联合分布模型。以生态环境流量及最小流量管理目标为设计阈值,研究区域联合缺水风险特征及对变化环境的响应。结果表明:Archimedean copula的Clayton、Frank和GH模型,均能较好地模拟两区域枯水径流联合分布特征。变化环境下特别是流域内水利工程径流调节作用,东江枯水径流时序非一致性显著,均值跳跃明显,变点时间为1972年,最枯月径流量增加了65.5%。若要满足最小下泄流量管理目标,东江缺水风险率较高,为37.7%。与东江天然径流(还原系列)相比,在东江流域内水利工程影响下(还现系列),东、西江同时缺水风险率由35.8%下降到16.7%。但由于2江枯水径流的正相关性,西江有水可调保证率也由54.8%下降到21.0%。在已知东江缺水情形下,西江有水可调保证率(55.8%)仅略高于西江缺水风险率(44.2%)。因此,珠江三角洲西水东调工程运行,需要科学设计更为精细的水资源调度规则。

滨海城市雨潮遭遇联合分布模拟与设计

滨海城市河流常常遭受暴雨和潮汐顶托双重影响导致洪涝灾害,需要重视雨潮遭遇联合分布模拟与设计。以深圳市西乡河为例,采用年最大值法(AM)和超定量序列法(POT)两种选样方法,基于Copula方法模拟24 h暴雨遭遇日高潮位的联合分布特征,对比雨潮遭遇传统重现期和二次重现期差异,根据同频法和权函数法反推计算雨潮设计组合值。结果表明:雨潮边缘分布最优模型均为广义正态分布(GNO),不同选样方法雨量分布模型参数差异明显。雨潮之间呈现较弱的正相依性,Archimedean Copulas均能较好地模拟雨潮遭遇联合分布特征,最优模型为Gumbel-Hougaard Copula。同频法反推雨潮设计组合值,二次重现期雨量和潮位均大于传统联合重现期,POT选样的潮位大于AM。权函数法选出的雨潮设计组合值,偏重于较高的潮位,雨量设计值较小。当明确了选样方法、联合分布模型和重现期类型,给定联合重现期的雨潮设计组合值是个此消彼长的过程,若选择较大的雨量设计值,则潮位值变小,反之亦然。从防洪潮设计安全角度考虑,POT选样方法及二次重现期设计更为安全。

基于高维Gaussian Copula函数的区域农田灌溉需水分析

以广东省农田灌溉需水为例,构建了分区降水的8维联合分布模型,提出了给定全省降水频率的全省及分区农田灌溉需水分析思路,采用同频、典型年和最大权函数3种方法对区域需水、分区降水频率及需水进行了分析计算和对比。结果显示:Gaussian Copula函数能够很好地模拟广东省8个分区年降水联合分布,单变量最优分布主要为广义极值分布和广义正态分布。3种方法之间的全省农田灌溉需水相差甚小,但是各分区需水差别相对较大。典型年法推求的分区降水频率差异最明显,最大权函数法推求的大部分分区降水频率处于同频位置附近,其中分区Ⅷ的降水频率在特枯和特丰时明显偏离同频位置,而且其置信区间范围明显大于其它分区,表明分区Ⅷ不确定性更大。由于基于高维Copula函数联合分布模拟既考虑了分区降水的独立分布,又考虑了它们之间的相依性,而且能够给出分区需水的置信范围,因此认为最大权函数法推求区域农田灌溉需水更为合理。

水文干旱多变量联合设计及水库影响评估

基于东江流域博罗站月径流数据,采用游程理论提取水文干旱事件.选用Meta-Gaussian Copula函数,统计模拟水文干旱指标的多变量联合分布.采用Kendall联合重现期和最大可能权函数,设计给定联合超越重现期的水文干旱指标组合值,并定量评估水库径流调节作用对水文干旱多变量联合特征的影响.结果表明:东江流域水文干旱历时、强度和峰值的统计优选分布均为韦布尔分布.干旱指标之间具有较高的正相关性,Meta-Gaussian Copula能够很好地模拟水文干旱指标两变量和三变量联合分布.基于任意两个变量联合设计和三变量联合设计,干旱指标设计组合值位于同频位置附近,且同一个干旱指标设计值在不同变量组合之间差别较小.水库径流调节作用对于缓解东江流域水文干旱效果明显,同一组干旱指标的多变量联合超越重现期在水库影响下明显变大.联合超越重现期越小,水库对联合设计值的影响程度越大.根据目前水库运行模式,若要满足河道内最小管理流量目标,联合超越重现期10 a一遇的干旱历时、强度和峰值依然达到了约3.89~4.04月、7.20~7.97亿m3和2.99~3.12亿m3.

基于Copula函数的鄱阳湖水系径流丰枯遭遇多维分析

鄱阳湖流域5大水系来水变化与湖区水文极值事件有密切关系,研究径流变化特征与丰枯遭遇规律对区域防洪抗旱有重要意义.本文运用Copula函数构建了鄱阳湖水系多维径流联合分布模型,采用特枯、偏枯、平水、偏丰和特丰的径流丰枯分类,定量研究了鄱阳湖5大水系丰枯遭遇的问题,探讨了多维丰枯遭遇同步联合概率的变化特征.结果表明:鄱阳湖水系河流之间的径流具有较高的相关性,Gaussian Copula函数能较好地模拟二维至五维的径流联合分布.多条河流的丰枯遭遇随着维数的增加,丰枯组合增加,丰枯同步的联合概率明显下降,且丰枯同步的最大联合概率趋向于丰枯两端.对于相同的概率区间,非汛期径流的丰枯同步联合概率明显大于年径流和汛期径流,而年径流和汛期径流之间的丰枯同步联合概率差别较小.同处于流域北部或南部或相邻的河流之间的组合,其同步联合概率相较其他组合大,而南、北河流组合的同步联合概率相对较小.该研究可为流域水资源管理及水旱灾害预防提供科学依据.