变化环境下基于回归分析的非一致性水文频率计算方法

基于非一致性水文频率计算原理的频率计算方法,存在确定性成分参数选取主观性强,无法反映多影响要素的问题。提出了变化环境下基于回归分析的非一致性水文频率计算方法,将该方法应用在鄱阳湖水位非一致性频率计算中。结果表明:鄱阳湖年均水位序列呈现出下降的趋势,枯水期出现的频率有所提升,重现期缩短,导致鄱阳湖干旱情况频发。分析结果与鄱阳湖实际的水位状况较为一致,该方法具有较好的可行性和可靠性。

变化环境下汀江流域非一致性水文频率分析

受气候变化及水利工程建设影响,传统水文频率分析无法更深层次的反应河道洪水及枯水变化特征。该文以汀江流域为例,采用Mann-Kendall检测法、滑动t检验法分析溪口站年最大洪峰流量及最枯月平均流量变异情况及变化趋势。将水文变异序列进行基于趋势分析和两P-Ⅲ混合分布的非一致性水文频率计算,分析传统水文频率计算与非一致性水文频率计算之间的差异,为汀江流域防洪调度提供参考依据。结果表明:溪口站年最大洪峰流量在2001年发生突变,呈显著下降趋势,而最枯月平均流量未发生明显变异;溪口站年最大洪峰流量序列宜采用基于两P-Ⅲ混合分布非一致性水文频率计算进行修正,受棉花滩电站调蓄影响,修正后溪口站设计洪峰流量均减小。

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。

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。

基于跳跃性诊断的非一致性水文频率分析

气候变化及人类活动等的影响致使水文系列的一致性遭到破坏,传统频率分析方法对水文系列的一致性要求已很难满足。为此,探索非一致性水文系列的频率分析方法显得尤为重要。基于假定"发生跳跃性变异的实测系列存在着某种理想化的平稳性(一致性)状态,且这种平稳状态所具有的振动中心(即均值)是系列变异点前后两实测样本系列均值的线性组合",通过综合变异点前后两段系列,开展跳跃性变异系列的一致性修正及频率分析计算。应用该方法对黄河上游唐乃亥站1961—2007年的年径流系列进行了研究,结果表明:基于未修正系列和修正系列的水文频率计算结果存在明显差异,10 a一遇设计标准以上设计年径流量的差异幅度在6.7%以上;且随着设计标准的提高,差异表现得更为明显。

变化环境下非一致性水文频率分析研究综述

水文频率分析计算是水利工程规划设计、施工以及运行管理的基础工作,传统的水文频率分析计算的一个基本前提是水文序列满足一致性假设。近几十年来,受气候变化和人类活动影响,许多河流的径流序列存在非一致性,导致传统基于一致性假设的水文频率计算方法的适用性受到严峻挑战,因此研究非一致性条件下水文频率分析方法具有重要的意义。本文在总结了国内外最新的非一致水文序列频率分析研究成果的基础上,将该研究方向的研究重点、难点和热点归纳为如下四方面：1）单变量水文序列的非一致性诊断;2）单变量水文序列非一致性的数学描述与归因分析;3）非一致性条件下的单变量随机事件重现期定义和估计;4）多变量非一致水文序列的频率分析。最后,针对这些问题,对今后的研究进行了展望。

渭河流域降雨时间序列非一致性频率分析

全球气候变化加剧及大规模人类活动影响,水文时间序列一致性假设不再成立,导致基于一致性假设的传统水文频率分析方法得到的设计结果可信度受到质疑。为了研究渭河流域降雨时间序列的非一致性对未来年份内某一重现期设计暴雨的影响,采用时变矩法及时间序列分解合成法对修正后的GCM降雨时间序列进行非一致性频率分析,并预测2050年、2075年、2100年相应的100 a?500 a重现期的年最大24 h设计暴雨。研究发现:(1)修正后的年最大24 h降雨时间序列均值及方差都存在显著的非一致性;(2)时变矩法设计结果较传统频率分析方法有较大差异,比如2100年100 a?500 a重现期的设计暴雨相比于传统方法分别增加29.09%、39.99%; (3)同时考虑均值及方差变异的时间序列分解合成法设计结果与时变矩法相当,但500 a重现期设计暴雨值相比于传统方法增加的程度稍小于时变矩法,其21Q0年100 a?500 a重现期的设计暴雨值较传统方法分别增加26.91 %、19.69%。

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。

混合分布在非一致性水文频率分析中的应用

传统水文频率分析方法的前提条件是水文极值系列需满足一致性要求,然而由于气候变化和人类活动的影响,使得水文资料的非一致性问题越来越突出,导致现行水文频率分析方法的应用受到挑战。根据重建的淮河流域1470年-1999年共530年夏季面平均降雨量长系列数据,进行分析,通过假设检验表明系列在1534年、1724年和1923年发生跳跃性变异,因而将系列划分为4个子平稳系列;采用现行频率分析方法估计每个子系列的概率分布函数,再根据混合分布概念由各子系列的概率分布构建一个综合的概率分布函数,作为非一致性降雨系列总体分布的估计。在此基础上,计算了给定设计标准下的设计值,并与基于大样本(530年)计算的经验设计值进行了对比,结果表明混合分布模型对观测系列具有较好的拟合效果。

基于跳跃分析的非一致性水文频率计算

气候变化和人类活动等因素的影响使得洪水及径流的生成和孕育环境发生了变化,致使实测洪量系列的一致性受到干扰或破坏,对频率分析成果产生了一定的影响。本文以金沙江流域某站点资料为例,采用滑动秩和检验法和有序聚类分析法对其跳跃性进行分析,并进行系列的一致性修正及水文频率分析。结果表明,基于未修正系列和修正系列进行频率分析得到的设计成果存在差异,且随设计标准的降低,差异性表现的更为显著。

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。

基于非一致性频率的全国旱灾损失风险分析

基于1949—1999年中国旱灾损失资料,运用启发式分割算法对旱灾损失序列进行变异点判定,并运用非一致频率分析方法对全国旱灾损失序列进行频率分析,得出基于不同时间段的3条近似平行的旱灾损失序列频率曲线,结果呈现出一种时序的规律性。结合1951—1998年中国年平均降水量资料,对结果合理性进行了分析。

环境变化条件下大清河流域非一致性洪水频率分析及设计洪水研究

为了推求变化环境下大清河流域设计洪水,采用大清河流域8个子流域实测非一致性洪水资料,利用传统还原方法进行了设计洪水推求,同时,构建了概率分布参数随时间变化的非一致性洪水频率分析模型,计算了环境变化条件下的各子流域设计洪水。结果表明:安各庄与横山岭2个子流域的最优分布参数为常数,阜平、龙门、王快、西大洋、张坊和紫荆关6个子流域洪水序列最优分布的分布参数μ都与时间呈反比;按照非一致性序列分析方法推求的设计洪峰流量和一致性条件下推求的设计洪峰流量相比均有明显的下降,且较大重现期的设计洪峰流量比一致条件下减小更为明显。这说明在环境变化条件下对设计洪水计算成果进行修订是非常必要的。

分位数回归和GAMLSS模型在非一致性洪水频率分析中的比较

为了探索分位数回归模型在非一致性频率分析中的适用性,分别采用分位数回归模型和GAMLSS模型对渭河流域以及珠江流域5个站点的年最大洪水序列进行非一致性频率分析。模型概率覆盖率定性分析结果显示,分位数回归模型拟合效果优于GAMLSS模型;Filliben相关系数定量分析结果显示,GAMLSS模型拟合效果更好但优势不明显。综合分析可得,分位数回归模型的拟合优度整体优于GAMLSS模型。

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%。

基于WHMLUCC水文模型的非一致性干旱频率计算方法(Ⅰ):原理与方法

由于全球气候变暖、大规模人类活动等变化环境的影响,改变了干旱的成因和统计分布规律,造成干旱频率增加、重现期缩小,使得干旱序列失去了一致性。本文针对变化环境下形成的非一致性干旱问题,结合考虑土地利用/覆被变化的流域水文模型WHMLUCC,提出基于WHMLUCC模型的非一致性干旱频率计算方法,并从成因途径推求不同情景变化环境下的干旱频率分布规律,为流域干旱预测和干旱规划提供理论方法和科学依据。

基于WHMLUCC水文模型的非一致性干旱频率计算方法(Ⅱ):作物缺水干旱指标在无定河流域的应用

干旱作为一种常见的气象灾害,已经成为制约社会经济发展和农业生产的瓶颈之一。结合考虑土地利用/覆被变化的流域水文模型(WHMLUCC)和作物缺水指标(CWSI)模拟干旱的发展过程,从成因途径提出基于WHMLUCC的非一致性干旱频率计算方法,并以无定河流域为例,推求不同时期(或情景)的干旱频率分布规律,进一步结合干旱等级标准推求不同等级(无旱、轻旱、中旱、重旱、特旱)干旱事件出现的概率,为该流域干旱预测和干旱规划提供科学依据。研究结果表明:1通过作物缺水指标分析可知,过去气候条件下的情景2(过去近期)与情景1(过去远期)相比,CWSI增加了0.045;不同气候条件下情景3(现状时期)与情景2(过去近期)相比,CWSI增加了0.018。2通过干旱频率计算分析可知,同频率、同重现期下,过去远期、过去近期和现状时期的作物缺水指标呈增加趋势,中旱等级以上干旱事件的概率也有所增加,说明无定河农业干旱程度逐渐加重。3通过成因分析发现,无定河流域农业干旱与气候变化和当地水土保持工作密不可分。

条件概率模型在非一致性水文序列频率计算中的应用

【目的】对条件概率模型在非一致性水文序列频率计算中的应用进行研究,为变化环境下的水文频率分析提供依据。【方法】基于条件概率模型,以渭河流域林家村、张家山和状头3个具有跳跃变异的水文站年平均流量系列为研究对象,选择两参数对数正态分布、三参数对数正态分布、Gumbel分布和P-Ⅲ型分布4种分布模型,采用模拟退火粒子群算法进行参数估计,以效率系数R2等指标进行拟合优度评价并选取最佳模型,最后采用学生化残差分析所选模型的合理性。【结果】3个水文站序列的理论频率曲线与经验点据配合的效率系数均高于0.96,最佳模型的学生化残差均服从标准正态分布,表明基于条件概率模型的计算结果合理可靠。【结论】条件概率模型的物理意义明确、理论严密、拟合效果较优,是一种对具有跳跃变异的非一致性水文序列进行频率分析的有效途径。

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。

非一致性条件下水文设计值估计方法探讨

非一致性水文频率分析中,为了刻画未来环境变化对水文极值分布函数的影响,常假定分布函数中的分布参数随时间或其它因子变化,这就导致了某一量级洪水在未来发生的可能性每年均不同,是随时间变化的,使得现行水文频率分析框架中熟于理解的重现期/设计值概念难于应用。为此,提出"等可靠度"概念,即假定在工程的设计使用寿命期内,非一致条件下的频率分析结果与平稳条件下的成果应具有相同的水文设计可靠度,由此可以继续采用现行水文频率分析框架中的重现期与可靠度的概念探讨非一致条件下频率分析中设计值的估计问题,并建立了一致/非一致性条件下计算方法的联系,保证了非一致性条件下水文设计成果与现行工程采用的成果之间的衔接与协调。