近50a来新疆区域与天山典型流域极端洪水变化特征及其对气候变化的响应

以年极端洪水超标率来反映区域极端洪水,分析了新疆区域极端洪水变化;以年最大洪峰记录分析了天山山区主要河流极端洪水变化规律,并用14站资料分析了天山山区气候变化特征,讨论了天山主要河流极端洪水变化对区域气候变化的响应.结果表明:受气候变暖影响,1957—2006年全疆极端洪水呈区域性加重趋势,尤其南疆区域极端洪水明显加剧,北疆区域也有加重趋势,但相对较缓.全疆及北疆、南疆在20世纪90年代中期以来都处于洪水高发阶段.近50a来,在新疆区域洪水呈加重趋势的变化背景下,发源于天山南坡的托什干河和库玛拉克河年最大洪峰流量呈显著增加趋势,发源于天山北坡的玛纳斯河与乌鲁木齐河年最大洪峰流量虽有增加,但是变化趋势较缓.以年最大洪峰流量发生转折年为界,天山典型流域托什干河、库玛拉克河、玛纳斯河和乌鲁木齐河在20世纪90年代(或80年代)以来与前期相比,呈现出相似的变化特征:年最大洪峰流量明显增大,年际间变化更加剧烈,洪水年更频繁.以年最大洪峰流量发生转折年份为界,玛纳斯河、托什干河和乌鲁木齐河后期的年最大洪峰集中日期较前期推迟2～9d,库玛拉克河却提前5d.玛纳斯河、乌鲁木齐河和库玛拉克河后期的集中度较前期增加0.8%～8.3%,托什干河减小1.1%.1961—2010年,新疆天山山区气温明显上升,升温率为0.34℃.(10a)-1,1997年以后明显增暖;天山山区降水显著增加,增加速率15.6mm.(10a)-1,同时极端降水强度增大、频数增多.近50a来天山主要河流极端洪水变化与区域增温以及天山山区极端降水事件增多等有密切关系.

汛期分期变点分析方法的原理及验证

目前常用的汛期分期方法存在一定的主观性,划分汛期也不够精确,为此提出了用于汛期分期计算的3种变点分析模型:基于日最大值取样的均值变点分析模型、基于超定量取样的概率变点分析模型以及基于年最大值取样的概率变点分析模型。应用统计试验方法对这3种汛期分期模型进行效率评价与比较,结果表明:3种方法都可以客观、精确地进行汛期分期计算,在一定程度上避免了分期中的主观随意性;其中以基于超定量取样的概率变点分析模型具有较好的无偏性和有效性,最适宜在汛期分期计算中应用。

基于启发式分割算法的水文变异分析研究

通过构建理想样本探讨了启发式分割算法在水文变异诊断中的可行性,比较了其与传统变异检验方法在检验性能上的差异,同时结合珠江三角洲河网三水站1900-2004年年最大洪峰流量序列检验其实际应用效果。研究表明该方法能较好排除虚假变异点干扰,较准确识别变异点数目及其发生时间,检验性能优于传统方法,适用于水文变异分析,特别是对复杂非线性非平稳水文序列,实际应用效果较好。通过变异分析发现三水站年最大洪峰流量序列在1993年发生跳跃变异,且为均值向上跳跃,表明区域防洪形势将更加趋于严峻。

年最大洪峰流量群居蜘蛛优化投影寻踪预测模型

年最大洪峰流量预测,受较多的复杂因素的影响,不确定性较强,用常规统计方法做出准确预报具有较大困难。从水文序列本身出发,提出将投影回归模型应用于年最大洪峰流量预测,为了更好获得投影寻踪模型参数和预测精度,提出了运用延迟相关系数法确定回归预测因子、群居蜘蛛算法优化投影寻踪模型最佳投影方向参数a、利用最小二乘法确定多项式的权系数c、岭函数个数M的群居蜘蛛优化投影寻踪年最大洪峰流量预测模型,结合长江宜昌站(1882年-2004年)的年最大洪峰流量资料进行实例预测,训练阶段平均绝对相对误差为8.61%,预测阶段平均绝对相对误差为10.51%,该模型预测效果较好,模型结果稳定,可有效应用于年最大洪峰流量预测。

近60年渭河流域极端降水和洪水演变特征

渭河流域地处中国西北地区东部,是气候敏感区和生态环境脆弱区,极端降水事件往往引发洪水、泥石流等灾害。现有研究主要集中在降水引发的流域径流变化,而极端降水和洪水变化规律有待挖掘。本文基于1961—2021年气象水文资料,选用8个极端降水指数、4个代表水文站年最大洪峰流量,采用百分位阈值法、Kriging空间插值法、线性回归法、滑动平均法、小波分析法,分析了渭河流域极端降水和洪水时空演变特征、周期特征以及2021年极端降水和洪水特性。结果表明:(1)近60年渭河流域极端降水总量和暴雨频次显著增加的同时,极端降水强度亦有所增强,而弱降水事件减少。极端洪水整体呈不显著减少趋势。极端降水和洪水均在2000年以后显著增加,特别是极端降水总量和暴雨频次较多年均值偏多12%~22%,并且各极端降水指数极大值均出现在2000年以后。(2)极端降水和洪水年内分布不均,前者主要集中在7月和8月,后者除“七下八上”期外,9月也是多发期。(3)各极端降水指数均呈现由上游向下游递增的分布,中游南部极端降水普遍强于北部。流域内大部分站点极端降水指数呈增加趋势,显著增加地区位于中游周至—临潼区间以及长武—宁县。(4)极端降水和洪水存在多个周期变化特征,且极端洪水周期年代际特征显著。(5)2021年渭河流域极端降水强度、大雨以上降雨日数均为近61年来之最,华县站出现2012年以来最大洪水过程,咸阳站出现1935年有实测资料以来9月份同期最大洪水。研究结果可为渭河流域水旱灾害防御以及治理规划提供参考依据。

HHT在年最大洪峰流量规律分析中的应用

Hilbert-Huang变换能够定量描述非线性、非平稳、弱相依、高度复杂时间序列的时频特性,较传统的时间序列分析方法更具优势。通过对时间序列进行EMD分解,得出其演化过程的内在模函数和趋势项,并对内在模函数做Hilbert-Huang变换,获得序列的变化周期。以汉江上游的两个代表水文站——石泉和安康水文站的年最大洪峰流量为例分析,石泉站年最大洪峰流量变化存在3.06年、7.11年和24.98年的周期,安康站年最大洪峰流量变化存在3.01年、6.07年、15.97年和29.65年的周期,且两站的年最大洪峰流量序列呈降低的趋势。

设计洪水计算中年最大选样法与超定量选样法的比较

利用宜昌站实测径流资料,对年最大选样法和超定量选样法进行比较,两种选样方法简便易算,超定量选样法可从有限的洪水资料中利用更多的洪水信息。在进行洪水频率分析前,检验样本系列的独立性,并利用常用的线型优选方法选择合适的频率线型。结果表明,超定量选样法在设计洪水计算中的结果是可靠的。

广东省主要江河年最大洪峰流量与大洋海温的关系分析

针对海温对年最大洪峰的影响,采用相关分析法分析了太平洋区域多年逐月的286个海温格点与广东省四大江河控制站年最大流量系列资料,获得了相关性最为明显的特定时间和特定区域的海温,为年最大洪峰预报提供了理论依据。

两变量联合分布在水文频率分析中的应用研究

以汀江流域上某站点的实测洪水资料为样本,利用Gumbel-Hougaard Copula函数构建两个边缘分布为P-Ⅲ型分布的年最大洪峰流量系列与年最大7 d洪量之间的联合分布。实测资料的率定结果表明,年最大洪峰流量和年最大7 d洪量的联合观测值的理论概率分布与经验概率分布拟合得很好。并基于此理论联合分布,进行了一些分析计算。

基于Copula函数的1977—2014年广东省年最大洪峰特征分析

基于广东省51个水文站的1977—2014年的年最大洪峰流量数据,分析了年最大洪峰流量序列的特征和趋势,综合运用MK和Pettitt等数理统计方法研究年最大洪峰流量的变化趋势,同时基于单变量和多变量Copula函数进一步分析洪水重现期及洪水联合分布,揭示土地利用对广东年最大洪峰流量频率的影响机制。研究结果表明:(1)广东省29(22)个站点年最大洪峰流量有增加(减小)的趋势,且北江的三水、石角、高道和西江的小罗年最大洪峰流量呈显著增加趋势,站点大多数集中于北江流域和西江流域;(2)Inverse Gaussian和Log-logistic是年最大洪峰流量拟合最优的单变量分布函数,Clayton Copula是年最大洪峰流量拟合最优的Copula函数;(3)在1977—2014年间,51个站点中有10个站点(其中六个集中在鉴江和漠阳江水系,其余集中在北江和西江水系)发生了百年一遇的洪水,有的甚至远远超过百年一遇,剩余的站点洪水的重现期多集中在20~30 a一遇;(4)选取考虑两站点(高道站与石角站、连平站与顺天站、马口站与三水站、潮安站与东桥园站、合江站和高州站)间年最大洪峰流量的联合分布情况,超过20 a一遇的洪水发生的概率很低,同时5种年联合分布情况下联合重现期和同现重现期随着流量增大而增大,同现重现期总体大于联合重现期。广东省51个站点中,无论是年最大洪峰流量的空间分布还是发生年份的时间分布上都受到了城市化进程下土地利用类型变化的影响,二者在空间和时间上存在一致性。

平寨水库年最大洪峰流量预报模型研究

预报年最大洪峰流量对水库安全运行、科学调度具有重要的指导意义。研究以平寨水库为研究对象,基于国家气候中心提供的130项气象因子,采用逐步多元回归、神经网络、支持向量机、决策树4种方法,建立了平寨水库的年最大洪峰流量预报模型。预报精度的分析比较结果表明,4种模型对平寨水库年最大洪峰流量预报都表现出较好的模拟预报效果,其中以神经网络和逐步多元回归这两种模型精度最高,在制订平寨水库汛期安全度汛计划时具有一定参考价值;也表明了基于气象因子预报年最大洪峰流量是可行的。

连江流域年最大洪水峰量变化特征分析

连江洪水频发,分析其洪水峰量演变规律,可为流域防洪减灾提供参考。采用线性回归、M-K趋势检验、启发式分割算法和Morlet小波变换等方法,系统分析连江控制站高道站洪水峰量极值的趋势性、突变性和周期性。结果表明:①连江流域年最大洪水主要发生在4—6月份,占比80%左右;②年最大洪峰流量和年最大1D洪量在1993年发生了均值向上跳跃突变,年最大洪峰流量均值较突变前增大了1234 m^(3)/s,向上跳跃了33.8%;年最大1D洪量均值较突变前增加了1.002亿m^(3),向上跳跃了35.3%,发生突变可能是由流域极端降雨增强、堤围修建加固等变化引起;③年最大洪峰流量以18.7 m^(3)/(s•a)的趋势显著上升,年最大1D洪量以0.0146亿m^(3)/a的趋势显著上升,其整体上升趋势是均值突变性跳跃上升的影响结果;④洪水峰量极值指标在大尺度上存在14~15 a、15~16 a、15~18 a、16~18 a的周期,在中尺度上存在5~7 a、6~8 a、7~8 a、8~10 a的周期,在小尺度上存在2~3 a、3~4 a的周期。

基于年最大值法和超阈值法的郁江多变量洪水频率分析

近年来,郁江流域水情、工情变化显著,气候异常加剧防洪压力。流域暴雨洪水分布差异明显,单靠洪峰或洪量难以全面描述洪水及其风险,仍需进一步研究。以贵港站1947—2015年径流数据为研究对象,基于年最大值(Annual Maximum,AM)法和超阈值(Peaks Over Threshold,POT)法提取洪水序列,利用3种常见阿基米德Copula函数构建多维洪水变量的联合分布,并对比分析其联合重现期与同现重现期。结果表明,AM法和POT法的最优边缘分布不同,两变量的最优拟合函数分别为Clayton Copula和Frank Copula。尽管两法计算的联合重现期和同现重现期差异不大,但在相同重现期下,POT法计算的洪峰和洪量更为可靠。研究结果可为郁江流域防洪减灾、工程建设和管理提供决策参考。

基于非一致融雪洪水的水库漫坝模糊风险分析

采用Pettitt非参数检验法和Mann-Kendall非参数趋势检验法分析肯斯瓦特水库入库年最大洪峰流量序列的非一致性,利用"分解-合成"理论对其进行了一致性修正,并通过基于直角梯形模糊数的风险分析法给出过去、现状两种条件下的水库漫坝模糊风险率。研究结果表明,年最大洪峰流量序列的变异点发生在1993年,序列整体上升变化趋势不显著,跳跃变异为其主要变异形式;在现状条件下不同截集水平α所对应的水库漫坝风险率区间上限估计值均较过去条件下的估计值要大,表明现状条件下融雪洪水受流域气温显著上升的影响,增大了水库漫坝失事的风险。结果可为有效利用汛期洪水资源、提高水库防洪效益、保障下游防护区的安全提供科学依据。

一种新的洪水频率分析方法研究

为解决采用参数法做洪水频率分析时的线型限制问题,同时避免非参数统计法计算过程中复杂的核函数选取问题,提出一种新的洪水频率分析手段,即基于概率密度演化法来推求洪水频率值。首先通过对概率密度演化法的介绍,给出了年最大洪峰流量联合概率密度函数模型;其次利用具有方向自适应性质的单边差分格式对模型进行数值求解,并对求解结果进行积分,得到洪峰流量概率密度函数值;最终,通过三次样条插值及梯形法由洪峰流量概率密度函数值推求洪峰流量频率值。分别以台湾石门水库及黑龙江省嫩江下游的大赉水文站为例,对其洪水频率进行分析。研究结果表明,同实际工程计算中经常应用的参数洪水频率分析方法相比,采用基于概率密度演化法得到的洪水频率曲线能更好地拟合经验频率点据,是一种有效的水文频率分析方法。