变化环境下的水文事件频率计算

1、变化环境下的水文事件频率计算变化环境下的水文事件频率计算宋松柏宋松柏水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院 西北农林科技大学西北农林科技大学杨凌杨凌, , 陕西陕西, , 中国中国Email：ssb6533 2014年水科学发展论坛会年水科学发展论坛会 郑州大学，郑州大学，2014. 04 提纲提纲n 问题的提出问题的提出n 现有的计算方法现有的计算方法n 非一致分布年径流序列频率计算实例非一致分布年径流序列频率计算实例n 非一致分布年最大洪峰序列频率计算实例非一致分布年最大洪峰序列频率计算实例n 非平稳极值模型计算实例非平稳极值模型计算实例n 非平稳重现期和设计值计算非平稳重现期和设计值计算n

2、 西北农林科技大学水建学院介绍西北农林科技大学水建学院介绍 1. 问题的提出问题的提出 2005年，我校特邀武汉大学谢平教授作年，我校特邀武汉大学谢平教授作变变化环境下的水文频率计算化环境下的水文频率计算学术报告。我们的研学术报告。我们的研究是从谢教授那里学习来的。究是从谢教授那里学习来的。 1. 问题的提出问题的提出非同一分布洪水序列频率分析非同一分布洪水序列频率分析 1. 问题的提出问题的提出非平稳水文极值事件的重现期与风险非平稳水文极值事件的重现期与风险 1. 问题的提出问题的提出n 不同机制产流形成年最大洪峰序列雨雨融雪融雪冰川融化冰川融化 1. 问题的提出问题的提出n 人类活动改变了

3、流域下垫面水利工程水利工程水保工程水保工程农田开垦农田开垦城市建设城市建设砍伐砍伐放牧放牧 1. 问题的提出问题的提出n 气候变化 不同机制产流形成的洪水在年最大洪峰序列中存在非同分布。 在受气候变化和人类水事活动频繁发生的流域，径流序列在人类水事活动影响前后将不能认为是来自同一总体（谢平，2005）。 2. 现有的计算方法现有的计算方法(1) Waylen-Woo 公式公式 xFxFxFT21式中， xFT为年最大洪峰的混合分布，由降雨和融雪两个独立的过程产生； xF1和 xF2分别为降雨和融雪洪水分布。(2) 季节洪水分布公式季节洪水分布公式 xpxpxpxpxp2121式中， xp为年最

4、大洪峰概率； xp1和 xp2分别为两季节最大洪水，假定两季节最大洪水。 2. 现有的计算方法现有的计算方法(3) Singh全概率公式全概率公式 siiisiiiAxpApAxXpApxXpxp11| xpxpxpxXxXxXpkjixpxpxpxXxXxXpjixpxpxXxXpsskjikjijiji2121,;,;, xpxpjiji 基本假定基本假定 2. 现有的计算方法现有的计算方法(4) 谢平公式谢平公式 基于时间序列分析的非一致性年径流序列水文频率计算方法。认为非一致性水文序列由相对一致的随机性成分和非一致的确定性成分组成，采用成因分析法与统计分析法分别对确定性成分和随机性成分

5、进行识别与检验。在确定性成分进行拟合计算和随机性成分频率计算的基础上，根据时间序列分析的分解与合成理论，将确定性的预测值和随机性的设计值进行合成，得到过去、现在和未来不同时期水文合成序列的频率分布。 2. 现有的计算方法现有的计算方法(5) Nonstationary Hydrologic Extreme EventsnkkknnnnntttxxxFtttxxxF,;,;,212121 假定与前提条件：水文序列为非平稳过程，统计特假定与前提条件：水文序列为非平稳过程，统计特性随时间发生变化。性随时间发生变化。非平稳分布模型非平稳分布模型 3. 非一致分布年径流序列频率计算实例非一致分布年径流序

6、列频率计算实例3.1 基本思想基本思想变异点理论年径流序列年径流序列成因分析S个子序列个子序列全概率公式理论频率公式理论频率公式经验频率公式经验频率公式频率分布参数估计S个子序列分布个子序列分布理论频率设计值计算设计值计算数值计算年径流序列划分示意图年径流序列划分示意图 3. 非一致分布年径流序列频率计算实例非一致分布年径流序列频率计算实例3.2 计算公式计算公式 siiiAxPNnxF1|NnAPiisi, 2 , 1 理论频率理论频率 siiNmxF11经验频率经验频率 siiiAxPNnPxG1|kpkpkpkpxGxGxx,1, 2 , 1 , 0k设计值计算设计值计算 3. 非一致分

7、布年径流序列频率计算实例非一致分布年径流序列频率计算实例3.3 应用实例应用实例陕西省几个典型测站年平均流量序陕西省几个典型测站年平均流量序列列 3. 非一致分布年径流序列频率计算实例非一致分布年径流序列频率计算实例3.3 应用实例应用实例陕西省几个典型测站年平均流量序陕西省几个典型测站年平均流量序列列 3. 非一致分布年径流序列频率计算实例非一致分布年径流序列频率计算实例3.3 应用实例应用实例陕西省几个典型测站年平均流量序陕西省几个典型测站年平均流量序列列 3. 非一致分布年径流序列频率计算实例非一致分布年径流序列频率计算实例3.3 应用实例应用实例陕西省几个典型测站年平均流量序陕西省几个

8、典型测站年平均流量序列列 3. 非一致分布年径流序列频率计算实例非一致分布年径流序列频率计算实例3.3 应用实例应用实例渭河流域泾河张家山站年平均流量序渭河流域泾河张家山站年平均流量序列列 4. 非一致分布年最大洪峰序列频率计算实例非一致分布年最大洪峰序列频率计算实例4.1 基本思想基本思想产流机制年洪峰序列年洪峰序列成因分析S个子序列个子序列全概率公式理论频率公式理论频率公式经验频率公式经验频率公式频率分布参数估计S个子序列分布个子序列分布理论频率设计值计算设计值计算数值计算 4. 非一致分布年最大洪峰序列频率计算实例非一致分布年最大洪峰序列频率计算实例4.2 计算公式计算公式 siiisi

9、iiAxpApAxXpApxXpxp11|理论频率理论频率经验频率经验频率设计值计算设计值计算 4. 非一致分布年最大洪峰序列频率计算实例非一致分布年最大洪峰序列频率计算实例4.3 应用实例应用实例Annual peak discharge of Station 10311000 , Carson River, USA选用对数选用对数P-III分布分布Logarithmatical Annual rainfall peak discharge sereis: alfa= 10.219238 beta= 0.139022 a0= 2.078739Logarithmatical Annual sn

10、owmelt peak discharge sereis: alfa= 64.889942 beta= 0.020662 a0= 1.990567 0.01 0.1 0.5 1 2 5 10 20 30 50 70 90 95 98 99 99.9 00.511.522.53x 104频率 (%)流量 (cfs) 本文经验频率理论频率Singh经验频率 4. 非一致分布年最大洪峰序列频率计算实例非一致分布年最大洪峰序列频率计算实例4.3 应用实例应用实例Annual peak discharge of Station 10311000 , Carson River, USA 5. 非平稳极值模

11、型计算实例非平稳极值模型计算实例5.1 应用实例应用实例美国Mercer Creek河流12120000水文站年最大洪峰流量图图1 美国Mercer Creek河流12120000水文站年最大洪峰流量图 5. 非平稳极值模型计算实例非平稳极值模型计算实例5.1 应用实例应用实例美国Mercer Creek河流12120000水文站年最大洪峰流量 5. 非平稳极值模型计算实例非平稳极值模型计算实例5.1 应用实例应用实例美国Mercer Creek河流12120000水文站年最大洪峰流量01ln1010101111111111nttttkttktnttttktnttktnttktxkzzkzzx

12、zzknzzktzzkGEV 1 模型模型01ln10111111111ntttkttktntttktnttktxkzzkzzxzzknzzkGEV 0 模型模型 5. 非平稳极值模型计算实例非平稳极值模型计算实例5.1 应用实例应用实例美国Mercer Creek河流12120000水文站年最大洪峰流量GEV 3 模型模型GEV 2 模型模型01ln1010110101111121112111111ntttttkttktntttttktnttntttttktnttntttkintttktxkzzkzztxzzktxzzkzzktzzk0ln11011111011111011110111111

13、11212111211111111121211111111nttntktntttnttktntttntttnttktntttntttnttktntttnttktzkkzkazZkazzkaazzkazzkazzkzzkzzkzzk 5. 非平稳极值模型计算实例非平稳极值模型计算实例5.1 应用实例应用实例美国Mercer Creek河流12120000水文站年最大洪峰流量GEV 3 模型模型tt21taat21ttttxkz11111ttttttkxkz2221ttttttkxkz12111axkxkaaztttttttt22221axkxkaaztttttttt12111ttttt21221

14、2111taaaatttaaaat2122 5. 非平稳极值模型计算实例非平稳极值模型计算实例5.1 应用实例应用实例1 美国Mercer Creek河流12120000水文站年最大洪峰流量 5. 非平稳极值模型计算实例非平稳极值模型计算实例5.1 应用实例应用实例1 美国Mercer Creek河流12120000水文站年最大洪峰流量 5. 非平稳极值模型计算实例非平稳极值模型计算实例5.1 应用实例应用实例 2 石羊河流域杂木河天然年径流量石羊河流域杂木河天然年径流量 5. 非平稳极值模型计算实例非平稳极值模型计算实例5.1 应用实例应用实例 2 石羊河流域杂木河天然年径流量石羊河流域杂木

15、河天然年径流量 6. 变化环境下的重现期和设计值变化环境下的重现期和设计值6.1平稳年值水文序列重现期与设计值计算平稳年值水文序列重现期与设计值计算 T 年事件的第一种解释：直到下一个超越事件发生的期望等待时间。TTtWPt1111 11010111tttttpqtTTttWPtWETTqqqdqdp11111 式中， 6. 变化环境下的重现期和设计值变化环境下的重现期和设计值6.1平稳年值水文序列重现期与设计值计算平稳年值水文序列重现期与设计值计算 T 年事件的另一种解释是T年内事件发生的期望数等于1 。 式中， TkkTkkkkTkqpkTkTTkTkkNkPNE000111TTTTTpT

16、TTqpTqpTpqTqT3322133221100132212211TTTTpqpTTpqTqTp111TTTpqpTpT，kkTTTkTkNP111 6. 变化环境下的重现期和设计值变化环境下的重现期和设计值6.2非平稳年值水文序列重现期与设计值计算非平稳年值水文序列重现期与设计值计算 式中， T 年事件的第一种解释：直到下一个超越事件发生的期望等待时间。 111101ttitittrFrFttWPttWPtWE rFrFrFrFrFrFrFrFrFrF43213212111 111iijjrF 111titirFrFtWP 6. 变化环境下的重现期和设计值变化环境下的重现期和设计值6.2

17、非平稳年值水文序列重现期与设计值计算非平稳年值水文序列重现期与设计值计算 式中，I 为指示函数。， T 年事件的另一种解释是T年内事件发生的期望数等于1 。 TttTttTttrFrXPrXIENE1111TtTtxF111 6. 变化环境下的重现期和设计值变化环境下的重现期和设计值6.3 实例实例1， 6. 变化环境下的重现期和设计值变化环境下的重现期和设计值6.3 实例实例2， 7. 西北农林科技大学水建学院介绍西北农林科技大学水建学院介绍 7. 西北农林科技大学水建学院介绍西北农林科技大学水建学院介绍近代著名水利专家近代著名水利专家原西北农林专科学原西北农林专科学校水利组主任校水利组主任

18、 李仪址李仪址先生著名泥沙专家、水利著名泥沙专家、水利教育家、原西北农学教育家、原西北农学院院水利系主任、西北水水利系主任、西北水利科学研究所所长利科学研究所所长沙玉清沙玉清先生先生著名水利专家、原西北农学著名水利专家、原西北农学院院长院院长原西北水利科学研究所主任、原西北水利科学研究所主任、代所长代所长李赋都李赋都先生先生 7. 西北农林科技大学水建学院介绍西北农林科技大学水建学院介绍著名水利水电专家原西北水利科学研究所副所长、代所长韩瀛观韩瀛观先生著名水利专家原西北水利科学研究所总工程师李崇智李崇智先生著名农业水土工程学家原西北农学院副院长水利系主任熊运章熊运章教授 7. 西北农林科技大学水建学院介绍西北农林科技大学水建学院介绍中国工程院院士原西北农业大学副校长原水建学院教授李佩成李佩成教授中国工程院院士原水建学院院长康绍忠康绍忠教授 7. 西北农林科技大学水建学院介绍西北农林科技大学水建学院介绍 学院在农业水土、泥沙、旱区水资源、防渗抗冻胀