变化环境对华南湿润区洪水频率变化影响分析

变化环境对华南湿润区洪水频率变化的影响分析陈晓宏1,2、汪丽娜31中山大学水资源与环境研究中心

2华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室3华南师范大学地理科学学院

2012.7研究背景全球气候变化导致灾害性极端天气事件的发生频率和强度的增加，尤其是洪水灾害的频繁发生。以武江流域为例，进入21世纪以来：2002年出现了近30年一遇的洪水一次，同年出现近20年一遇洪水一次；2006年出现了一场近600年一遇的洪水，同年又出现20年一遇的洪水；2008年超20年一遇的洪水再次访问该流域。LOGO问题：近20年来武江流域的小概率洪水事件时常出现，小概率洪水常态化了，这与统计学、概率学上的概念不完全符合，所得的结果难以令人信服。研究背景LOGO研究思路研究意义研究思路和研究意义引发思考初步分析洪水频发现象

解开矛盾症结气候变化内驱动力外驱动力+进一步思考洪水特性发生变化寻找适合当前环境下的洪水频率计算模型为流域防洪减灾、洪水资源化利用、水库调度规则的建立、洪涝评估分析，提供理论支撑。挖掘洪水时间序列的特性。解读气候变化下洪水的异变性。研究气候变化对洪水频率理论及计算方法的影响，试图寻找适合当前环境下的洪水频率计算模型。研究目标理论上的小概率洪水实际中的常遇洪水矛盾现象揭示隐藏在背后的本质洪水特性的挖掘

洪水序列分析：洪水异变性的解析洪水演进过程时-频域的响应洪水序列随机性、独立性的辨识P-III型分布使用的限制频率计算理论的解读：极值变量单一输入的不合理性随机性和独立性的前提气候变化影响Gumbel-Logistic模型洪峰流量洪水总量洪峰水位较真实洪水频率结果的解答技术路线降雨量研究内容解析了武江流域洪水的动力学特性

综合分析了武江流域洪水的异变性解答了小概率洪水事件和常遇洪水之间的矛盾症结所在，并论证适合气候变化背景下的洪水频率计算模型

武江流域介绍

武江是北江流域第二大的一级支流，水系发达。武江干流在广东境内比降较陡，平均比降1.27‰，流速大，洪水传播时间快，是典型的弯曲型山区河流。进入21世纪以后，全球气候变化的作用，导致武江流域台风雨增多。

珠江流域北江水系武江流域图LOGO水文现象受多种因素的影响，使得水文时间序列表现出高度的非线性、复杂性和不确定性的特征。洪水动力学特性解析是理解确定性和随机性的基础。从以下两方面着手研究：1)混沌性的识别2)动力学特性解读

1洪水动力学特性解析解析的方法

G_P算法、Cao氏算法计算嵌入维、Lyapunov指数的计算、互信息算法确定延迟、重构相空间和R/S分析方法。6种方法与结果之间的相互连接:恰当的+嵌入维数时间延迟奇异吸引子重构相空间Lyapunov指数的计算初值的敏感性Cao氏算法互信息法G_P算法R/S分析方法分形性无标度区的辨识无标度区的准确性将直接影响分形维的准确性正确辨识洪水时间序列为纯随机性？混沌序列？1洪水动力学特性解析LOGO解析的时间序列的对象由于洪水时间序列不同于其他水文时间序列，每年具有一场或多场洪水过程，因此在本汇报中以两种洪水时间序列为研究对象：i)以1955-2007年为时间跨度，每年中选一个洪峰流量值，由53个洪峰流量数据组成一个洪峰流量时间序列;ii)以1955年、1956年、……2006年和2007年的洪峰流量过程为例，分析武江流域的洪水时间序列的动力特性。解析结果武江流域53场洪水和年洪峰流量具有混沌性、长程相关性和分形性。1洪水动力学特性解析LOGO气候的变化导致水文时间序列的突变，洪水作为水文时间序列的要素之一，即具有与之相同的共性，又有自身的特性。本研究结合洪水时间序列自身的特征，综合分析各项要素的异变性。从以下几方面分析洪水的异变性：1）洪水强度大小的比较及异变性分析2）洪水形态的分类及异变性辨识3）Qmax、Qtotla和Q3d的异变性

2武江流域洪水异变的辨识LOGO2.1洪水强度大小的分类及异变性解析2.1.1强度指标的选择根据武江流域的洪水特征和武江流域的地形地貌的特性，选取洪峰流量、洪峰水位、最大72小时洪量和洪水总量。2.1.2分类模型：人工鱼群优化的模糊c均值算法。2武江流域洪水异变的辨识LOGO2.1.3分类结果及异变性的辨识：洪水等级洪水分类结果IV2006III1961,1968,1994,2002II1955,1956,1957,1962,1969,1972,1973,1975,1976,1977,1978,1980,1982,1983,1985,1992,1993,1995,1997,1998,1999,2001,2005,2007I1958,1959,1960,1963,1964,1965,1966,1967,1970,1971,1974,1979,1981,1984,1986,1987,1988,1989,1990,1991,1996,2000,2003,2004结论：将洪水强度分为4类时，武江流域的4类强度洪水在各个年代、各个时期分布较均匀，未出现强度异变。洪水强度异变性分析：洪水强度分类的结果：2武江流域洪水异变的辨识LOGO2.2洪水形态的分类及异变性辨识2.2.1洪水形态指标选择：1）偏度：

峭度：峰越尖锐，峭度越大；峰越平坦，峭度越小。2）时域特征（6项指标）：3）频域特征（5项指标）：洪水时间序列的频域带个数、能量最为集中的频域中心值、能量最为集中的时间值、高频率的频域跨度值、高频率的频域时间持续值。2武江流域洪水异变的辨识LOGO2.2.2洪水形态指标的提取：

降维模型：

主成分分析方法进行降维处理。

降维结果：

用6项指标（洪水时间序列的频域带个数、高频率的频域时间持续值、能量最为集中的频域中心值、涨洪点仰角值、洪水起涨点的斜率、洪水退水点的斜率）可以将洪水形态进行分类。2武江流域洪水异变的辨识LOGO

2.2.3

洪水形态分类及异变的辨识分类模型：蚁群算法优化改进的投影寻踪模型结果：异变性辨识：结论：随着年代的延伸,II型双峰型洪水减少,而I型双峰型洪水增多.II型双峰型I型双峰型2武江流域洪水异变的辨识LOGO2.3Qmax、Qtotla和Q72h的异变性方法：启发式分割算法、Pettitt法结果：

年洪峰流量(Qmax)洪水总量（Qtotla）最大72小时洪量(Q72h)突变时间显著水平突变时间显著水平突变时间显著水平1994年**1993年**1993年**2武江流域洪水异变的辨识LOGO传统的水文频率分析（P-III型分布）仅考虑水文时间的某一特征量，对洪水特征的描述不全面，是导致采用P-III型分布计算出的洪水频率结果与实际情况存在偏颇的原因之一。武江流域洪峰流量具有混沌性、分形性和长程相关性，因此现今洪水时间序列可能不完全服从传统的P-III型分布，亦是导致洪水频率结果与实际情况存在偏颇的另一个原因。将进一步探讨小概率洪水事件与常遇洪水之间的矛盾症结，并寻找适合气候变化背景下的洪水频率计算模型。3解析气候变化下的洪水频率值LOGO3.1随机性和独立性的解析时间序列的选取1）以1955-2007年的53场洪水的洪峰流量时间序列为研究对象2）以4场调查到的历史洪水（1835年、1915年、1931年和1935年）与1955-2007年的53场洪水作为输入，解析57场洪水的洪峰流量的随机性和独立性。解析方法随机性：通过自相关系数值的判断；独立性：轮次分析法。3解析气候变化下的洪水频率值LOGO3.1随机性和独立性的解析解析结果1）53场洪水的洪峰流量具有随机性，但由于年洪峰流量负轮次长的数学期望E(53)=2.364>2.0，表明它不具有独立性。2）57场洪水的洪峰流量具有随机性，但由于年洪峰流量负轮次长的数学期望E(57)=2.1538>2.0，表明该时间序列亦不具有独立性。3解析气候变化下的洪水频率值LOGO洪水频率计算模型的选取：

当采用P-III型分布计算洪水频率时，由于模型输入的时间序列的非独立性，导致P-III型分布计算出的洪水频率结果与实际存在偏差。Gumbel认为现实状态下的数据难以具有独立性，并且实际研究表明许多水文极值现象都服从Gumbe1分布，由于Gumbel-logistic模型的限制条件较少，使用范围更大，本研究中采用该模型计算洪水特征量的频率/重现期值。3解析气候变化下的洪水频率值3.2气候变化下的洪水频率计算模型的选取

LOGO计算模型：Gumbel-Logistic模型洪水特征量的选择：

53场洪水：洪峰流量+洪水总量

57场洪水：洪峰流量+洪峰水位统计检验：

K-S检验法来检验选取的洪水特征值的边缘分布是否服从耿贝尔分布。3解析气候变化下的洪水频率值3.2气候变化下的洪水频率计算模型的选取

LOGO分布检验结果：3解析气候变化下的洪水频率值3.2气候变化下的洪水频率计算模型的选取

结论：53场洪水的洪峰流量和洪水总量，以及57场洪水的年最高水位和洪峰流量的边缘分布都符合Gumbel分布。

项目结果柯尔摩哥洛夫检验的临界值（Dn）53场洪水(n=53)洪峰流量0.1224D(53)=0.17981洪水总量0.111957场洪水(n=57)洪峰流量0.1236D(57)=0.17231洪峰水位0.0536LOGO洪水重现期结果：3解析气候变化下的洪水频率值3.2气候变化下的洪水频率计算模型的选取

项目年份重现期（年）Gumbel-Logistic模型53场洪水1961年3.091968年10.561994年25.762002年10.942006年153LOGO洪水重现期结果：3解析气候变化下的洪水频率值3.2气候变化下的洪水频率计算模型的选取

项目年份重现期（年）P-III型分布Gumbel-Logistic模型57场洪水1853年10037.231915年3017.521931年2012.861935年138.51961年107.271968年137.641994年3016.152002年2213.212006年599131.05LOGO小结：气候变化的作用下，对于不具有独立性的时间序列，如果采用P-III型曲线分布的统计方法，不仅不能客观描述洪水频率的结果，且计算出的重现期难以从数理统计学的角度理解。因此，本研究从洪水具有的特性，以及气候变化作用下展示出的异变性出发，根据Gumbel-Logistic模型，结合两变量的优势，多角度、较全面刻画出洪水频率在气候变化作用下的真实结果。3解析气候变化下的洪水频率值LOGO4.1分析对象的选择样本的选取1)以年最大抽样法得到样本，即AM系列。2)超定量法取样：i）平均每年以1个超定量洪峰纳入分析序列中获得的样本，即POT1。

ii）平均每年以3个超定量洪峰纳入分析序列中获得的样本，即POT3。时间序列的分段1)1951-1980年为一个时间段，2)1981-2010年为另一个时间段。4解析气候变化下的洪水频率值LOGO4.1分析对象的选择获得的序列：1）AM_1(1951-1980年)、AM_2(1981-2010年);2）POT1_1(1951-1980年)、POT1_2(1981-2010年);3）POT3_1(1951-1980年)、POT3_2(1981-2010年);模型的输入：

P-III型分布：以最大日径流量或最大3天流量

Gumbel-Logistic模型：以最大日径流量和最大3天流量4解析气候变化下的洪水频率值LOGO4珠江流域其他站点洪水频率值解析4.2AM_1序列的频率值站名K-S检验结果独立性检验随机性检验QdQ3dQdQ3dQdQ3d迁江0.0910.1161.52√√三岔0.1310.08321.75√√南宁0.0950.0912.3332√√说明：迁江站和南宁站最大3天流量具有独立性，三岔站最大日径流量具有独立性；且三个站的日径流量和最大3天流量的边缘分布都符合Gumbel分布。

备注：表中Qd和Q3d分别表示最大日径流量和最大3天流量，后文相同。

LOGO重现期结果：4珠江流域其他站点洪水频率值解析具有独立性的最大日径流量三岔站:

结论：P-III型分布计算结果与Gumbel-Logistic模型计算结果较为接近。4.2AM_1序列的频率值LOGO重现期结果：4珠江流域其他站点洪水频率值解析不具有独立性的最大日径流量迁江站和南宁站

：结论：P-III型分布计算结果与Gumbel-Logistic模型计算结果差异较大。4.2AM_1序列的频率值重现期结果：4珠江流域其他站点洪水频率值解析具有独立性的最大3天径流量迁江站和南宁站

：结论：1)P-III型分布计算结果与Gumbel-Logistic模型计算结果相接近。

2)存在差异是由于Gumbel-Logistic模型以二元输入为背景进行计算的。4.2AM_1序列的频率值4珠江流域其他站点洪水频率值解析说明：长坝站和高道站最大日径流量具有独立性，且百色站和高道站最大3天流量亦具有独立性；以上三个站的最大日径流量和最大3天流量的边缘分布都符合Gumbel分布。

4.3AM_2序列的频率值站名K-S检验结果独立性检验随机性检验最大日径流量最大3天流量最大日径流量最大3天流量最大日径流量最大3天流量百色0.11680.08081.82√√长坝0.13060.070521.7√√高道0.10060.139422√√重现期结果：4珠江流域其他站点洪水频率值解析具有独立性的最大日径流量高道站和长坝站

：结论：P-III型分布计算结果与Gumbel-Logistic模型计算结果相接近。4.3AM_2序列的频率值重现期结果：4珠江流域其他站点洪水频率值解析百色站不具有独立性的最大日径流量(a)：具有独立性的最大3天流量(b)：结论：图(a)中P-III型分布计算结果与Gumbel-Logistic模型计算结果相差较大；图(b)中的结果相接近。4.3AM_2序列的频率值4珠江流域其他站点洪水频率值解析说明：长坝站和石角站最大3天流量具有独立性，且新和站最大日径流量和最大3天流量均具有独立性；以上三个站的最大日径流量和最大3天流量的边缘分布都符合Gumbel分布。

4.4POT1_1序列的频率值站名K-S检验结果独立性检验

随机性检验

最大日径流量最大3天流量最大日径流量最大3天流量最大日径流量最大3天流量新和0.1670.10522√√长坝0.1850.1261.22√√石角0.0880.0881.5562√√重现期结果：4珠江流域其他站点洪水频率值解析具有独立性的最大日径流量的新和站

：结论：P-III型分布计算结果与Gumbel-Logistic模型计算结果相接近。4.4POT1_1序列的频率值重现期结果：4珠江流域其他站点洪水频率值解析不具有独立性的最大日径流量的长坝站和石角站：结论：图中P-III型分布计算结果不可靠。4.4POT1_1序列的频率值重现期结果：4珠江流域其他站点洪水频率值解析具有独立性的最大3天流量的长坝站和石角站：结论：P-III型分布计算结果与Gumbel-Logistic模型计算结果相接近。4.4POT1_1序列的频率值4珠江流域其他站点洪水频率值解析说明：百色站最大3天流量具有独立性，南宁站最大日径流量和最大3天流量均具有独立性；百色站和南宁站的最大日径流量和最大3天流量的边缘分布都符合Gumbel分布。

4.5POT1_2序列的频率值站名K-S检验结果独立性检验随机性检验最大日径流量最大3天流量最大日径流量最大3天流量最大日径流量最大3天流量百色0.25450.10842.172√√南宁0.13490.144122√√重现期结果：4珠江流域其他站点洪水频率值解析具有独立性的最大日径流量的南宁站：结论：P-III型分布计算结果与Gumbel-Logistic模型计算结果相接近。4.5POT1_2序列的频率值重现期结果：4珠江流域其他站点洪水频率值解析百色站不具有独立性的最大日径流量(a)：具有独立性的最大3天流量(b)：结论：图(a)中P-III型分布计算结果与Gumbel-Logistic模型计算结果相差较大；图(b)中的结果相接近。4.5POT1_2序列的频率值4珠江流域其他站点洪水频率值解析说明：蔗香站最大日径流量具有独立性，柳州站和高道最大3天流量均具有独立性；蔗香站、柳州站和高道站的最大日径流量和最大3天流量的边缘分布都符合Gumbel分布。

4.6POT3_1序列的频率值站名K-S检验结果独立性检验随机性检验最大日径流量最大3天流量最大日径流量最大3天流量最大日径流量最大3天流量蔗香0.1010.09522.15√√柳州0.1090.0732.2112√√高道0.1010.0842.4712√√重现期结果：4珠江流域其他站点洪水频率值解析具有独立性的最大日径流量的蔗香站：结论：P-III型分布计算结果与Gumbel-Logistic模型计算结果相接近。4.6POT3_1序列的频率值重现期结果：4珠江流域其他站点洪水频率值解析柳州站不具有独立性的最大日径流量(a)：具有独立性的最大3天流量(b)：结论：图(a)中P-III型分布计算结果与Gumbel-Logistic模型计算结果相差较大；图(b)中的结果相接近。4.6POT3_1序列的频率值LOGO重现期结果：4珠江流域其他站点洪水频率值解析高道站不具有独立性的最大日径流量(a)：具有独立性的最大3天流量(b)：结论：图(a)中P-III型分布计算结果与Gumbel-Logistic模型计算结果相差较大；图(b)中的结果相接近。4.6POT3_1序列的频率值LOGO4珠江流域其他站点洪水频率值解析说明：蔗香站最大日径流量具有独立性，贵港站的最最日径流量和最大3天流量均不均有独立性；蔗香站和贵港的最大日径流量和最大3天流量的边缘分布都符合Gumbel分布。

4.7POT3_2序列的频率值站名K-S检验结果独立性检验随机性检验最大日径流量最大3天流量最大日径流量最大3天流量最大日径流量最大3天流量蔗香0.09980.069722.1√√贵港0.06290.06722.222.11√√LOGO4珠江流域其他站点洪水频率值解析结论：P-III型分布计算结果与Gumbel-Logistic模型计算结果相接近。4.7POT3_2序列的频率值具有独立性的最大日径流量的蔗香站：LOGO4.7POT3_2序列的频率值4珠江流域其他站点洪水频率值解析不具有独立性的最大日径流量的贵港站：结论：P-III型分布计算的结果与