考虑日径流特征的非一致性洪水频率分析方法研究

论文摘要

结合日径流序列信息的洪水频率分析方法,在更加准确地进行洪水风险评价和管理等工作中是具有物理机制和重要意义的。受全球气候变化与人类活动的影响,非一致性洪水频率分析的方法应用广泛,但是少有研究考虑“普通”水文事件—年内日径流序列的影响。经典规范常数法（C-NCM）利用日径流序列所服从的母分布参数推导年际最大洪水序列分布的统计参数。然而,C-NCM没有灵活地考虑年际最大洪水分布的尺度参数可行范围,这直接导致无法提供足够和可靠的模型来拟合年际最大洪水序列。论文旨在估计洪水分布的尺度参数来推导另外两种规范常数法,即Hall规范常数法（H-NCM）和Fisher-Tippett规范常数法（FTNCM）,并研究其在拟合洪水方面的潜力,以统计和数学推导的手段探究日径流特征在非一致性洪水频率分布中的影响。进一步考虑洪水季节性的特征,基于规范常数法,提出一种适应非一致性洪水频率分析的改进型矢量统计法（MDS）来划分汛期,并与传统的相对频率法（RF）和矢量统计法（DS）进行对比研究。论文选取中国长江、黄河流域77个站点水文资料进行研究,主要研究内容和结论如下:（1）利用非参数方法和时变矩法对研究流域站点的水文气象序列进行非一致性诊断,结果显示,华县站等9个流域站点的年内日径流序列或年际最大洪水序列具有非一致性;长江中下游地区部分站点相对湿度诊断出具有下降的趋势;除长江中下游地区部分站点年最大1日降雨量具有上升的趋势外,其他各降雨统计量保持一致性;此外,研究区大部分站点气温统计量具有上升的趋势且具有向上突变的特性。基于时变矩法的水文气象序列非一致性诊断结果与非参数方法基本一致,备选的频率分布中Lognormal分布拟合水文气象序列效果最优,其次为Gamma分布。在识别序列一阶矩参数（均值）的非一致性时,非参数非一致性诊断具有简单稳健特性,但是却对高阶矩（方差）的非一致性诊断能力有限;时变矩法通过评价准则优选分布模型,可以客观地判断出序列中的非一致性更倾向于趋势模型或者变点模型。因此在诊断识别水文气象序列非一致性能力上,时变矩模型比非参数的方法更具优势。（2）利用图解法对比分析了日径流序列经验线性矩比与备选分布的理论线性矩比,初步识别理论分布的潜在模拟效果,筛选出五个备选分布,即GEV分布、广义Pareto分布（GPA）、Lognormal分布（LNO）、皮尔逊III型分布（PE3）以及Kappa分布（KAP）,结果表明,KAP分布与实测样本理论拟合效果最佳,其次为LNO分布和GPA分布;然后计算备选分布拟合日径流数据的纳西效率系数（NSE）值,结果表明,LNO分布为最优分布,其次是GPA分布、KAP分布和PE3分布,GEV分布表现最差;从模拟结果的相对残差历时曲线图可以发现,除LNO分布以外,其他分布在日径流序列的尾部的高、低流量的模拟效果较差,具体表现为:GEV分布高估了低流量,GPA分布、PE3分布和KAP分布低估了低流量;PE3分布高估了高流量,其他三种分布低估了高流量的情况。KAP分布在中流量区域模拟效果稳健,相对残差的置信区间狭窄。总体来说,利用单一概率分布估计整个日径流变化过程中是具有挑战性的,尤其是日径流序列尾部的变化,综合各个分布在尾部流量估计的表现来看,本文推荐LNO分布作为日径流模拟的最优概率分布。（3）基于极大值吸引场理论,通过估计规范常数法中不同尺度的参数来进行非一致性洪水频率分析,并给出规范常数法适用范围。考虑到年内日径流序列非一致性,采用不同尺度参数的C-NCM,H-NCM和FT-NCM方法进行了比较研究,整体来说尺度参数较大的H-NCM在模拟年际最大洪水序列过程中,要优于C-NCM和FT-NCM,在应用规范常数法时,推荐使用H-NCM。在考察年际最大洪水序列统计特征与模拟效果时发现,对于样本序列的经验偏态系数（三阶矩）小于极值分布（Gumbel分布）的理论偏态系数时,应用规范常数法的适用性最佳。同时考虑样本一阶矩（均值）和二阶矩（变差系数）时发现,该类方法在实际应用时还与洪水量级以及变化程度相关。采用物理协变量作为解释变量进行非一致洪水频率分析时,所有模型的模拟效果均优于一致性模型,从各种气象因素或人类活动因素中选择合适的协变量用以优化模型,增加了非一致性洪水频率分布的物理意义。（4）考虑洪水季节性特征,利用相对频率法（RF）、矢量统计法（DS）和改进型矢量统计法（MDS）,进行汛期的划分。结果表明,南方长江流域大部分子流域汛期起止时间在5月初到8月底,部分流域延迟出汛时间到9月中旬前后;北方黄河流域汛期普遍在7月初到9月中旬。DS方法是基于稳健的圆形统计法,因而汛期划分结果比RF方法更为客观;在利用汛期流量分布推求洪水极值分布时,MDS方法划分的汛期覆盖所有年际最大洪水序列,因而更为合理。在基于H-NCM方法的一致性洪水频率分析中,RF、DS和MDS方法最优模型量无明显差异,但是比不考虑汛期流量的情形（ISF）的最优模型要多。定量评价模型的拟合效果,MDS方法整体表现最优,RF、DS和MDS方法均优于ISF。分析模型NSE值与年最大洪水相关统计量（包括均值、变差系数和偏态系数）之间的关系,再次阐述了规范常数法的适用性与流域本身的特性存在联系。与ISF相比,划分汛期径流后的模型NSE值低于0.8的值明显减少,综合考虑方法的合理性及其洪水物理成因机制,推荐使用MDS方法。

论文目录

• 博士生自认为的论文创新点
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 一致性洪水频率分析研究进展
•     1.2.2 非一致性洪水频率分析研究进展
•     1.2.3 考虑日径流特征的洪水频率分析研究进展
•   1.3 研究区域与数据
•     1.3.1 研究区域
•     1.3.2 研究数据
•   1.4 拟解决的关键科学问题
•   1.5 研究内容与技术路线
• 2 长江、黄河流域水文气象序列非一致性诊断
•   2.1 非参数非一致性诊断
•     2.1.1 Mann-Kendall趋势检验
•     2.1.2 Pettitt变点检验
•   2.2 基于时变矩模型的非一致性诊断
•     2.2.1 时变矩模型的定义
•     2.2.2 模型评价准则及拟合优度检验
•     2.2.3 趋势和变点诊断
•     2.2.4 水文气象序列备选频率分布
•   2.3 应用研究
•     2.3.1 非参数非一致性诊断
•     2.3.2 基于时变矩模型非一致性诊断
•   2.4 本章小结
• 3 日径流序列概率分布估计
•   3.1 流量历时曲线估计
•   3.2 分布函数选取及其线性矩计算
•     3.2.1 备选分布
•     3.2.2 线性矩法
•   3.3 拟合优度评价指标
•   3.4 应用研究
•     3.4.1 备选分布的初步识别
•     3.4.2 模型拟合优度评价
•   3.5 本章小结
• 4 基于三种不同规范常数法的非一致性洪水频率分析
•   4.1 年内日径流序列分布
•   4.2 极大值吸引场理论
•   4.3 规范常数法
•     4.3.1 经典规范常数法
•     4.3.2 Hall规范常数法
•     4.3.3 Fisher-Tippett规范常数法
•   4.4 模型选取准则及拟合优度检验
•     4.4.1 AIC准则
•     4.4.2 模型拟合优度检验
•   4.5 应用研究
•     4.5.1 一致性洪水频率分析
•     4.5.2 非一致性洪水频率分析
•     4.5.3 物理协变量分析
•   4.6 本章小结
• 5 考虑洪水季节性的规范常数法应用研究
•   5.1 季节性分析原理与方法
•     5.1.1 相对频率法
•     5.1.2 矢量统计法
•     5.1.3 改进型矢量统计法
•   5.2 规范常数法
•   5.3 模型选取准则及拟合优度检验
•   5.4 应用研究
•     5.4.1 汛期分期结果
•     5.4.2 一致性洪水频率分析
•     5.4.3 非一致性洪水频率分析
•   5.5 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 主要结论
•   6.2 研究展望
• 参考文献
• 附录
•   参加的科研项目
•   参加的学术会议与培训
•   攻博期间发表的科研成果目录
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 许文涛

导师: 熊立华

关键词: 变化环境,非一致性洪水频率分析,时变矩,日径流序列,流量历时曲线,规范常数法,季节性特征

来源: 武汉大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 武汉大学

分类号: P333

总页数: 125

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