變化環(huán)境下的水文事件頻率計(jì)算

1、變化環(huán)境下的水文事件頻率計(jì)算變化環(huán)境下的水文事件頻率計(jì)算宋松柏宋松柏水利與建筑工程學(xué)院水利與建筑工程學(xué)院 西北農(nóng)林科技大學(xué)西北農(nóng)林科技大學(xué)楊凌楊凌, , 陜西陜西, , 中國(guó)中國(guó)Email：ssb6533 2014年水科學(xué)發(fā)展論壇會(huì)年水科學(xué)發(fā)展論壇會(huì) 鄭州大學(xué)，鄭州大學(xué)，2014. 04 提綱提綱n 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出n 現(xiàn)有的計(jì)算方法現(xiàn)有的計(jì)算方法n 非一致分布年徑流序列頻率計(jì)算實(shí)例非一致分布年徑流序列頻率計(jì)算實(shí)例n 非一致分布年最大洪峰序列頻率計(jì)算實(shí)例非一致分布年最大洪峰序列頻率計(jì)算實(shí)例n 非平穩(wěn)極值模型計(jì)算實(shí)例非平穩(wěn)極值模型計(jì)算實(shí)例n 非平穩(wěn)重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)值計(jì)算非平穩(wěn)重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)值計(jì)算n

2、 西北農(nóng)林科技大學(xué)水建學(xué)院介紹西北農(nóng)林科技大學(xué)水建學(xué)院介紹 1. 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出 2005年，我校特邀武漢大學(xué)謝平教授作年，我校特邀武漢大學(xué)謝平教授作變變化環(huán)境下的水文頻率計(jì)算化環(huán)境下的水文頻率計(jì)算學(xué)術(shù)報(bào)告。我們的研學(xué)術(shù)報(bào)告。我們的研究是從謝教授那里學(xué)習(xí)來(lái)的。究是從謝教授那里學(xué)習(xí)來(lái)的。 1. 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出非同一分布洪水序列頻率分析非同一分布洪水序列頻率分析 1. 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出非平穩(wěn)水文極值事件的重現(xiàn)期與風(fēng)險(xiǎn)非平穩(wěn)水文極值事件的重現(xiàn)期與風(fēng)險(xiǎn) 1. 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出n 不同機(jī)制產(chǎn)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. 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出n 人類(lèi)活動(dòng)改變了

3、流域下墊面水利工程水利工程水保工程水保工程農(nóng)田開(kāi)墾農(nóng)田開(kāi)墾城市建設(shè)城市建設(shè)砍伐砍伐放牧放牧 1. 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出n 氣候變化 不同機(jī)制產(chǎn)流形成的洪水在年最大洪峰序列中存在非同分布。 在受氣候變化和人類(lèi)水事活動(dòng)頻繁發(fā)生的流域，徑流序列在人類(lèi)水事活動(dòng)影響前后將不能認(rèn)為是來(lái)自同一總體（謝平，2005）。 2. 現(xiàn)有的計(jì)算方法現(xiàn)有的計(jì)算方法(1) Waylen-Woo 公式公式 xFxFxFT21式中， xFT為年最大洪峰的混合分布，由降雨和融雪兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)程產(chǎn)生； xF1和 xF2分別為降雨和融雪洪水分布。(2) 季節(jié)洪水分布公式季節(jié)洪水分布公式 xpxpxpxpxp2121式中， xp為年最

4、大洪峰概率； xp1和 xp2分別為兩季節(jié)最大洪水，假定兩季節(jié)最大洪水。 2. 現(xiàn)有的計(jì)算方法現(xiàn)有的計(jì)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. 現(xiàn)有的計(jì)算方法現(xiàn)有的計(jì)算方法(4) 謝平公式謝平公式 基于時(shí)間序列分析的非一致性年徑流序列水文頻率計(jì)算方法。認(rèn)為非一致性水文序列由相對(duì)一致的隨機(jī)性成分和非一致的確定性成分組成，采用成因分析法與統(tǒng)計(jì)分析法分別對(duì)確定性成分和隨機(jī)性成分

5、進(jìn)行識(shí)別與檢驗(yàn)。在確定性成分進(jìn)行擬合計(jì)算和隨機(jī)性成分頻率計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)時(shí)間序列分析的分解與合成理論，將確定性的預(yù)測(cè)值和隨機(jī)性的設(shè)計(jì)值進(jìn)行合成，得到過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)不同時(shí)期水文合成序列的頻率分布。 2. 現(xiàn)有的計(jì)算方法現(xiàn)有的計(jì)算方法(5) Nonstationary Hydrologic Extreme EventsnkkknnnnntttxxxFtttxxxF,;,;,212121 假定與前提條件：水文序列為非平穩(wěn)過(guò)程，統(tǒng)計(jì)特假定與前提條件：水文序列為非平穩(wěn)過(guò)程，統(tǒng)計(jì)特性隨時(shí)間發(fā)生變化。性隨時(shí)間發(fā)生變化。非平穩(wěn)分布模型非平穩(wěn)分布模型 3. 非一致分布年徑流序列頻率計(jì)算實(shí)例非一致分布年徑流序

6、列頻率計(jì)算實(shí)例3.1 基本思想基本思想變異點(diǎn)理論年徑流序列年徑流序列成因分析S個(gè)子序列個(gè)子序列全概率公式理論頻率公式理論頻率公式經(jīng)驗(yàn)頻率公式經(jīng)驗(yàn)頻率公式頻率分布參數(shù)估計(jì)S個(gè)子序列分布個(gè)子序列分布理論頻率設(shè)計(jì)值計(jì)算設(shè)計(jì)值計(jì)算數(shù)值計(jì)算年徑流序列劃分示意圖年徑流序列劃分示意圖 3. 非一致分布年徑流序列頻率計(jì)算實(shí)例非一致分布年徑流序列頻率計(jì)算實(shí)例3.2 計(jì)算公式計(jì)算公式 siiiAxPNnxF1|NnAPiisi, 2 , 1 理論頻率理論頻率 siiNmxF11經(jīng)驗(yàn)頻率經(jīng)驗(yàn)頻率 siiiAxPNnPxG1|kpkpkpkpxGxGxx,1, 2 , 1 , 0k設(shè)計(jì)值計(jì)算設(shè)計(jì)值計(jì)算 3. 非一致分

7、布年徑流序列頻率計(jì)算實(shí)例非一致分布年徑流序列頻率計(jì)算實(shí)例3.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例陜西省幾個(gè)典型測(cè)站年平均流量序陜西省幾個(gè)典型測(cè)站年平均流量序列列 3. 非一致分布年徑流序列頻率計(jì)算實(shí)例非一致分布年徑流序列頻率計(jì)算實(shí)例3.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例陜西省幾個(gè)典型測(cè)站年平均流量序陜西省幾個(gè)典型測(cè)站年平均流量序列列 3. 非一致分布年徑流序列頻率計(jì)算實(shí)例非一致分布年徑流序列頻率計(jì)算實(shí)例3.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例陜西省幾個(gè)典型測(cè)站年平均流量序陜西省幾個(gè)典型測(cè)站年平均流量序列列 3. 非一致分布年徑流序列頻率計(jì)算實(shí)例非一致分布年徑流序列頻率計(jì)算實(shí)例3.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例陜西省幾個(gè)典型測(cè)站年平均流量序陜西省幾個(gè)

8、典型測(cè)站年平均流量序列列 3. 非一致分布年徑流序列頻率計(jì)算實(shí)例非一致分布年徑流序列頻率計(jì)算實(shí)例3.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例渭河流域涇河張家山站年平均流量序渭河流域涇河張家山站年平均流量序列列 4. 非一致分布年最大洪峰序列頻率計(jì)算實(shí)例非一致分布年最大洪峰序列頻率計(jì)算實(shí)例4.1 基本思想基本思想產(chǎn)流機(jī)制年洪峰序列年洪峰序列成因分析S個(gè)子序列個(gè)子序列全概率公式理論頻率公式理論頻率公式經(jīng)驗(yàn)頻率公式經(jīng)驗(yàn)頻率公式頻率分布參數(shù)估計(jì)S個(gè)子序列分布個(gè)子序列分布理論頻率設(shè)計(jì)值計(jì)算設(shè)計(jì)值計(jì)算數(shù)值計(jì)算 4. 非一致分布年最大洪峰序列頻率計(jì)算實(shí)例非一致分布年最大洪峰序列頻率計(jì)算實(shí)例4.2 計(jì)算公式計(jì)算公式 siiisi

9、iiAxpApAxXpApxXpxp11|理論頻率理論頻率經(jīng)驗(yàn)頻率經(jīng)驗(yàn)頻率設(shè)計(jì)值計(jì)算設(shè)計(jì)值計(jì)算 4. 非一致分布年最大洪峰序列頻率計(jì)算實(shí)例非一致分布年最大洪峰序列頻率計(jì)算實(shí)例4.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例Annual peak discharge of Station 10311000 , Carson River, USA選用對(duì)數(shù)選用對(duì)數(shù)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頻率 (%)流量 (cfs) 本文經(jīng)驗(yàn)頻率理論頻率Singh經(jīng)驗(yàn)頻率 4. 非一致分布年最大洪峰序列頻率計(jì)算實(shí)例非一致分布年最大洪峰序列頻率計(jì)算實(shí)例4.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例Annual peak discharge of Station 10311000 , Carson River, USA 5. 非平穩(wěn)極值模

11、型計(jì)算實(shí)例非平穩(wěn)極值模型計(jì)算實(shí)例5.1 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例美國(guó)Mercer Creek河流12120000水文站年最大洪峰流量圖圖1 美國(guó)Mercer Creek河流12120000水文站年最大洪峰流量圖 5. 非平穩(wěn)極值模型計(jì)算實(shí)例非平穩(wěn)極值模型計(jì)算實(shí)例5.1 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例美國(guó)Mercer Creek河流12120000水文站年最大洪峰流量 5. 非平穩(wěn)極值模型計(jì)算實(shí)例非平穩(wěn)極值模型計(jì)算實(shí)例5.1 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例美國(guó)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. 非平穩(wěn)極值模型計(jì)算實(shí)例非平穩(wěn)極值模型計(jì)算實(shí)例5.1 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例美國(guó)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. 非平穩(wěn)極值模型計(jì)算實(shí)例非平穩(wěn)極值模型計(jì)算實(shí)例5.1 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例美國(guó)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. 非平穩(wěn)極值模型計(jì)算實(shí)例非平穩(wěn)極值模型計(jì)算實(shí)例5.1 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例1 美國(guó)Mercer Creek河流12120000水文站年最大洪峰流量 5. 非平穩(wěn)極值模型計(jì)算實(shí)例非平穩(wěn)極值模型計(jì)算實(shí)例5.1 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例1 美國(guó)Mercer Creek河流12120000水文站年最大洪峰流量 5. 非平穩(wěn)極值模型計(jì)算實(shí)例非平穩(wěn)極值模型計(jì)算實(shí)例5.1 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 2 石羊河流域雜木河天然年徑流量石羊河流域雜木河天然年徑流量 5. 非平穩(wěn)極值模型計(jì)算實(shí)例非平穩(wěn)極值模型計(jì)算實(shí)例5.1 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 2 石羊河流域雜木河天然年徑流量石羊河流域雜木

15、河天然年徑流量 6. 變化環(huán)境下的重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)值變化環(huán)境下的重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)值6.1平穩(wěn)年值水文序列重現(xiàn)期與設(shè)計(jì)值計(jì)算平穩(wěn)年值水文序列重現(xiàn)期與設(shè)計(jì)值計(jì)算 T 年事件的第一種解釋?zhuān)褐钡较乱粋€(gè)超越事件發(fā)生的期望等待時(shí)間。TTtWPt1111 11010111tttttpqtTTttWPtWETTqqqdqdp11111 式中， 6. 變化環(huán)境下的重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)值變化環(huán)境下的重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)值6.1平穩(wěn)年值水文序列重現(xiàn)期與設(shè)計(jì)值計(jì)算平穩(wěn)年值水文序列重現(xiàn)期與設(shè)計(jì)值計(jì)算 T 年事件的另一種解釋是T年內(nèi)事件發(fā)生的期望數(shù)等于1 。 式中， TkkTkkkkTkqpkTkTTkTkkNkPNE000111TTTTTpT

16、TTqpTqpTpqTqT3322133221100132212211TTTTpqpTTpqTqTp111TTTpqpTpT，kkTTTkTkNP111 6. 變化環(huán)境下的重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)值變化環(huán)境下的重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)值6.2非平穩(wěn)年值水文序列重現(xiàn)期與設(shè)計(jì)值計(jì)算非平穩(wěn)年值水文序列重現(xiàn)期與設(shè)計(jì)值計(jì)算 式中， T 年事件的第一種解釋?zhuān)褐钡较乱粋€(gè)超越事件發(fā)生的期望等待時(shí)間。 111101ttitittrFrFttWPttWPtWE rFrFrFrFrFrFrFrFrFrF43213212111 111iijjrF 111titirFrFtWP 6. 變化環(huán)境下的重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)值變化環(huán)境下的重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)值6.2

17、非平穩(wěn)年值水文序列重現(xiàn)期與設(shè)計(jì)值計(jì)算非平穩(wěn)年值水文序列重現(xiàn)期與設(shè)計(jì)值計(jì)算 式中，I 為指示函數(shù)。， T 年事件的另一種解釋是T年內(nèi)事件發(fā)生的期望數(shù)等于1 。 TttTttTttrFrXPrXIENE1111TtTtxF111 6. 變化環(huán)境下的重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)值變化環(huán)境下的重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)值6.3 實(shí)例實(shí)例1， 6. 變化環(huán)境下的重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)值變化環(huán)境下的重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)值6.3 實(shí)例實(shí)例2， 7. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水建學(xué)院介紹西北農(nóng)林科技大學(xué)水建學(xué)院介紹 7. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水建學(xué)院介紹西北農(nóng)林科技大學(xué)水建學(xué)院介紹近代著名水利專(zhuān)家近代著名水利專(zhuān)家原西北農(nóng)林專(zhuān)科學(xué)原西北農(nóng)林專(zhuān)科學(xué)校水利組主任校水利組主任

18、 李儀址李儀址先生著名泥沙專(zhuān)家、水利著名泥沙專(zhuān)家、水利教育家、原西北農(nóng)學(xué)教育家、原西北農(nóng)學(xué)院院水利系主任、西北水水利系主任、西北水利科學(xué)研究所所長(zhǎng)利科學(xué)研究所所長(zhǎng)沙玉清沙玉清先生先生著名水利專(zhuān)家、原西北農(nóng)學(xué)著名水利專(zhuān)家、原西北農(nóng)學(xué)院院長(zhǎng)院院長(zhǎng)原西北水利科學(xué)研究所主任、原西北水利科學(xué)研究所主任、代所長(zhǎng)代所長(zhǎng)李賦都李賦都先生先生 7. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水建學(xué)院介紹西北農(nóng)林科技大學(xué)水建學(xué)院介紹著名水利水電專(zhuān)家原西北水利科學(xué)研究所副所長(zhǎng)、代所長(zhǎng)韓瀛觀韓瀛觀先生著名水利專(zhuān)家原西北水利科學(xué)研究所總工程師李崇智李崇智先生著名農(nóng)業(yè)水土工程學(xué)家原西北農(nóng)學(xué)院副院長(zhǎng)水利系主任熊運(yùn)章熊運(yùn)章教授 7. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水建學(xué)院介紹西北農(nóng)林科技大學(xué)水建學(xué)院介紹中國(guó)工程院院士原西北農(nóng)業(yè)大學(xué)副校長(zhǎng)原水建學(xué)院教授李佩成李佩成教授中國(guó)工程院院士原水建學(xué)院院長(zhǎng)康紹忠康紹忠教授 7. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水建學(xué)院介紹西北農(nóng)林科技大學(xué)水建學(xué)院介紹 學(xué)院在農(nóng)業(yè)水土、泥沙、旱區(qū)水資源、防滲抗凍脹