隨機(jī)方法在水文學(xué)的應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上隨機(jī)方法在水文學(xué)中的應(yīng)用一、概述水文現(xiàn)象隨時(shí)間變化的過(guò)程稱(chēng)為水文過(guò)程或水文序列，水文現(xiàn)象是一種自然現(xiàn)象，具有確定性變化規(guī)律和隨機(jī)性變化規(guī)律。這些確定性和隨機(jī)性的變化規(guī)律通過(guò)水文過(guò)程可以較為清晰的展示出來(lái)。水文過(guò)程中的確定性變化規(guī)律突出表現(xiàn)在過(guò)程中有年、日的變化。如日、旬、月徑流過(guò)程，明顯存在以年為周期的變化；逐時(shí)氣溫和蒸發(fā)量過(guò)程存在一日為周期的變化。這是由于影響水文過(guò)程的確定性因素氣候因素存在以年為周期的變化和某些氣象因素存在以日為周期的變化之故。水文過(guò)程在表現(xiàn)出確定性變化規(guī)律的同時(shí)，更多的表現(xiàn)出隨機(jī)性變化特征。如每一年的的月平均流量過(guò)程不相同，形狀和數(shù)量相差較大；水

2、文過(guò)程內(nèi)前后期要素之間好似變化無(wú)序，時(shí)大時(shí)小，但它們之間存在相依關(guān)系，2月平均流量與1月平均流量相依，后一年與前一年徑流量相依。隨機(jī)性變化特征是水文過(guò)程形成與演變中眾多影響因素所致。這些影響的無(wú)限復(fù)雜性和多樣性，致使水文過(guò)程不斷發(fā)生著各種各樣情形，表現(xiàn)出隨機(jī)變化特征。下圖為某水文站月平均流量變化過(guò)程，其中既有確定性變化，又有隨機(jī)性變化。圖表 1某水文站月平均流量過(guò)程水文過(guò)程既然表現(xiàn)出隨機(jī)變化特征，因此它是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，又稱(chēng)為隨機(jī)水文過(guò)程。將隨機(jī)過(guò)程理論和時(shí)間序列分析技術(shù)引入水文學(xué)領(lǐng)域，廣泛展開(kāi)水文過(guò)程隨機(jī)變化特性研究并不斷把科學(xué)成果用于水文水資源的實(shí)際，就此形成一門(mén)重要的學(xué)科隨機(jī)水文學(xué)。隨機(jī)水

3、文學(xué)是以水文過(guò)程為研究對(duì)象、以隨機(jī)過(guò)程理論和時(shí)間序列分析技術(shù)為手段的一門(mén)學(xué)科。描述水文過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，稱(chēng)為隨機(jī)水文模型或隨機(jī)模型。隨即水文學(xué)的基本任務(wù)是在全面隨機(jī)分析的基礎(chǔ)上對(duì)隨機(jī)水文過(guò)程建立起反映水文現(xiàn)象主要變化特征的隨機(jī)水文模型，根據(jù)建立的模型，即可模擬大量水文序列，也可做統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，以滿(mǎn)足水利水電工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行及水文水資源水環(huán)境各種分析、計(jì)算和研究的需要。在這些過(guò)程中大量的用到隨機(jī)方法，下面介紹隨機(jī)水文學(xué)方法及隨機(jī)方法在水文學(xué)中應(yīng)用。二、隨機(jī)水文學(xué)方法及模型的應(yīng)用研究隨機(jī)水文過(guò)程變化特征的方法，稱(chēng)為隨機(jī)水文學(xué)方法，常稱(chēng)隨機(jī)模擬法。在現(xiàn)有條件下，對(duì)水文水資源系統(tǒng)進(jìn)行真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)以揭示

4、其結(jié)構(gòu)和功能顯然是困難的。當(dāng)前可行的途徑就是隨機(jī)模擬法。隨機(jī)模擬法已成為認(rèn)識(shí)、設(shè)計(jì)和管理復(fù)雜水文水資源系統(tǒng)的主要方式之一，并且一直是水文學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。隨機(jī)方法在水文學(xué)中的應(yīng)用范圍在不斷拓寬，成果也越來(lái)越豐富。隨機(jī)方法的主要應(yīng)用就是建立隨機(jī)模型。建立隨即模型要考慮以下因素：1. 建模目的不同的建模目的要求有不同的模擬序列，即不同的模型。2. 流域水文變量的統(tǒng)計(jì)特性選用模型是從總體上表征水文變量的統(tǒng)計(jì)特性，水文變量統(tǒng)計(jì)特性的差異，要求挑選不同的模型。如：若年徑流的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)表現(xiàn)出自相關(guān)系數(shù)隨著滯時(shí)的增加衰減很快，可選用平衡AR（1）模型；否則可選用AR（2）或 AR（3）模型。選用模型過(guò)程中，一

5、方面要求對(duì)水文變量的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)深入分析；另一方面，對(duì)各種模型的主要性能充分了解。3. 水文信息量模型識(shí)別和參數(shù)會(huì)計(jì)均與取得的水文信息有關(guān)。復(fù)雜模型在其識(shí)別和參數(shù)估計(jì)時(shí)所需要的信息量要比簡(jiǎn)單模型多一些。因此，當(dāng)信息量很少而不便建立復(fù)雜模型時(shí)，就選擇簡(jiǎn)單模型。在實(shí)際中首先應(yīng)選用簡(jiǎn)單模型，簡(jiǎn)單模型能達(dá)到目的，就不選復(fù)雜的模型。在選擇模型時(shí)，必須考慮參數(shù)的多少。多傾向于用指標(biāo)R加以判斷 R=數(shù)據(jù)總量/參數(shù)數(shù)目至于R的臨界值，不同模型有不同的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)我國(guó)水文資料情況，R在510為宜。4. 其他條件 建模者的經(jīng)驗(yàn)、建模時(shí)間長(zhǎng)短、模型管理、經(jīng)費(fèi)情況、計(jì)算手段等。 在水資源規(guī)劃設(shè)計(jì)中，還需要考慮水文特征量的選

6、擇。一般應(yīng)用較多的水文特征量是年月日徑流量，一定時(shí)段的枯水量及分配等。水文特征量的模擬序列通常有兩種途徑可以獲得：一是累加途徑；一是解集途徑。累加途徑是先選擇合適的模型模擬出日流量，然后累加得旬徑流量，例如由旬徑流量得月徑流量，最后由月徑流量得年徑流量。而解集途徑是先選擇合適的模型模擬出年徑流量，然后分解成月徑流量，例如由月徑流量再分解成旬徑流量，由旬徑流量分解成日徑流量。 隨機(jī)模型在水文系統(tǒng)分析計(jì)算有著廣泛的應(yīng)用。例如應(yīng)用典型年法、實(shí)測(cè)序列時(shí)歷法、模擬序列時(shí)歷法確定水庫(kù)興利設(shè)計(jì)庫(kù)容；梯級(jí)電站參數(shù)分析；防洪安全設(shè)計(jì)；多水庫(kù)防洪安全設(shè)計(jì)；枯水徑流模擬及其在水環(huán)境容量研究；制定水庫(kù)最佳控制運(yùn)用方案

7、等。在水文系統(tǒng)預(yù)測(cè)中，經(jīng)常會(huì)用到ARMA(p,q)模型的預(yù)測(cè)和TAR模型預(yù)測(cè)，由于其專(zhuān)業(yè)性過(guò)強(qiáng)，這里不做過(guò)多介紹。隨機(jī)模型在設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線法適用性探討中也有很好的應(yīng)用，由于設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線法有諸多缺陷，可用隨機(jī)模擬法推求壩前年最高水位頻率曲線。首先用SAR(1)模型，根據(jù)不同方案進(jìn)行模型，得到水位序列。然后對(duì)每組水位序列可得經(jīng)驗(yàn)頻率分布曲線，即可作為壩前年最高水位總體分布曲線。同樣應(yīng)用隨機(jī)模擬法可以推求壩前最高水位，給防洪防汛工作帶來(lái)極大便利。當(dāng)然，上面所述的隨機(jī)方法和隨機(jī)模型也存在不確定性和實(shí)用性方面的缺陷，但不可否認(rèn)的是，隨機(jī)方法是水文學(xué)中的許多問(wèn)題得到了解決并大大提高了工作效率。下面介紹一個(gè)實(shí)例。三、隨機(jī)方法應(yīng)用實(shí)例 馬爾科夫過(guò)程是水文學(xué)中常見(jiàn)的隨機(jī)過(guò)程，應(yīng)用馬爾科夫鏈可以根據(jù)t時(shí)刻的狀態(tài)推求t+1時(shí)刻的狀態(tài)概率分布，因此，馬爾科夫鏈不僅可用于處理天氣預(yù)報(bào)、水文水資源等問(wèn)題，還可用于管理決策、遺傳學(xué)研究等領(lǐng)域。下面介紹用馬爾科夫鏈求年徑流量的過(guò)程。某河年平均流量資料見(jiàn)下表，當(dāng)Q < 535m3/s時(shí)，為枯水年；當(dāng)535m3/sQ < 775m3/s時(shí)，為中水年；當(dāng)Q 775m3/s時(shí)，為豐水年 。試用估算2005年徑流為豐、中、枯狀態(tài)的概率。 表格 1 某河年年均流量