基于多變量聯(lián)合分布的洪水特性研究.pdf

1、隨著全球氣候變化影響加劇，水資源時(shí)空異變性增強(qiáng)，極端氣候水文事件頻發(fā)，水文情勢(shì)的不確定性已成為影響梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)度運(yùn)行和防洪體系風(fēng)險(xiǎn)管控的關(guān)鍵因素之一。長(zhǎng)江中上游水系復(fù)雜、支流眾多，一旦發(fā)生極端洪水事件，將極大增加水利工程的防洪風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅下游地區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全。為此，通過研究洪水量級(jí)分布特征、洪水發(fā)生時(shí)間周期規(guī)律，深入掌握流域徑流洪水特性及其變化規(guī)律，定量分析流域洪水遭遇時(shí)空分布的規(guī)律與風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)對(duì)流域極端洪水事件尤其是對(duì)洪水極值遭

2、遇頻率的科學(xué)認(rèn)識(shí)具有重要意義。
　　本文選取洪水量級(jí)（洪峰、洪量）、洪水發(fā)生時(shí)間（洪峰、時(shí)段洪量發(fā)生時(shí)間）及干支流洪水發(fā)生時(shí)間間隔作為洪水特征變量，以長(zhǎng)江上游金沙江（屏山）、岷江（高場(chǎng)）和長(zhǎng)江干流（宜昌）等主要干支流為研究對(duì)象，開展基于多種分布的洪水量級(jí)和洪水發(fā)生時(shí)間單變量洪水特性研究，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用Normal Copula函數(shù)理論與方法構(gòu)建多變量聯(lián)合分布模型，進(jìn)一步研究干支流洪水遭遇的時(shí)空分布特征與規(guī)律。研究成果可為區(qū)域洪水

3、資源安全利用提供理論依據(jù)，為干支流梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度及其風(fēng)險(xiǎn)決策提供技術(shù)支撐。研究工作主要內(nèi)容與成果包括：
　　（1）圍繞洪水量級(jí)、洪水發(fā)生時(shí)間（間隔）等單變量的水文分析計(jì)算，本文以長(zhǎng)江上游干流與主要支流為研究對(duì)象，采用P-Ⅲ分布、廣義極值分布（Generalized extreme value distribution，GEV）、廣義第二類beta分布（Generalized beta distribution of the se

4、cond kind，GB2）和混合Von Mises分布分別描述年最大洪峰、年最大時(shí)段洪量和洪水發(fā)生時(shí)間（間隔）的分布特征。運(yùn)用極大似然法、最大熵原理推求估計(jì)分布參數(shù)，基于均方根誤差RMSE、K-S檢驗(yàn)（Kolmogorov-Smir-nov，K-S）及赤池信息量（Akaike Information Criterion，AIC）等指標(biāo)對(duì)擬合效果進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明：除P-Ⅲ分布外，GEV分布和GB2分布亦能較好描述長(zhǎng)江上游流域洪水峰

5、值和量級(jí)的分布特征，其擬合效果有時(shí)甚至優(yōu)于P-Ⅲ分布；混合Von Mises分布能較好描述洪水發(fā)生時(shí)間的周期特點(diǎn)，尤其對(duì)多峰隨機(jī)變量有較優(yōu)的擬合效果，三站洪水發(fā)生時(shí)間呈雙峰甚至三峰狀，應(yīng)采用二階及以上的混合Von Mises分布描述。
　?。?）針對(duì)洪水多變量聯(lián)合分布建模問題，本文提出并建立基于多維Normal Copula函數(shù)的洪水特征變量聯(lián)合分布模型，通過均方根誤差RMSE指標(biāo)、K-S檢驗(yàn)法和P-P圖檢驗(yàn)擬合效果，分析驗(yàn)證了N

6、ormal Copula函數(shù)及相關(guān)系數(shù)估參方法應(yīng)用于研究區(qū)域的適用性。
　?。?）基于單變量洪水特性分析成果，本文分別構(gòu)建單站洪水發(fā)生時(shí)間與量級(jí)、洪水峰量的兩變量聯(lián)合分布模型，揭示流域洪水量級(jí)與其發(fā)生時(shí)間的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)流域典型防洪斷面洪水峰量關(guān)系的分析研究。結(jié)果表明：洪峰發(fā)生時(shí)間與其量級(jí)的相關(guān)性較??；各站年最大洪峰與時(shí)段洪量的發(fā)生時(shí)間基本保持一致，具有較強(qiáng)正相關(guān)性；屏山站和宜昌站發(fā)生峰量同頻率洪水的可能性較大，高場(chǎng)站峰量關(guān)系較差，當(dāng)

7、發(fā)生50年一遇以上洪峰時(shí)，其最大3d、7d洪量發(fā)生同頻率以上洪水的可能性僅64.7％和39.79%。
　?。?）為研究洪水遭遇的時(shí)空分布特征與規(guī)律，本文引入干支流洪水發(fā)生時(shí)間間隔特征變量，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合分布的降維構(gòu)造。在考慮洪水傳播時(shí)間情形下，基于多維Normal Copula函數(shù)分別構(gòu)建洪峰遭遇和洪水過程遭遇的三變量聯(lián)合分布模型，對(duì)干支流洪水遭遇的可能性及條件概率開展風(fēng)險(xiǎn)分析。結(jié)果表明：金沙江（屏山）與三峽（宜昌）洪水過程遭遇可能性最