粒子群优化适线法在水文频率分析中的应用

水文频率分析就是给各种水利工程提供具有概率含义的水文设计数据,以确定工程的规模、投资和效益.传统的水文频率计算方法一般都是假定总体服从P-Ⅲ型分布,然后采用适线法根据样本估计参数,进而推求设计值.因此,在概率分布线型确定的前提下,水文频率计算实际上就是根据样本资料估算其中包含的参数.从充分利用样本信息、增强参数估计方法的精确性和减少人为因素影响等方面考虑,本文提出了基于粒子群优化算法的优化适线法,并将该方法应用到年最大流量频率分析中.为了进一步了解该方法的统计特性,还将其与传统参数估计方法(矩法、权函数法、概率权重矩法)作了比较.实例表明,该方法能快速的完成参数寻优过程,并较好的寻找出参数的全局最优解.     

拓扑克里格法与普通克里格法在区域洪水频率分析中的比较研究

依据北江(珠江流域支流)流域6个水文测站年最大洪峰流量资料,分别用Top-kriging(拓扑克里格法)和普通克里格法进行区域洪水频率估计。采用均方根误差作为频率分布线型拟合优度指标。运用线性矩法进行单站洪水频率分析,确定10、50、100、1000年一遇设计洪水值。在此基础上,从Topkriging和普通克里格法设计洪水估计不确定性和相对线性矩法单站洪水频率的估计误差两个方面比较Top-kriging和普通克里格法。结果表明:(1)Top-kriging法是更好的线性无偏估计,相比普通克里格法更适合于区域洪水频率估计;(2)Top-kriging法设计洪水估计不确定性明显小于普通克里格法;(3)Top-kriging法设计洪水估计结果更接近线性矩法单站洪水频率分析结果。     

基于等可靠度法的变化环境下工程水文设计值估计方法

气候变化及人类活动影响的加剧,改变了水文极值系列产生的平稳性条件,给现行水文频率分析计算方法带来挑战,亟需发展非平稳性条件下的水文频率分析理论与方法。讨论了等可靠度法的基本思想,拓宽了该方法在变化环境下工程水文设计方面的应用,以解决变化环境下工程水文设计值中的两类问题:①对于待建工程,依据非平稳性的水文极值系列,如何推求给定标准的设计值;②对于已建工程,如何协调/调整已建工程的洪水设计值,以适应变化环境对其产生的影响。以黄龙滩1956—2014年共59年的15日洪量系列为对象,对等可靠度法进行应用示例研究,并分析了参数估计不确定性对水文设计值的影响。结果表明,在非一致性条件下,给定设计标准下的水文设计值随着工程设计使用年限的变化而变化,且设计值估计的不确定性随着工程设计使用年限的增加而增大。     

基于随机加权先验的P-Ⅲ分布参数贝叶斯估计

研究随机加权先验法进行P-Ⅲ分布参数贝叶斯估计。应用随机加权法确定分布参数的先验分布,MCMC自适应采样算法(AM)进行参数的后验分布采样,并与矩法、极大似然法和概率权重矩法等传统水文频率分析方法进行比较。实例表明,AM方法估算参数下,实测样本与对应频率设计值离差平方和最小,是一种可行的水文频率分析途径。     

基于随机加权先验的P-Ⅲ分布参数贝叶斯估计

研究随机加权先验法进行P-Ⅲ分布参数贝叶斯估计。应用随机加权法确定分布参数的先验分布,MCMC自适应采样算法(AM)进行参数的后验分布采样,并与矩法、极大似然法和概率权重矩法等传统水文频率分析方法进行比较。实例表明,AM方法估算参数下,实测样本与对应频率设计值离差平方和最小,是一种可行的水文频率分析途径。     

线性矩法估计参数的保证修正值系数B的推求

在设计洪水的抽样误差估计中,采用保证修正值系数B方法估计均方差简单易用。应用线性矩法估计频率分布曲线的参数,有较好的无偏性和有效性,具有一定的应用前景。目前线性矩法的B值诺模图尚未确定,给用线性矩法确定参数时估计抽样误差带来了难度与不便。采用统计试验,分析了离差系数、偏态系数和样本长度对B值的影响,结果表明线性矩法估计参数时仍可采用保证修正值系数B值诺模图方法来估计抽样误差,并推求了不同偏态系数、设计频率情形下的B值,制成了线性矩法的B值诺模图备用。     

考虑局部趋势的非一致性水文频率分析方法

变化环境下水文序列常表现出非一致性,导致基于独立同分布假设的频率分析方法受到严峻挑战,故亟需研究适用于非一致性水文序列的频率分析方法。针对具有趋势变异的水文序列,提出了一种考虑局部趋势的非一致性水文频率分析方法:以具有局部与整体趋势识别能力的滑动窗口趋势分析法诊断序列;构造时变概率分布模型组,采用融合了贝叶斯理论的广义极大似然法估计模型参数;优选模型并按照等可靠度原则推求设计值及置信区间。应用该方法对甘肃石羊河流域红崖山水库站年径流量序列开展了实例研究,结果表明从设计值及95%置信区间角度看,所提方法与现行的一致性频率分析方法及考虑整体趋势的时变分布方法相比存在一定的差异,揭示了在准确识别序列局部或整体趋势成分的基础上,开展非一致性水文频率分析有助于合理估计设计值。     

基于Halphen分布和最大熵的洪水频率分析

设计洪水估算值对水利水电工程的设计规划至关重要,其关键是选择合适的分布线型和参数估计方法。目前采用单一的频率曲线进行水文分析计算,其设计结果具有较大的不确定性。引入Halphen分布函数进行洪水频率分析,并提出了基于最大熵原理的参数估计方法。利用丹江口水库1929~2014年的年最大日流量资料系列,分析检验Halphen分布的拟合效果,并与传统的分布进行比较。结果表明,Halphen函数具有灵活的形式和较好的尾部特征,适合于水文频率分析,其拟合结果基本优于其他的传统分布。     

多调查期洪水频率计算及参数估计公式推导

基于实测极值流量系列进行水文频率分析时,为了提高系列的代表性及洪水估计的可靠性,常将历史洪水信息融合到实测系列构成不连续样本。考虑到目前给出的不连续样本经验频率计算方法多数是针对单个调查期,本文提出了适用于多个调查期不连续样本的经验频率计算方法,同时推导了均值(EX)和变差系数(Cv)的矩法计算公式,并将该方法应用于某水文站年洪峰系列的频率分析中。     

Pearson-Ⅲ型负偏频率曲线的权函数参数估计方法

Pearson-Ⅲ型水文频率计算以正偏序列为主,但在处理水库水位、潮位序列时常出现负偏的情况。针对正偏序列的权函数参数估计方法,通过公式推导将其拓展应用到负偏序列,完善了这一水文参数估计方法体系。统计试验表明相比常规矩法,权函数参数估计方法能显著提高对Cs估计的无偏性,并在有效性方面有所提升。比较权函数框架下的三种参数估计方法,发现二阶权函数矩法（WFM2）整体优于一阶权函数矩法（WFM1）,利用权函数矩结合法（WFM3）对Cv（或σ）进行估计的前提是要确保Cs的估计优于Cv,否则其不如WFM1和WFM2的参数估计结果。以某潮位站年最高潮位序列和某水文站年最高水位序列进行了实例验证,拟合优度检验表明WFM2方法的拟合误差小、精度高,是所有比较方法中应用效果最好的方法。     

基于次序统计量理论的洪水频率分析方法研究

针对目前参数估计方法存在稀遇洪水频率设计值偏大的问题,提出采用基于数值次序统计量期望值的适线法计算洪水频率设计初始值;针对目前参数估计方法存在常遇洪水频率设计值偏小的问题,提出采用周文德公式修正目前频率设计偏小的情形,计算洪水频率设计修正值;针对目前传统方法计算洪水频率设计值抽样误差大的问题,提出采用基于数值次序统计量标准差的方法计算洪水频率设计保证值。定量分析表明,提出的基于数值次序统计量期望值的优化适线法具有良好的无偏性和有效性;寸滩站洪水频率设计修正值大于频率设计初始值,且两者偏差随着频率减小而减小;寸滩站洪水频率设计保证值明显大于修正值。     

基于土壤属性的VIC模型基流参数估计框架

"异参同效"现象是水文模型参数率定过程中的一个难题。为了减少需要率定的模型参数个数,从而降低模型参数的相互作用,构建了利用土壤属性直接估计VIC(Variable Infiltration Capacity)模型3个基流参数的框架,并在3个位于不同水文气候条件下的典型流域中作了实例研究。传统的VIC模型参数估计方法需要率定6个参数;而在新的参数估计框架下,需要率定的模型参数从6个减少为3个。蒙特卡罗模拟结果表明新的参数估计框架提高了参数的敏感性。同时,新的参数估计方法模拟的径流过程和之前通过率定得到的径流过程差别很小。GLUE(Generalised Likelihood Uncertainty Estimation)方法分析得到径流模拟的不确定性结果表明:新的参数估计框架计算径流的90%置信区间要明显小于传统方法,而且对于低流量的模拟效果更加明显,也就是说采用新的参数估计框架可以显著降低径流模拟的不确定性。这种基流参数估计方法可以被应用于其他相似的水文模型中。     

水文频率分布模型的异同性与参数估计问题

回顾了20世纪50年代对水文频率分布模型异同性的认识,分析了分布模型在统计特征上的相异性与共通性。在分布的几何形态相同的条件下,目前所用的分布模型中,仅3个参数的模型基本上是相异的。通过观察与实例分析,初步发现,取4个参数,有可能使模型有统一的求解结果。用数学方法能得到参数的唯一解,但多数方法是先计算出不确定性较大的C_S值,继而据此算得其它一个或两个参数,故这种结果是一种初值,有待通过合理性分析,才能得到最终取用值。     

有限数据条件下边坡可靠度分析的Bootstrap方法

基于Bootstrap抽样技术提出了有限数据条件下边坡可靠度分析方法。简要介绍了传统的边坡可靠度分析方法。采用Bootstrap方法模拟了抗剪强度参数概率分布函数的统计不确定性。以无限边坡为例研究了抗剪强度分布参数和分布类型不确定性对边坡可靠度的影响规律。结果表明：基于有限数据估计的样本均值、样本标准差和AIC值具有较大的变异性,这种变异性进一步导致了抗剪强度参数概率分布函数存在明显的统计不确定性。在考虑抗剪强度参数概率分布函数的统计不确定性时,边坡可靠度指标应为具有一定置信度水平的置信区间,而不是传统可靠度分析中的固定值。边坡可靠度指标的置信区间变化范围随安全系数的增加而增大,同时考虑分布参数和分布类型不确定性计算的可靠度指标具有更大的变异性和更宽的置信区间变化范围。Bootstrap方法为有限数据条件下抗剪强度参数概率分布函数统计不确定性的模拟以及边坡可靠度的评估提供了一条有效的途径。     

水文频率分析中参数估计SAGA-ML方法的研究

建立基于模拟退火遗传算法(Sjmualted Annealing Genetic Algorithm,SAGA)的改进极大似然法,即将似然函数相反数求解极小值的表达式作为目标函数,依据矩法估计参数取值范围作为约束条件,然后应用SAGA进行参数估计.与常规极大似然法思路有本质不同,改进极大似然法通过遗传算法进行参数优化.通过蒙特卡罗试验,验证了改进极大似然法在参数估计和不同频率设计值估计两个方面均具有很好的准确性,与基于最大熵原理的方法效果相当,优于其他方法;同时该方法不受线型类型、参数数目和约束条件的限制;可以避免应用常规极大似然法时出现似然方程无解等情况;且求解过程简便快捷,使极大似然法在理论上和实际应用中都成为有效的方法.     

Reliability analysis of soil liquefaction based on standard penetration test

A review of probabilistic and deterministic liquefaction evaluation procedures reveals that there is a need for a comprehensive approach that accounts for different sources of uncertainty in liquefaction evaluations. For the same set of input parameters, different models provide different factors of safety and/or probabilities of liquefaction. To account for the different uncertainties, including both the model and measurement uncertainties, reliability analysis is necessary. This paper presents a review and comparative study of such reliability approaches that can be used to obtain the probability of liquefaction and the corresponding factor of safety. Using a simplified deterministic Seed method, this reliability analysis has been performed. The probability of liquefaction along with the corresponding factor of safety have been determined based on a first order second moment (FOSM) method, an advanced FOSM (Hasofer–Lind) reliability method, a point estimation method (PEM) and a Monte Carlo simulation (MCS) method. A combined method that uses both FOSM and PEM is presented and found to be simple and reliable for liquefaction analysis. Based on the FOSM reliability approach, the minimum safety factor value to be adopted for soil liquefaction analysis (depending on the variability of soil resistance, shear stress parameters and acceptable risk) has been studied and a new design safety factor based on a reliability approach is proposed.     

梯级水库设计洪水最可能地区组成法计算通式

利用Copula函数建立各分区洪水的联合分布,基于联合概率密度最大原则,推导得到最可能地区组成法的计算通式,并用来推求梯级水库下游断面的设计洪水。选择清江流域水布垭-隔河岩-高坝洲梯级水库为例,开展了验证和方法比较研究。结果表明:最可能地区组成法计算得到的设计洪水值位于同频率地区组成法多方案计算结果的区间之内;受清江梯级水库调洪的影响,宜都断面设计洪水的削峰率十分显著,最可能地区组成法推求100年一遇设计洪水的削峰率达到30.2%。该法具有较强的统计基础,组成方案唯一,结果合理可行,为复杂梯级水库设计洪水的计算提供了一种新途径。     

水文相关中的最小二乘回归问题探讨

在研究了水文相关中利用最小二乘原理进行回归分析方法的基础上，指出了传统水文回归分析方法的使用条件、局限性和存在的问题。提出了不同性质的变量在回归分析时应区别对待的概念。结合水文观测的实际情况，研究了相关变量观测值均存在误差情况下，以变量的观测误差作权进行回归分析的概念，提出了建立基于最小二乘原理基础上的双加权回归模型，并研究了该模型的解算方法。同时推导了估计参数和预测值的误差估计公式，通过估计参数和模型误差的研究，有助于提高水文变量回归的精度和误差估计水平。     

Reliability analysis of the bearing failure problem considering uncertain stochastic parameters

The consideration of uncertainties plays an increasing role in the design of geotechnical structures. An important procedure in the uncertainty analysis is the reliability assessment whereby the required statistical quantities and distributions are assumed to be known exactly. Due to small sample observations and missing information this is not the case in practical applications and uncertainties in the stochastic parameters themselves have to be considered. In our study we estimate the parameter variation of soil properties by statistical procedures and perform an extended reliability analysis of a shallow foundation considering these uncertainties. We propose a novel approach based on a Taylor series expansion which enables the estimation of the failure probability variation very efficiently.     

非平稳条件下北京市最大月降水量频率特征分析

为探究气候变化下极端降水的频率变化特征,基于北京市22个雨量站实测月降水量数据,以时间为协变量构建平稳和非平稳GEV模型,对北京市最大月降水量序列(极值降水序列)进行模拟和频率分析,并采用Bootstrap方法对频率分析结果的不确定性进行评价。结果表明:所有极值降水序列的最优概率分布模型均为非平稳GEV模型,该模型能够抓住序列随时间呈显著下降趋势的变化特征;由非平稳GEV模型估算得到的极值降水重现水平随时间呈减少趋势,这意味着未来极值降水导致洪涝灾害的风险在降低,但导致干旱的风险将增加;随着重现期的增加,极值降水重现水平估计值的不确定性也随之增大。