基于Copula函数的东江流域3大水库丰枯遭遇分析

东江流域在广东省政治、经济和社会中占有重要地位,域内新丰江、枫树坝和白盆珠3大水库的来水量直接影响区域生产生活供水.面对水库群联合调度新要求,本文利用Copula函数构建了3大水库入库流量的二维和三维联合分布,分析其丰枯遭遇概率,主要结论如下:(1)3大水库两两间丰枯同步的概率大于丰枯异步的概率,非汛期丰枯同步的概率大于汛期.其中,白盆珠与新丰江、枫树坝丰枯异步的概率相对较大,这为其与另两个水库丰枯互补提供了可能;(2)三维联合分布显示,3大水库丰枯同步的概率在全年、汛期和非汛期均较大,依次为42.29%、41.74%和51.99%,其中同丰和同枯的概率远大于同平的概率.枫树坝与新丰江对下游具有补偿能力的概率分别为29.81%和23.03%,不具有补偿能力的概率分别为32.75%和22.32%;(3)利用3大水库的联合分布,可获得各水库不同入库流量遭遇的概率以及特定概率下各水库入库流量的可能组合,对3大水库联合优化调度具有重要的理论与实践价值.     

水文干旱多变量联合设计及水库影响评估

基于东江流域博罗站月径流数据,采用游程理论提取水文干旱事件.选用Meta-Gaussian Copula函数,统计模拟水文干旱指标的多变量联合分布.采用Kendall联合重现期和最大可能权函数,设计给定联合超越重现期的水文干旱指标组合值,并定量评估水库径流调节作用对水文干旱多变量联合特征的影响.结果表明:东江流域水文干旱历时、强度和峰值的统计优选分布均为韦布尔分布.干旱指标之间具有较高的正相关性,Meta-Gaussian Copula能够很好地模拟水文干旱指标两变量和三变量联合分布.基于任意两个变量联合设计和三变量联合设计,干旱指标设计组合值位于同频位置附近,且同一个干旱指标设计值在不同变量组合之间差别较小.水库径流调节作用对于缓解东江流域水文干旱效果明显,同一组干旱指标的多变量联合超越重现期在水库影响下明显变大.联合超越重现期越小,水库对联合设计值的影响程度越大.根据目前水库运行模式,若要满足河道内最小管理流量目标,联合超越重现期10 a一遇的干旱历时、强度和峰值依然达到了约3.89~4.04月、7.20~7.97亿m3和2.99~3.12亿m3.     

洪泽湖、骆马湖、南四湖径流丰枯遭遇分析

依据洪泽湖,骆马湖,南四湖径流量资料,对湖泊历年不同时期径流进行丰枯评述。统计分析了洪泽湖,骆马湖,南四湖年径流,汛期径流,、枯情况,提出了洪泽湖,骆马湖及洪泽期,南四湖各种时期情况下水量丰或枯的遭遇频次。     

基于Copula函数的鄱阳湖流域极值流量遭遇频率及灾害风险

在以气温上升为主要特征的全球气候变化导致区域水循环加剧、极端气候水文事件频发的背景下,对极端水文事件,特别是水文极值遭遇频率的科学认识,对区域防洪抗旱具有重要意义.基于此,本文引入当前多变量分析中较常用的Copula函数.分析鄱阳湖流域主要支流赣江与抚河、乐安河与昌江的洪水、枯水流量联合概率特征,并对引起该流域水文极值...     

西江水文干旱历时与强度的遭遇概率分析

利用西江下游马口水文站1959 2009年月径流量数据计算径流干旱指数,经游程理论提取了水文干旱特征值.应用Copula函数分析水文干旱强度和历时之间的联合概率分布.对构建的干旱历时和强度联合分布模式进行分析,结果表明:(1)径流干旱历时和强度之间具有高关联性,秩相关系数达0.617;(2)三参数Weibull分布较好地描述了干旱历时和强度的边缘分布特征;(3)经拟合优度检验结果优选的干旱历时和强度之间的较优连接函数为Archimedean类的Gumbel-Hougaard Copula函数;(4)5～10年重现期和20年重现期的水文干旱分别达到了重旱级别和特旱级别;(5)干旱历时和强度之间的遭遇概率可为特定干旱历时与水文干旱级别或特定干旱强度与干旱历时之间的对应关系提供概率意义上的干旱特征诊断与预测.     

鄱阳湖流域过去1000 a径流模拟以及对气候变化响应研究

为研究过去千年尺度径流变化及其对气候变化的响应,以长江中游鄱阳湖流域为研究区,运用气候模式CCSM4和ECHAM5模拟过去1000 a气候数据,空间降尺度后驱动水文模型模拟了鄱阳湖流域过去近千年流域径流序列.利用快速傅里叶变换、小波分析等手段,分析流域极端径流变化特征、周期和该流域旱涝事件发生频率.结果表明:2种气候模式均能反映出中世纪暖期及小冰期阶段的干湿交替变化,且小冰期内中干旱状态维持时间较长;径流的丰枯变化与降水量变化具有较好的对应关系.CCSM4和ECHAM5模式下发生旱涝灾害与极大极小降水事件发生频率基本相同,径流丰枯变化与降水变化周期相近,均具有30 a左右的主周期,10~15、7 a左右的子周期.小波系数模平方图中30 a左右显著的能量信号揭示了该周期与北太平洋气候的主要环流机制的太平洋年代际振荡周期相近,因此,大气环流涛动是造成气候-水文变化的主要原因.研究结果拓展了基于近代60 a观测记录的流域水文变化的认识,探讨了千年时间长度下流域干湿变化特征和水文对气候响应的动力机制,有助于全面系统认识长江中游在全球气候暖化背景下旱涝极端水文事件的发生机制与变化规律.     

基于马尔科夫链模型的鄱阳湖流域水文气象干旱研究

基于气象和水文干旱的二维变量干旱状态基础上,通过一阶马尔科夫链模型对二维变量干旱状态进行频率、重现期和历时分析,建立水文气象干旱指数,从干旱灾害形成、演变和持续3方面对干旱灾害进行研究,同时预测未来6个月非水文干旱到水文干旱的概率.结果表明:(1)修河流域在干旱形成中危害大,抚河流域和修河流域在干旱演变中危害大,赣江流域和饶河流域在干旱持续中危害大;(2)鄱阳湖流域状态4(气象、水文干旱)发生的频率最高,为0.30,连续湿润或者干旱的概率最大,湿润状态(状态2)与水文干旱(状态4、状态5(气象湿润、水文干旱))的相互转移概率最低;(3)在长期干旱预测中,鄱阳湖流域从状态2转到状态4和状态5的平均概率为0.11,属最低,而状态1(气象、水文无旱)和状态3(气象干旱、水文湿润)到达状态4的概率为0.23,发生概率最大.修河流域在非水文干旱状态下未来发生气象、水文干旱状态的平均概率为0.28,是"五河"中最高的,而赣江流域在正常或者湿润状态下未来发生气象、水文干旱的概率最低,为0.18,该研究对于鄱阳湖流域水文气象干旱的抗旱减灾具有重要理论与现实意义.     

鄱阳湖流域径流模型

流域径流是鄱阳湖主要来水,建立鄱阳湖流域径流模型对揭示湖泊水量平衡及其受流域自然和人类活动的影响具有重要意义.针对鄱阳湖-流域系统的特点:流域面积大(16.22×104km2)、多条入湖河流、湖滨区坡面入湖径流等,研究了相应的模拟方法,建立了考虑流域土壤属性和土地利用空间变化的鄱阳湖流域分布式径流模型.采用6个水文站1991-2001年的实测河道径流对模型进行了率定和验证.结果显示,模型整体模拟精度较高.其中,赣江、信江和饶河均取得了较好的模拟结果,月效率系数为0.82-0.95;抚河和修水模拟精度略低,为0.65-0.78.模型揭示了研究时段内年平均入湖径流总量为1623×108m3,其中,赣江最多,占47%,其次为信江和抚河,分别占13%和12%,湖滨区坡面入湖径流约占4%,其余24%来自饶河、修水以及其它入湖支流.模型将用于评估流域下垫面或气候变化引起的入湖水量变化,为湖泊水量平衡计算提供依据.     

基于Copula函数的太湖流域汛期洪涝灾害危险性分析

太湖流域位于长江入海口,地处中国沿海经济带和长江沿线内陆经济带的交汇处,是中国高度城镇化地区之一.流域汛期降水受到多重天气系统的影响,不同的天气系统带来时空分布各异的降水,给该地区城镇防洪排涝工作造成了巨大的挑战.本文基于Copula理论对太湖流域汛期洪涝风险进行研究,考虑了因降水主导因素不同所造成的流域洪涝风险的时空差异性.在时间角度,采用降水主导因素发生时间的概率分布,将汛期划分为梅汛期和台汛期;在空间角度,通过Copula函数,对研究区进行聚类划分;在此基础上,根据太湖流域防洪规划,对流域梅汛期和台汛期的洪涝风险进行分析.研究结果表明:①太湖流域的汛期划分为:6月24日7月21日为梅汛期,7月22日9月22日为台汛期;②根据各分区降水和太湖水位的联合分布函数拟合效果的优劣,在梅汛期,太湖流域被划分为P-Ⅰ区、P-Ⅱ区和P-Ⅲ区;在台汛期,整个流域的降水作为一个整体,不分区;③到2025年,太湖流域在梅汛期和台汛期出现排涝不利情境的风险概率分别为2.4%和1.1%.本文的研究方法可以为太湖流域设计暴雨的调整、洪水资源的利用以及防洪排涝实时调度的决策提供科学参考.     

1960年以来气候变化与人类活动对鄱阳湖流域生态径流改变的影响

基于鄱阳湖流域五河水文站1960-2013年逐日径流量和14个国家级气象站的日气象数据,本文利用长短记忆模型框架构建神经网络模型来开展鄱阳湖流域的径流过程模拟,结合生态赤字与生态盈余等生态径流指标,定量分析了鄱阳湖流域的水文变异特征.同时,利用差异化的情景模拟方式,定量区分了人类活动和气候变化对鄱阳湖流域生态径流变化的...     

基于Copula函数的连河通江湖泊防洪安全设计:以洪泽湖为例

湖泊作为一种蓄水单元,尤其是大型过水性湖泊,是一种典型的平原型水库,在功能上与山谷型水库具有许多相似之处,但由于其特殊的地理地形构造,使得入湖洪水过程与入库洪水过程存在着较大的差异.在防洪安全设计研究中,山谷型水库关注的多是坝址洪水,即总的入库洪水过程,而对于湖泊来说,还需要关注各个分区的入湖洪水过程对湖区洪水演进的影响.针对大型过水性湖泊入湖洪水特征,本文采用Copula函数构造了多个联合分布函数,提出了一套基于总的入湖洪水过程推导各个分区入湖洪水过程置信区间的方法.以洪泽湖为应用实例,结果表明:1)在联合重现期已知的情况下,该方法能够确定总入湖洪量与洪峰的95%置信区间;2)该方法通过径流相关性分析对入湖河道合并聚类,形成分区入湖过程,既考虑了河道间天然的水文、水力联系,又避免了联合分布函数维度过高的问题;3)在总入湖洪量已知的情况下,该方法能够确定各分区入湖洪量分配95%置信区域.该方法具有较强的统计理论基础,拓展了多变量洪水频率分析技术在水利工程实际中的应用范围.     

1960-2012年鄱阳湖流域旱涝急转事件时空演变特征

基于鄱阳湖流域五河7个主要入湖控制站19602012年的实测径流资料,通过短周期旱涝急转指数,结合TFPW-MK趋势检验法及集合经验模态分解法,分析了鄱阳湖流域旱涝急转事件的时空分布、演变趋势、强度及周期变化等,并探讨了旱涝急转指数的不确定性及旱涝急转事件的成因.结果表明:鄱阳湖流域旱涝急转事件主要分布在310月,其中36月主要表现为“旱转涝”,710月主要表现为“涝转旱”,且不同年代间存在一定的时空差异;五河以轻度旱涝急转事件为主,重度旱涝急转事件发生频率较低,主要发生在抚河、信江和饶河流域,且多以“涝转旱”事件为主;在年代际上,鄱阳湖流域旱涝急转事件在1990s发生的频率最高,在2000s最低.同时,除饶河外,鄱阳湖流域年最强“涝转旱”事件的发生强度呈减弱趋势,而年最强“旱转涝”事件的发生强度在赣江和修水北支有减弱趋势,在饶河和修水南支有增强趋势.五河旱涝急转的变化存在2个特征时间尺度,分别为1 a和21~35 a,而年最强旱涝急转事件的发生强度具有3 a左右的周期变化特征.这些变化与流域降水的不均匀性及强烈的人类活动等有关.本研究结果有助于全面系统认识鄱阳湖流域在全球变暖背景下极端水文事件的发生机制和变化规律,可为鄱阳湖区防汛抗旱减灾提供重要的科学依据.     

鄱阳湖水龄季节性变化特征

基于环境水动力学模型EFDC源程序,建立了染色剂模型和水龄模型,在将模型与航测水文数据验证吻合的基础上,分别计算了鄱阳湖自然条件下春、夏、秋、冬季的水龄和倒灌前后鄱阳湖染色剂和水龄分布的变化,以及五河水系各分支河流水龄.分季节的水龄计算表明鄱阳湖水体交换受季节性来水影响明显.夏、秋季的水龄相对较小,在多数年份又受到长江水倒灌的影响导致水龄有所增大;冬、春季水龄较大,亦无长江水倒灌现象,相较于夏、秋季,水域面积明显减少.分支流的水龄计算表明,西南湖区的水体交换主要受到赣江的影响,西北湖区水体交换主要受到修水和赣江的影响,南部湖区主要受到抚河与信江的影响,东部湖区主要受到饶河的影响,湖心区和入江水道则受到五河水系的综合影响.同时水龄的研究表明拟建的鄱阳湖水利枢纽工程"调枯不调洪"的原则是合理的,为鄱阳湖水利枢纽工程论证提供了重要的参考依据.     

Lake flooding sensitivity to the relative timing of peak flows between upstream and downstream waterways: A case study of Poyang Lake,China

The relative timing of peak flows (RTPF) from tributaries has significant influence on flood occurrence at their confluence. This study is aimed at (1) analysing the characteristics of the RTPF of the 5 recharging rivers in the Poyang Lake catchment and the Yangtze River during the period of 1960–2012, and (2) employing a physically‐based hydrodynamic model (MIKE 21) to quantify the effects of RTPF on flood behaviour in the Poyang Lake (the largest freshwater lake in China). The results show that short RTPF, or close occurrence of peak flows, triggers flood in the Poyang Lake more easily. More than 75% of total flood events in the study period occurred with RTPF less than 60 days, and more than 55% of the events occurred with RTPF less than 30 days. The hydrodynamic simulation revealed that the date of flood peak in the lake was postponed by 4–7 days and the flood stage raised by 0.69 m because of the delay of peak flows from the upstream rivers/tributaries. On the other hand, earlier start of the Yangtze River peak flow led to flood peak in the lake 6–13 days earlier. Additionally, the duration of high lake water levels was extended by 9–12 days when the RTPF shortened, and the flood hydrograph of the Poyang Lake changed from a flat to a flashy type. These results indicate that an enlarged RTPF between the upstream rivers and the Yangtze River could be an effective way to prevent flood disasters in the Poyang Lake, a method apparently being adopted in the operation of the Three Gorges Dam. The RTPF should be considered and integrated when developing flood prevention and management plans in the Poyang Lake, as well as in other similar regions in the world.     

Monitoring the impact of backflow and dredging on water clarity using MODIS images of Poyang Lake,China

Backflow from the Yangtze River to Poyang Lake occurs frequently due to their different flood seasons. Based on the reasons for and time period of backflow, this study estimated the spatial‐temporal extent and the change of water clarity influenced by sediments within the backflow and northern Poyang Lake using time‐series Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) images. The results revealed that the sediments from backflows together with dredging activities in the northern Poyang Lake not only affected the northern Poyang Lake, but also influenced the central and southern Poyang Lake and the Poyang Lake national nature reserve, and resulted in great decline of water clarity in the regions influenced, which could seriously affect the lake ecosystem. The results indicated that MODIS images have potential for monitoring the distribution of sediments from backflows and dredging activities. However, the potential is limited because of the frequent cloud cover in the study area and the characteristics of backflow itself. The dredging activity combined with backflows might have great negative impacts on the Poyang Lake ecosystem, and it would be worthwhile to explore the possible impacts in order to develop scientific knowledge to support the decisions, which need to be made by the responsible authorities for deciding how to rationally manage this unique lake ecosystem Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

Flood coincidence analysis of Poyang Lake and Yangtze River: risk and influencing factors

We build copula function-based joint distribution models for the annual maximum flood peaks of the Yangtze River and Poyang Lake, to analyze the coincidence probabilities, using scenarios that combine with the impoundment of three Gorges, define influencing indexes and relative contribution rates on flood coincidence at varying frequencies. The study shows the probabilities for coincidence of floods with 1000, 100, and 10-year return periods in both Yangtze main stem and Poyang Lake are respectively 0.02, 0.19 and 2.87%, with higher coincidence probabilities for shorter return periods; when 1000-year flood occurs in the Yangtze, the probabilities for Poyang Lake to encounter flood of the 1000, 100, or 10-year magnitude are higher than 16.08, 42.48 or 74.77% respectively; Poyang–Yangtze flood coincidence is affected by operation of the hydraulic engineering. The lowering of flood peaks caused by the Three Gorges impoundment and regulation of the lake have respectively reduced the probabilities of Poyang–Yangtze flood coincidence by about 7.0 and 1.97%, with average relative contribution rates ? 33.82 and ? 17.1%; influenced by hydrological projects in Poyang basin, variations in Poyang’s inflow flood have displayed an average contribution rate of 20.4% for the negative effect on extreme (P < 5% or P > 90%) flood coincidence, while having a positive contribution rate of 38.2% on floods of other return periods. The results can help increase our understanding of flood coincidence, and support flood control efforts in Poyang Lake; its analytical approach may also be useful to other applications of copula functions.