全国七大流域水文设计成果修订中若干关键技术问题探讨

为准确反映目前流域径流、洪水的实际情况,水利部组织完成了七大流域的水文设计成果修订工作。介绍了七大流域水文设计成果修订概况,总结分析了径流和洪水系列一致性处理、设计水文成果计算方法、成果合理性分析、修订成果应用等若干关键问题。重点阐述了洪水和径流系列的还原计算和考虑下垫面变化条件下的一致性修订问题,并对下一步修订成果的应用和研究重点提出了建议。     

非一致性水文频率分析的研究进展

水文频率分析计算需满足独立随机同分布假设,其中同分布是指水文样本在过去、现在和未来均服从同一总体分布,即样本应具有一致性。然而,由于气候变化及人类活动的影响,使得一致性的假设受到挑战,因此变化环境下传统频率计算方法获得的设计结果,其可靠性受到质疑。为此,探索适应非一致性极值系列的频率分析方法已显得非常重要。总结介绍国内外关于非一致性水文频率分析的一些代表性研究成果,主要集中在以下两方面:一是基于还原/还现途径;二是基于非一致性极值系列直接进行水文频率分析途径。最后对进一步值得研究的问题进行了展望。     

变化环境下海河流域天然河川径流丰枯概率演变规律

海河流域天然河川径流持续衰减,水文丰枯情势显著变化,亟需研究适用于非一致性水文序列的丰枯概率计算方法。基于标准化径流指数、GAMLSS模型等方法,提出一种不同等级丰枯水事件期望发生次数和期望等待时间的计算方法,研究变化环境下海河流域天然河川径流丰枯概率的演变规律。结果表明：(1)径流丰枯概率呈现出显著的枯增丰减趋势;(2)同传统的一致性分布等多类概率分布相比,以时间t为协变量的LOGNO分布拟合流域径流系列的效果最优,且基于该分布计算的期望发生次数更接近于历史实际;(3)非一致性最优模型不同情景条件下计算的流域极端枯水和极端丰水事件的期望等待时间分别为4.9～9.4 a、14.5～36.0 a,说明海河流域近期发生极端枯水的概率远大于极端丰水。     

基于典型解集模型的非一致性年径流过程设计方法

由于受人类活动和气候变化的影响,水文序列失去了一致性。为了适应变化环境对灌溉、供水工程设计的要求,提出了基于典型解集模型的非一致性年径流过程设计方法:首先,采用水文变异诊断系统对径流序列进行年际和年内分配情势变异分析;其次,根据年际变异和年内分配情势变异的时间点,将径流序列分段;再次,基于径流年际变异诊断结果,采用变化环境下非一致性水文频率计算方法计算年径流变异前后过去、现状或未来水平年不同保证率下的设计年径流值;最后,基于径流年内分配变异诊断结果,在径流年内分配变异前后利用典型解集模型进行年径流过程设计。以东江河源站为例,进行了非一致性年径流过程设计,并与未考虑"非一致性"影响的年径流过程设计结果进行比较,发现河源站设计年径流过程受"非一致性"影响显著。     

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。     

变化环境下石羊河流域年径流频率计算

受气候变化与人类活动的影响,水文序列一致性遭到破坏,传统的频率计算方法受到挑战。针对石羊河流域8条河流年径流量序列,在基于水文变异诊断系统进行变异分析的基础上,采用条件概率分布法和混合分布法进行了变化环境下的年径流频率计算。结果表明,石羊河流域年径流量序列以向下跳跃变异为主,变异年份多集中在1960年附近;变异序列的两种分布均通过K-S检验,最优分布的拟合效率系数均大于0.97;对比由考虑变异的理论分布与不考虑变异的一致性P-III型分布确定的设计年径流量,当设计频率高于90%时,大靖河与西营河的设计年径流量值相差较大。因此,石羊河流域新建水利工程的规划设计,应适当考虑水文资料的变异特性,选择合理的频率分析方法确定设计年径流量。     

梯级水库作用下的长江流域水文设计成果修订研究

长江流域水文成果复核选取了48个水文站点作为研究对象,考虑站点上游已建具有较强调节能力的大型水库调蓄影响,对径流、洪水进行还原分析计算以保证系列的一致性,并对径流、洪水设计成果的变化进行对比分析。径流成果分析表明,延长系列后干支流主要控制站点的径流成果较为稳定,多年平均年径流量和各站点20%、50%和75%频率年径流设计值的相对变化均在5%以内;洪水成果分析表明,延长洪水系列后的百年一遇设计洪水成果与前期不同阶段采用成果相比变化不大,基本均在4%以内。     

变化环境下东江流域水文干旱特征及缺水响应

在干旱事件不确定性和枯期径流变异性的双重影响下,水文干旱特征时序非一致性问题为其联合分布模拟带来困难。基于东江干流测站日径流过程数据,采用游程理论提取水文干旱事件,并结合干旱特征均值变化、时序一致性分析及边缘分布模拟,以确定干旱事件融合及剔除评判标准的合理取值。基于Rosenblatt变换Cramer-von Mises检验统计量拟合方法,构建水文干旱特征两变量联合分布Copula模型,并根据同频法设计两变量组合值。通过对比枯期径流变点分隔子序列干旱特征,分析变化环境下东江流域水文干旱特征及缺水响应。结果表明:水文干旱事件融合和剔除的评判标准值分别取0.1和0.3比较合理。干旱特征两变量之间具有较高的正相关性,但不同时间系列不同变量之间的联合分布及边缘分布最优模型并不一致。流域水库尤其是新丰江水库的径流调节作用,对于缓解东江中下游水文干旱效果明显,超阈联合重现期为2年的设计干旱持续时间、总缺水量和最大日缺水量分别减少了63%~71%、71%~84%和30%~47%,但如果要满足东江河道内最小管理流量目标,其依然分别达到了12~18 d、6 114万~9 030万m3和715.0万~929.0万m3。     

电子表格在洪水频率分析中的应用——以淮河王家坝水文站年最大洪峰流量系列为例

洪水频率(或重现期)是指一定时期内某种洪水出现的机率。目前我国对单个站点的洪水频率分析习惯于采用皮尔逊Ⅲ型分布。这种方法需要查表并用机率格纸进行手工适线,比较繁琐,而且受人为因素影响大。以淮河王家坝水文站年最大洪峰流量系列为例,应用电子表格,采用极值分布、皮尔逊Ⅲ型分布和三参数对数正态分布等多种洪水频率分析方法进行洪水频率计算并加以对比研究,得出该站的不同重现期的洪峰流量,以供广大水文工作者参考。     

水库径流调节对水文干旱的影响分析

对水文干旱研究做了简要综述,在此基础上,分别探讨了不考虑径流调节和考虑径流调节情况下的水文干旱分析方法.利用人工生成径流系列,以实际需水量作为截断水平产生干旱事件,得到了天然水文干旱的统计特征,主要包括不同频率(重现期)的水文干旱烈度、历时和强度;考虑水库系统对径流的调节作用,在水库采用SOP运行规则下,分析了径流调节下的供水系统水文干旱和判断依据,得出了考虑径流调节下的水文干旱统计特征.对两种情况下水文干旱统计特征进行对比分析,定量刻画了水库径流调节对水文干旱的影响.     

Flood frequency analysis based on simulated peak discharges

Flood frequency approaches vary from statistical methods, directly applied on the observed annual maximum flood series, to adopting rainfall–runoff simulation models that transform design rainfalls to flood discharges. Reliance on statistical flood frequency analysis depends on several factors such as the selected probability distribution function, estimation of the function parameters, possible outliers, and length of the observed flood series. Through adopting the simulation approach in this paper, watershed-average rainfalls of various occurrence probabilities were transformed into the corresponding peak discharges using a calibrated hydrological model. A Monte Carlo scheme was employed to consider the uncertainties involved in rainfall spatial patterns and antecedent soil moisture condition (AMC). For any given rainfall depth, realizations of rainfall spatial distribution and AMC conditions were entered as inputs to the model. Then, floods of different return periods were simulated by transforming rainfall to runoff. The approach was applied to Tangrah watershed in northeastern Iran. It was deduced that the spatial rainfall distribution and the AMCs exerted a varying influence on the peak discharge of different return periods. Comparing the results of the simulation approach with those of the statistical frequency analysis revealed that, for a given return period, flood quantiles based on the observed series were greater than the corresponding simulated discharges. It is also worthy to note that existence of outliers and the selection of the statistical distribution function has a major effect in increasing the differences between the results of the two approaches.     

HadCM3模式下钱塘江流域设计暴雨估算

全球气候变化背景下,极端水文气象事件发生的频率和强度都受到了直接影响,研究气候变化对极端水文气象事件的影响对防灾减灾和工程设计等至关重要.采用了联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告中给出的A1B、A2和B1三种温室气体排放情景,选用大气环流模式Had-CM3,利用随机天气发生器LARS-WG生成逐日气象资料,结合P-Ⅲ型曲线和线性矩方法分析计算了钱塘江流域21世纪中叶的设计暴雨情况.结果表明:LARS-WG天气发生器在钱塘江流域有较好的模拟效果;在A1B和B1情景下,钱塘江流域各站点不同重现期下的设计暴雨值基本呈增大趋势,其中A1B情景下杭州站百年一遇的设计暴雨值为209.14mm,比基准期增大11.0％.     

不同洪水重现期下橡胶坝调控对洪水风险的影响

现有针对河湖水系连通伴生风险分析的方法或不具备物理过程模拟,或缺乏对风险随机性的探讨。以沂沭河水系连通工程为例,在水力学模型的基础上,考虑连通河网不同河流洪峰相关性,创建随机水情条件下河湖水系连通伴生风险分析模型。通过1 200组水情条件,对沂沭河水系上游进行洪水过程模拟,针对橡胶坝可能造成的洪峰叠加问题,提出不同洪水重现期下橡胶坝运行调度风险管控建议。结果表明:① 50年一遇与100年一遇洪水重现期条件下,均呈现出橡胶坝坝址处水位风险极高（概率P>0.8）,流速风险较低（P < 0.3）的规律,且每当橡胶坝高度升高25%的设计坝高时,沂河与沭河坝前水位风险皆提高约70%,沭河坝址处流速风险降低约50%。②若在汛前塌坝下泄蓄水,人为洪峰的叠加会使沭河中下游河段产生极高风险。③通过划分水位、流速综合洪水风险安全域,洪水重现期50年一遇时,建议沂沭河橡胶坝在汛前调节至低于50%设计坝高,且控制沭河水深和流速分别在12 m和2.23 m/s以内,可以降低水位和流速风险至低风险（P < 0.4）;洪水重现期100年一遇时,需将橡胶坝调至25%设计坝高以下,或者汛前尽早缓慢塌坝下泄蓄水,才能有效降低沂沭河水系防洪压力。     

震后都汶公路沿线泥石流沟堵江危险性评估

震后泥石流松散物质显著增多,临界雨量降低,导致泥石流暴发频率增加、规模增大,从而使震后灾区泥石流堵江事件频繁发生,给灾区带来严重的二次灾害。为了评价震后泥石流堵江概率大小,本文在野外考察基础上,获得研究区泥石流沟基础数据,并根据水文模型计算不同频率下的泥石流规模; 在此基础上利用泥石流堵江公式,获取研究区域泥石流堵江危险程度(数值),并结合研究区域已发生的泥石流堵江事件,界定了泥石流堵江公式的临界值,使之能够更加准确用来判定泥石流堵江概率,并对 5·12 地震极震区都汶公路沿线的7条泥石流在不同频率下的泥石流堵江概率进行评价。评价结果显示:牛眠沟和关山沟在暴发50a及其以上泥石流时,会发生堵江; 烧房沟、红椿沟和磨子沟在暴发10a及其以上泥石流时,会发生堵江事件; 洱沟和太平沟在暴发5a及其以上泥石流时便可能发生堵江; 上述泥石流沟一旦发生堵江,便会给映秀镇和都汶公路带来严重灾难。通过本文获取的堵江临界值可以作为判定泥石流堵江的参考标准,为泥石流防治、预报提供参考,同时可以为灾后重建和预防二次灾害提供科学借鉴。     

水文双变量重现期分析及在干旱中应用

单变量水文统计中一些广为接受的概念在多变量环境下尚缺乏深入分析,也易被误解,如N年内重现期大于等于T的多变量事件发生的次数与N/T的关系。实践中,多变量联合重现期与其边缘分布变量重现期的一些经验关系被发现并通过了案例验证分析,但缺乏解释和推导。基于GH Copula推导了双变量联合重现期与边缘分布变量重现期的关系以及双变量事件发生次数与其重现期、变量相关程度间的定量关系。以昆明56年的逐月SPI(Standardized Precipitation Index)和SRI(Standardized Runoff Index)识别了干旱事件,采用GH Copula构建了干旱历时和烈度的联合分布函数,验证了双变量联合重现期与边缘分布变量重现期的关系以及多变量事件发生次数与其重现期的定量关系。表明不宜以“and”第1重现期是否接近于比该干旱事件的旱情更重的干旱发生的平均时间间隔来说明干旱特征值重现期分析的合理性。变量的相关性不强时,需谨慎采用边缘分布变量重现期的较大值近似代替“and”事件的第1重现期。     

气候变化下中国主要流域气象水文干旱潜在风险传播

全球气候变化影响了气象水文要素的时空分布特性,气象水文干旱事件的转化关系及风险传播特征亟待研究。基于站点、栅格观测资料和CMIP5（Coupled Model Inter-comparison Project Phase5）的19个气候模式输出数据,采用新安江等4个水文模型模拟了中国135个流域历史（1961—2005年）和未来时期（2011—2055年,2056—2100年）的水文过程,计算了SPI（Standard Precipitation Index）和SRI（Standard Runoff Index）干旱指标,通过游程理论识别了气象干旱与水文干旱事件,利用Copula函数与最大可能权函数度量二维干旱风险特征,定量评估了气象干旱至水文干旱的潜在风险传播特性。结果表明:①气象-水文干旱对气候变化响应强烈,华北和东北地区的干旱联合重现期增大,干旱潜在风险减小,华中和华南地区的干旱联合重现期减少60%~80%,干旱潜在风险增加;②气象干旱与水文干旱风险在历史和未来时段均存在显著的正相关关系,相关系数超过0.99;③各流域水文干旱风险变化对气象干旱风险变化的敏感程度不会随气候变暖发生较大变化,但未来北方地区水文干旱同气象干旱同时发生的概率将会小幅度增加。     

喀斯特流域径流量时序演变特征分析——以贵州省为例

以贵阳水文站近45年年径流量序列为例,利用Mo r let 小波变换对喀斯特流域径流量时序演变特性进行了分析预测。结果表明: ( 1)贵阳水文站年径流主要存在4a和25a 两个时间尺度的周期变化,在这两种时间尺度下,径流演变呈现出较明显的丰、枯交替振荡。( 2) 2000年以后的10a左右,年径流量有由丰转为枯、逐步下降的趋势。( 3)年平均径流量的丰、枯周期变化主要受年平均降水量的影响;人类活动对喀斯特流域年径流量有增加和减小两方面的影响,总体上会使径流量略有增加。      

基于联合分布的珠江口设计潮位过程线方法研究

针对同倍比方法与同频率方法推求设计潮位过程线中的局限性,采用4种边际分布函数对珠江口年最高潮位与年最大潮差序列进行拟合的基础上,选取4种不同的二维Archimedean Copula函数建立珠江口年最高潮位与年最大潮差的联合分布,并分析了高潮位重现期与潮位过程同现重现期的线性关系。结果表明:高潮位与潮差的同现重现期总是大于相应边际分布的重现期,并且随着边际分布重现期的增大,同现重现期增幅也越大,说明较高重现期的高潮位与潮差同时发生的可能性很小;基于高潮位重现期与潮位过程同现重现期的线性关系,采用基于联合分布的方法推求珠江口潮位过程线,推求结果较同频率法更为合理。     

Hydrological changes during the Roman Climatic Optimum in northern Tuscany (Central Italy) as evidenced by speleothem records and archaeological data

Study of the climate in the Mediterranean basin during different historical periods has taken on a particular importance, particularly regarding its role (together with other factors) in the evolution of human settlement patterns. Although the Roman age is traditionally considered a period with a favourable climate, recent studies have revealed considerable complexity in terms of regional climate variations. In this paper, we compare the hydrological change from speleothem proxy records with flood reconstructions from archaeological sites for Northern Tuscany (central Italy). We identify a period of oscillating climatic conditions culminating in a multidecadal dry event during the 1st century bc , followed by a century of increased precipitation at the beginning of the Roman Empire and subsequently a return to drier conditions in the 2nd century ad. The period of rainfall increase documented by the speleothems agrees with both the archaeological flood record as well as historical flood data available for the Tiber River, ca. 300 km to the south. These data also suggest a return to wetter conditions following the 3nd and 4rd centuries ad.