基于贝叶斯理论的水文不确定性分析研究进展

水文过程受众多自然和人为因素影响,决定了其变化的极端复杂性,表现为确定性的动态规律与不确定性的统计规律共存。水文不确定性分析的理论和方法在认识水文规律中发挥着重要作用,其中贝叶斯作为一种主要理论方法在水文水资源相关问题的研究中得到了较广泛的应用。本文评述了贝叶斯理论在水文频率分析、水文预报、确定性和不确定性方法耦合等研究中的进展,对基于贝叶斯理论的水文不确定性重点研究内容进行了展望。     

水文干旱研究进展

水文干旱是自然干旱中的一种重要类型,影响自然界水循环过程中蒸发、下渗和径流三大环节,关系着水文循环和水量平衡。当前的干旱研究多集中在气象干旱、农业干旱上。鉴于水文干旱研究的重要性和目前水文干旱研究的不足,对当前水文干旱研究进行了分类评述,提出了研究中存在的问题及主要发展方向,可为水文干旱的进一步研究提供参考。     

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.     

基于条件分布模型的气象水文干旱传递分析

气象干旱发展到一定程度可以传递为水文干旱。以潘家口水库流域1961—2010年逐月平均降水数据和潘家口水库的入库径流序列为基础数据,分别计算了1、3、6、12个月时间尺度的标准化降水指数（SPI）和标准化径流指数（SRI）,以表征研究区域的气象干旱和水文干旱。基于条件分布模型,分析了不同时间尺度的气象干旱传递到未来的不同等级和不同的预测期（或滞后期）的水文干旱的概率。结果表明,当SPI时间尺度较短或预测期（滞后期）较短时,其对应的SRI水文干旱等级越倾向于维持与SPI相同的干旱等级;随着SPI时间尺度的增长或预测期（滞后期）延长,其对应的SRI水文干旱等级略低于气象干旱或恢复到正常状态。     

贝叶斯概率水文预报简介

基于贝叶斯理论的概率水文预报，在于应用贝叶斯理论的优点：它能综合考虑各方面的不确定性，并以分布函数形式描述水文预报的不确定度。从而，能较好地满足优化决策的需要。     

基于IBUNE方法的水文模型不确定性分析

在贝叶斯理论框架下,根据一种可结合多个水文模型给出模拟或预报结果的IBUNE方法探讨了水文模型的输入、参数以及结构的不确定性问题。将SCEM-UA算法和EM算法嵌入新安江和TOPMODEL水文模型用于参数优化和模型平均,进而将输入与参数的综合不确定性处理后得到的预报量后验分布进行多模型综合,据此对水文模型的不确定性及其对水文模拟结果的影响进行评价。以湖南洣水流域龙家山水文站以上集水区域为例进行了应用研究,结果表明,IBUNE方法能够有效估计水文模型的不确定性,并能给出合理的概率预报区间。     

基于标准贯入试验的土体液化判别准则模型误差分析及土体液化概率预测

基于标准贯入试验的经验判别准则在建立过程中,由于存在较多的不确定性因素,不可避免地具有模型误差。本研究基于1962~1976年间的8场地震中的液化案例数据,采用极大似然理论对《工业与民用建筑抗震设计规范（TJ11-74）》、《建筑抗震设计规范（GB50011-2001）》和《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》中液化判别准则的误差进行了分析。研究表明：3种液化判别准则在分析1974年以前的液化案例时的精度较低,在分析1974年以后的液化案例时的精度较高,这可能与前者的锤击数并非由标准贯入试验直接获得有关;根据贝叶斯信息准则,GB50011-2001具有最高的最优模型概率,与液化案例数据符合程度最高。土体液化判别结果存在不确定性,本文给出了基于液化判别准则的模型误差以及未经修正的饱和土标准贯入锤击数与液化判别标准贯入锤击数临界值的比值计算的土体的液化概率公式。     

利用水文监测数据构造干旱程度指标的方法

从干旱的基本概念入手,提出建立抗旱工作相关的指标参数的性能要求,简要地分析常规水文观测资料在抗旱工作中的作用,从中选择几项作为建立干旱程度指标体系的基础,讨论建立指标体系的基本构想。着重说明借用洪水预报模型的一些成果建立度量干旱程度的水量供需平衡指数的方法。通过分析可以看出,常规水文观测资料已可以满足抗旱工作的需要,只要干旱程度度量体系构造合理,完全可以规避信息交流不畅的障碍。     

中国干旱预警水文方法探析

干旱预警是抗旱工作的首要环节和重要的非工程措施,但由于相关技术方法研究比较薄弱,在实际工作中往往缺乏针对性和可操作性,其作用难以得到充分发挥。为满足抗旱工作的需要,从中国抗旱工作实际出发,在阐述抗旱工作中干旱概念及成因的基础上,分析了中国干旱预警现状及存在问题,集成构建了干旱预警水文指标体系,提出了水文干旱预警水位（流量）的新概念及确定办法,填补了江河湖库干旱预警空白,并在抗旱工作中进行了实践应用,为干旱预警开辟了水文方法新途径。     

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。     

嫩江下游多变量水文干旱特征研究

基于嫩江江桥站、大赉站1953～2016年逐月径流数据,采用SRI干旱指数研究嫩江下游水文干旱特征.通过游程理论提取干旱历时、烈度、峰值三个干旱特征变量,选取多种常见概率分布和Copula函数,通过拟合优度指标分析选择出最优的边缘分布与Copula函数,在此基础上分析三个干旱特征变量的联合、同现重现期.结果表明,江桥站...     

甘肃省河东地区气象-水文干旱时空演变特征

干旱半干旱区是气候变化和人类活动的敏感和脆弱区,研究地区干旱时空演变特征有助于成灾机理分析。甘肃省河东地区是我国典型干旱半干旱区,主要依靠自然降水维持农业生产,旱灾尤为突出。基于标准化降水指数和标准化径流指数探讨河东地区气象-水文干旱的时空演变特征,结果表明：（1）气象干旱多发生于春夏两季及陇东地区,较少发生季节型以上气象干旱;（2）水文干旱较气象干旱历时更长,多年尺度干旱时有发生;（3）不同季节气象-水文干旱滞时不同,春夏两季几乎无滞后,秋季约滞后1个月,冬季约滞后4个月;（4）陇中和陇东地区历史受灾/成灾面积较大。本研究可为干旱半干旱区的旱灾预警评估和旱灾防控工作提供参考。     

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.     

基于贝叶斯模型平均的径流模拟及不确定性分析

水文模型是模拟水循环过程重要手段,依靠单个模型进行模拟往往存在很大的不确定性,使通过多模型进行组合模拟成为必然趋势。选取3个集总式水文模型应用贝叶斯模型平均(BMA)进行流域月径流量的多模型模拟,采用期望最大化算法推求BMA分布参数以得到BMA均值模拟序列和90%不确定性区间。以武烈河实测数据为例进行分析,结果表明:BMA方法既能通过均值模拟提供更高精度的模拟效果,还可通过不确定性置信区间定量评价模型结构不确定性,为径流模拟提供丰富信息。     

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。     

流域水文模型参数的水文分区法

本文用新安江模型参数进行水文分区,并对这种分区方法的精度及其稳定性作了定量分析论证。在此基础上,给出了江西、湖南、福建三省比较完整的水文分区。还以江西省为例,对用不同的分区法所得的水文分区成果精度进行了对比。     

基于Probit回归模型的煤矿底板突水预测

针对矿井底板突水预测精确度要求高的特点,提出了二值Probit回归矿井突水预测模型。依据概率论的相关知识构建模型参数的极大似然估计法,并通过遗传算法求模型参数的最优解。利用所建模型对建模样本的突水性进行反向识别,对测试样本的突水性进行预测识别,正确率分别为90%和100%,表明该模型具有很高的精确度。另外,所建模型结构简单、便于操作和使用,有一定的参考价值。     

人类活动对水文干旱形成与发展的影响研究进展

在高强度人类活动对地球系统产生全方位深刻影响下,干旱灾害已经不再是严格意义上的自然灾害,而成为自然-人为复合灾害。人类活动通过改变大气成分(主要通过温室气体排放)引起全球或区域性水循环过程的变化,导致气象干旱时空特性变化,从而间接影响到水文干旱的形成发展;通过改变河流蓄存状态与水力联系(主要通过蓄、引、提、调水工程)以及用水特性变化,改变河流与地下水系统调蓄功能与产汇流过程,从而直接影响到气象干旱向水文干旱的传递过程以及水文干旱的发展过程。考虑自然和社会水循环之间复杂的相互作用过程,揭示人类活动对干旱形成与发展的影响是干旱研究的重要发展方向。     

干旱半干旱地区水文预报模型研究及应用--以洮河流域为例

根据水系统理论模型的原理和方法，利用洮河流域水特征在面上分布的差异和产流、汇流到出口断面的时间必须同步的两个基本条件，对洮河流域进行了概化、分区，建立了流域水预报模型，经对历史资料进行拟合和1996—2000年资料试验预报的结果表明，该模型具有结构简单、操作方便，实用性强，预报精度高的特点，在干旱半干旱地区具有推广应用的前景。     

鄱阳湖区干旱演变特征与水文防旱对策

根据实测水文资料与历史记载资料,分析鄱阳湖区近1 000年来干旱的气候演变特征,表明从大周期上看,本世纪鄱阳湖区的气候严重干旱属正常偏少状态;但从小周期上看,本世纪前20年湖区气候严重干旱为偏多状态,未来十几年的抗旱形势依然十分严峻.利用都昌站水位资料,分析鄱阳湖区近55年来干旱的水文变化特征,表明干旱的水文变化较气候变化更为剧烈,且单向性变化趋势更加显著,说明湖区抗旱水资源利用困难呈加大趋势,旱期供水形势极为严峻.探讨了新形势下水文防旱对策.