变化环境下考虑不确定性的洪水频率计算

摘要

洪水频率分析是推求设计洪水的核心环节,是水利工程设计、运行、管理的依据.本文为了获得可靠的洪水频率计算结果,在气候变化和人类活动双重影响的背景下,通过综合考虑洪水频率分析中的众多不确定性来源进行计算.首先对变化环境下的洪水序列进行非一致性成分的识别与诊断,其次对非一致性序列进行重构,最后对重构后序列进行考虑不确定性的洪水频率计算,主要从以下三个方面展开: (1)变化环境下洪水序列变异诊断.采用水文变异诊断系统分三步进行诊断,主要分为:初步诊断、详细诊断和综合诊断.以汉江上游流域石泉站和安康站的年最大洪峰流量资料为例,计算结果表明:石泉站序列未发生变异,安康站序列于1987年发生跳跃变异. (2)变化环境下的洪水序列重构.根据上步变异诊断结果建立非一致性洪水序列重构体系,基于"分解-合成"的思路对洪水序列进行重构.针对确定性成分为趋势成分的洪水序列采用小波分析等方法进行识别及剔除;针对确定性成分为跳跃成分的洪水序列采用中心化等方法来处理;针对确定性成分为多种成分的洪水序列采用水文模型法来计算.收集大量的资料来验证该体系,结果证明,重构后序列一致性均较好,选用方法合理. (3)考虑多重不确定性因素的洪水频率计算.本文分别考虑洪水频率计算过程中样本抽样、线型选择和参数估计的不确定性,探索了一种综合考虑三者不确定的洪水频率计算方法.该方法以考虑线型和参数不确定性的洪水变量的概率密度函数为基础,通过Bootstrap法生成大量的模拟样本组来考虑样本抽样的不确定性,给出了综合考虑三者不确定性的洪水变量的概率密度函数,并进行积分,推导出综合考虑三者不确定性的设计洪水值的求解公式.以石泉站和重构后安康站的年最大洪峰流量序列为例,结果表明:随着设计频率的降低,设计洪水值的不确定性随之升高;在相同的设计频率下,综合考虑三者的不确定性,能够更为全面的考虑洪水频率计算中的不确定性,提供可靠的设计值结果.

目录

声明

1 绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外进展

1.2.1 非一致性水文频率计算研究进展

1.2.2 洪水频率计算中的不确定性研究进展

1.3研究区域概况

1.3.1 汉江上游流域

1.3.2 资料收集

1.4 研究内容及技术路线

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

1.5 本章小结

2 变化环境下洪水序列变异诊断

2.1 初步诊断

2.1.1 过程线法

2.1.2 时序累积值曲线法

2.1.3 Hurst系数法

2.2 详细诊断

2.2.1 趋势性成分识别与检验

2.2.2 跳跃性成分识别与检验

2.3 综合诊断

2.4 计算结果

2.4.1 初步诊断结果

2.4.2 详细诊断结果

2.4.3 综合诊断结果

2.5 本章小结

3 变化环境下洪水序列重构

3.1 变化环境下洪水频率计算思路

3.2 发生趋势变异时洪水序列重构方法

3.3 发生跳跃变异时洪水序列重构方法

3.4 发生多成分变异时洪水序列重构方法

3.5 实例分析

3.5.1 趋势变异

3.5.2 跳跃变异

3.6 本章小结

4 考虑不确定性的洪水频率计算方法

4.1 考虑样本抽样不确定性的方法

4.1.1 Bootstrap法

4.1.2 计算步骤

4.2 考虑线型选择的不确定性方法

4.2.1 多模型比较法

4.2.2 贝叶斯模型综合法

4.2.3 计算步骤

4.3 考虑参数估计的不确定性方法

4.3.1 贝叶斯模型法

4.3.2 计算步骤

4.4 综合考虑抽样、线型选择、参数估计的不确定性方法

4.4.1 理论方法

4.4.2 计算步骤

4.5 不确定性评价指标

（1）离散度

（2）区间宽度

4.6 本章小结

5 变化环境下考虑多重不确定性的洪水频率计算

5.1 计算思路

5.2 分布线型

5.2.2 GEV分布

5.2.3 三参数Weibull分布

5.2.4 三参数LN分布

5.3 样本抽样的不确定性对洪水频率计算结果的影响

5.3.1 石泉站计算结果

5.3.2 安康站计算结果

5.4 线型选择的不确定性对洪水频率计算结果的影响

5.4.1 石泉站计算结果

5.4.2 安康站计算结果

5.5 参数估计的不确定性对洪水频率计算结果的影响

5.5.1 石泉站计算结果

5.5.2 安康站计算结果

5.6 综合考虑抽样、线型选择、参数估计不确定性的结果分析

5.6.1 石泉站计算结果

5.6.2 安康站计算结果

5.7 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果