非一致性洪水分析計(jì)算及對水利工程防洪影響研究.pdf

1、極大洪水事件是威脅人類最大的自然災(zāi)害之一。在工程設(shè)計(jì)中，頻率分析計(jì)算是風(fēng)險(xiǎn)評估和風(fēng)險(xiǎn)緩解必不可少的一部分，它通過統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算極值水文事件的發(fā)生頻率，從而為防洪工程的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)的頻率分析一般假定實(shí)測水文序列滿足一致性要求，但是目前越來越多的研究表明，氣候變化和下墊面變化顯著地影響降雨和洪水形成的物理基礎(chǔ)，導(dǎo)致實(shí)測水文序列“一致性”假定遭到嚴(yán)重質(zhì)疑。因此傳統(tǒng)的頻率分析方法不再適用，為提供更精確的風(fēng)險(xiǎn)分析，探索非一致性極值水文序列頻率

2、計(jì)算方法并定量估計(jì)環(huán)境變化對極值水文序列頻率的影響是極其重要的。本文以受氣候和下墊面顯著變化影響的大清河流域?yàn)槔?，承?dān)整個(gè)流域防洪重任的上游各大型水庫入庫洪水序列形成的物理基礎(chǔ)和條件發(fā)生改變，入庫洪水序列的一致性要求不再滿足，若繼續(xù)采用傳統(tǒng)的洪水頻率分析計(jì)算方法，對水庫調(diào)洪以及白洋淀水系區(qū)域防洪會產(chǎn)生一定的風(fēng)險(xiǎn)。本文在對白洋淀上游大型水庫入庫洪水序列進(jìn)行非一致性洪水序列頻率分析的基礎(chǔ)上，研究大清河流域現(xiàn)狀氣候變化和下墊面變化對白洋淀上游

3、水庫設(shè)計(jì)洪水成果、水庫調(diào)洪和區(qū)域防洪的影響；另一方面，基于氣候預(yù)測因子，對入庫極值洪水和極值降雨頻率進(jìn)行預(yù)測，為環(huán)境變化條件下白洋淀水系上游水庫設(shè)計(jì)洪水的修訂和庫淀防洪調(diào)度提供技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)。主要研究內(nèi)容及成果如下：
　?。?）對大清河流域白洋淀上游四個(gè)大型水庫的入庫洪水極值序列進(jìn)行變異診斷，分為初步診斷和詳細(xì)診斷。其中詳細(xì)診斷中洪水序列突變性診斷（即變異點(diǎn)診斷），首先采用Pettitt檢驗(yàn)法得到變異點(diǎn)范圍，再結(jié)合其他變異點(diǎn)診

4、斷方法結(jié)果確定可能變異點(diǎn)，最后結(jié)合各水庫控制流域內(nèi)土地利用變化情況、水保工程資料和降雨序列變異點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行綜合判斷，得到各水庫變異洪水序列的最可能變異點(diǎn)均為1979年，且均呈現(xiàn)顯著的趨勢變異。
　?。?）基于各水庫入庫洪水序列的變異點(diǎn)診斷結(jié)果，分析條件概率分布和混合分布兩種分布模型下的非一致性洪水序列頻率計(jì)算形式，混合分布優(yōu)于條件概率分布。選取混合分布模型對變異洪水系列進(jìn)行非一致頻率計(jì)算，得到各非一致性洪水序列不同重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)洪水

5、值，再采用同頻率放大法得到非一致性洪水序列的設(shè)計(jì)洪水過程。將各水庫考慮環(huán)境變化的設(shè)計(jì)洪水成果，與不考慮洪水序列變異情況的設(shè)計(jì)洪水成果進(jìn)行比較，結(jié)果表明不同重現(xiàn)期下，西大洋水庫年最大1日、3日和6日洪量設(shè)計(jì)值減小程度均低于20％，王快水庫年洪峰流量、年最大1日、3日和6日洪量設(shè)計(jì)值減小程度均低于16%，龍門水庫年最大1日、3日和6日洪量設(shè)計(jì)值減小程度均低于13%。
　　（3）將基于非一致性洪水序列混合分布得到的設(shè)計(jì)洪水過程和不考慮環(huán)

6、境變化的傳統(tǒng) P-Ⅲ分布計(jì)算得到的設(shè)計(jì)洪水過程分別作為水庫入庫洪水過程，按各水庫給定的調(diào)洪規(guī)則進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，并比較調(diào)洪成果：非一致性條件下，各水庫最高庫水位減小幅度均小于1m；各水庫最大下泄流量，西大洋水庫除50年一遇設(shè)計(jì)洪水過程計(jì)算得到的成果因水庫調(diào)洪規(guī)則其減小比例為81.68%外，其余設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下減小比例為0.07%~32%；王快水庫各設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下最大下泄流量減小比例均低于6%；龍門水庫各設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下最大下泄流量的減小比例在0%~7.19

7、%范圍。
　?。?）考慮環(huán)境變化和不考慮環(huán)境變化兩種條件下，白洋淀上游各水庫不同重現(xiàn)期下的下泄流量過程，經(jīng)各自的河道洪水演進(jìn)，再疊加各重現(xiàn)期對應(yīng)的河道區(qū)間設(shè)計(jì)洪水過程，得到兩種條件下不同重現(xiàn)期的白洋淀入淀設(shè)計(jì)洪水過程，結(jié)果表明：考慮環(huán)境變化的50年一遇設(shè)計(jì)洪水過程在洪峰流量附近減小程度有明顯差距，20年一遇設(shè)計(jì)洪水過程在設(shè)計(jì)洪水退落階段也有明顯減小，10年一遇設(shè)計(jì)洪水過程兩種情況相差不明顯。兩種假設(shè)條件下，各不同重現(xiàn)期的白洋淀入淀

8、設(shè)計(jì)洪水過程經(jīng)淀區(qū)調(diào)洪計(jì)算得到對應(yīng)重現(xiàn)期的白洋淀調(diào)洪成果，將兩種條件下的成果進(jìn)行比較：基于入庫洪水序列變異的最高淀內(nèi)水位有一定減小，減小程度不超過0.2m，但相應(yīng)的白洋淀蓄水容積減小程度達(dá)1.3億m3，白洋淀最大下泄流量的減小比例均低于10%。
　?。?）以西大洋水庫入庫年最大1日洪量序列和年最大30日降雨序列為例，通過相關(guān)性檢驗(yàn)、主成分分析、廣義線性模型的建立和物理意義分析，確定與西大洋水庫控制流域的洪水和降雨相關(guān)性最好、影響最

9、大的氣候預(yù)測因子為位于北印度洋和熱帶西太平洋區(qū)域的MJJ SSTa時(shí)間序列（海表溫度異常的5、6、7月的平均值）第一和第六個(gè)主成分PC1和PC6。建立3種假設(shè)條件下的模型：一致性模型、時(shí)間趨勢模型和考慮PC1和PC6氣候預(yù)測因子的非一致模型對非一致性洪水/降雨序列進(jìn)行頻率分析，通過模型之間的比較，以氣候預(yù)測因子為協(xié)變量的時(shí)變矩模型最優(yōu)，且能充分描述洪水/降雨頻率的變化趨勢，避免一致性模型對大洪水/降雨事件風(fēng)險(xiǎn)的低估和對小洪水/降雨事件的