随机水文学-第1章

随机水文学随机水文学-第第1 1章章总体规划【课程名称】随机水文学【授课对象】水利类专业二年级本科生【授课时间】2012-2013学年第二学期.32学时【课程性质】专业选修课【授课方式】PPT课件辅以板书【教 材】王文圣等.随机水文学随机水文学.中国水利水电出版社【授课目标】掌握随机水文序列的基本概念及基本特征；掌握随机水文分析方法；掌握基本随机水文模型的构造方法与求解技术。第一章 绪言1.1 概述1.2 随机水文学的方法1.3 随机水文学的应用1.4 随机水文学的发展1.1 1.1 概述概述一、水文序列一、水文序列 水文现象随时间变化的过程称为水文现象随时间变化的过程称为水文水文序列序列（或（或水文过程水文过程）。）。1996.11996.21996.31996.41996.51996.61996.71996.81996.91996.101996.111996.1212.6012.240.442.984.2156.8168.736.921.612.14.81997.11997.21997.31997.41997.51997.61997.71998.81997.91997.101997.111997.124.6169.2252.938.1109.7213.920.48.58.221.31998.11998.21998.31998.41998.51998.61998.71998.81998.91998.101998.111998.120.912.922.82357.538.4130.4286.676.123.310.44.4水文序列具有水文序列具有确定性确定性变化规律和变化规律和随机性随机性变化规律。变化规律。确定性变化规律确定性变化规律表现为水文序列具有明显的（年、月表现为水文序列具有明显的（年、月等等 ）周期性变化。）周期性变化。确定性水文过程确定性水文过程 随机性变化规律随机性变化规律表现为不同周期的对应水文数据值不表现为不同周期的对应水文数据值不等，曲线形状相差较大。这是由于过程受众多因素影响所等，曲线形状相差较大。这是由于过程受众多因素影响所致。致。随机水文过程随机水文过程纯粹确定性水文过程是不存在的。纯粹确定性水文过程是不存在的。自然环境下的水文循环自然环境下的水文循环自然环境与人文环境下的水循环自然环境与人文环境下的水循环纯粹确定性的水文过程是纯粹确定性的水文过程是不存在的不存在的 随机水文学随机水文学是以是以水文过程水文过程为研究对象、为研究对象、以随机过程理论和时间序列分析技术为手以随机过程理论和时间序列分析技术为手段的一门学科。段的一门学科。随机水文学的研究重点是与时间紧密有随机水文学的研究重点是与时间紧密有关的随机现象，即随机水文过程。关的随机现象，即随机水文过程。水文变水文变量的时间顺序极为重要量的时间顺序极为重要。描述随机水文过。描述随机水文过程的数学模型，称为随机水文模型。程的数学模型，称为随机水文模型。二、随机水文学二、随机水文学随机水文学的随机水文学的任务任务是在全面随机分析的基础是在全面随机分析的基础上对随机水文过程建立起反映水文现象主要上对随机水文过程建立起反映水文现象主要变化特性的变化特性的随机水文模型随机水文模型，以解决水利水电，以解决水利水电工程规划、设计、运行及水文水资源水环境工程规划、设计、运行及水文水资源水环境各种分析、计算和研究等的实际问题。各种分析、计算和研究等的实际问题。随机水文过程随机水文过程随机水文模型随机水文模型模拟水文序列模拟水文序列水文特征值水文特征值1.2 1.2 随机水文学的方法随机水文学的方法一、随机模拟法一、随机模拟法 研究随机水文过程变化特征的方法，称为研究随机水文过程变化特征的方法，称为随机水文学随机水文学方法方法或或随机模拟法随机模拟法。根据水文系统观测资料的统计特性和随机变化规律，建立根据水文系统观测资料的统计特性和随机变化规律，建立能预估系统未来水文趋势的随机模型，由模型获得随机模拟能预估系统未来水文趋势的随机模型，由模型获得随机模拟序列，再进行水文水资源系统分析计算，解决实际问题的一序列，再进行水文水资源系统分析计算，解决实际问题的一种方法。种方法。一般步骤：一般步骤：分析各水文要素的特征，描述研究的问题；分析各水文要素的特征，描述研究的问题；确定模拟目标和系统状态变量，建立随机模型；确定模拟目标和系统状态变量，建立随机模型；估计随机模型的参数；估计随机模型的参数；验证模拟结果，求解实际问题。验证模拟结果，求解实际问题。核心内容：核心内容：建立随机模型，进而获得大量模拟序列建立随机模型，进而获得大量模拟序列二、随机模拟法的特点二、随机模拟法的特点 1 1、传统分析方法、传统分析方法 实测序列法：实测序列法：根据实测数据进行预测。根据实测数据进行预测。缺点：只能进行概率性预测，无法体现随机缺点：只能进行概率性预测，无法体现随机 性因素的影响。性因素的影响。设计过程线法：设计过程线法：依据观测值，分析计算洪水序列。依据观测值，分析计算洪水序列。缺点：假设设计洪水位的频率与洪水量频率缺点：假设设计洪水位的频率与洪水量频率 相同。实际上相同时段的洪水量在相同。实际上相同时段的洪水量在 时间和空间上的分配相差较大，洪水时间和空间上的分配相差较大，洪水 位具有不确定性。位具有不确定性。2 2、随机模拟法特点：、随机模拟法特点：（1 1）随机模型全面表征水文现象统计变化的特）随机模型全面表征水文现象统计变化的特性，不同的模型表征水文现象变化特性的重点有所性，不同的模型表征水文现象变化特性的重点有所差异。差异。如：如：时间模型、空间模型、时空模型时间模型、空间模型、时空模型 （2 2）由随机模型能模拟出大量的水文序列。）由随机模型能模拟出大量的水文序列。由水文序列获得频率曲线和各种特征值，用由水文序列获得频率曲线和各种特征值，用于工程规划和设计于工程规划和设计。（3 3）大量的模拟序列表征着未来水文现象可能）大量的模拟序列表征着未来水文现象可能出现的各种情况。出现的各种情况。全面、客观、适应性强全面、客观、适应性强1.3 1.3 随机水文学的应用随机水文学的应用（四）在防洪安全设计和风险分析方面（四）在防洪安全设计和风险分析方面n对入库洪水建立随机模型，由模型模拟出大量灌水过程对入库洪水建立随机模型，由模型模拟出大量灌水过程线，根据水库调洪准则分别调洪演算得到坝前年最高水线，根据水库调洪准则分别调洪演算得到坝前年最高水位系列，点绘坝前年最高水位频率曲线，推求相应防洪位系列，点绘坝前年最高水位频率曲线，推求相应防洪特征水位。特征水位。n近近20年来，随机模拟法不断尝试应用于水文系统风险分年来，随机模拟法不断尝试应用于水文系统风险分析中。如三峡水库防洪风险问题等。析中。如三峡水库防洪风险问题等。1.4 1.4 随机水文学的发展随机水文学的发展回归类模型：回归类模型：结构简单、概念清晰、参数不多、易于实现。结构简单、概念清晰、参数不多、易于实现。如：自回归滑动平均模型如：自回归滑动平均模型解集类模型：解集类模型：能同时保持总量和分量的特性和协方差结构，能同时保持总量和分量的特性和协方差结构，且分量之和等于总量。且分量之和等于总量。如：如：水量分配问题水量分配问题近近10年来，随机模型研究进展：年来，随机模型研究进展：非线性随机模型研究非线性随机模型研究传统的随机模型一般都是线性的，而水文系统是非线性系统。传统的随机模型一般都是线性的，而水文系统是非线性系统。自回归模型、双线性模型、人工神经网络模型自回归模型、双线性模型、人工神经网络模型，用遗传算法等，用遗传算法等演化算法估计非线性随机模型的参数。演化算法估计非线性随机模型的参数。非参数随机模型研究非参数随机模型研究避免了序列相依结构和概率密度函数形式的人为假定。避免了序列相依结构和概率密度函数形式的人为假定。非参数贝叶斯随机模型、最近邻抽样随机模型、非参数解集非参数贝叶斯随机模型、最近邻抽样随机模型、非参数解集模型模型等。等。其他随机模型研究其他随机模型研究小波分析随机模型、小波网络模型小波分析随机模型、小波网络模型近近10年来，随机水文学发展特点：年来，随机水文学发展特点：偏重解决实际问题偏重解决实际问题新理论、新技术和新方法的广泛应用新理论、新技术和新方法的广泛应用生产、科研、教学相结合生产、科研、教学相结合结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！29