变化环境对华南湿润区洪水频率变化的影响分析讲课课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,LOGO,变化环境对华南湿润区洪水频率变化的影响分析,第一页，共48页。,优选变化环境对华南湿润区洪水频率变化的影响分析,第二页，共48页。,LOGO,问题：,近,20,年来武江流域的小概率洪水事件时常出现，小概率洪水常态化了，这与统计学、概率学上的概念不完全符合，所得的结果难以令人信服。,研究背景,第三页，共48页。,LOGO,研究思路,研究意义,研究思路和研究意义,引发思考,初步分析,洪水频发现象,解开矛盾症结,气候变化,内驱动力,外驱动力,+,进一步思考,洪水特性发生变化,寻找适合当前环境下的洪水频率计算模型,为流域防洪减灾、洪水资源化利用、水库调度规则的建立、洪涝评估分析，提供理论支撑。,第四页，共48页。,挖掘洪水时间序列的特性。,解读气候变化下洪水的异变性。,研究气候变化对洪水频率理论及计算方法的影响，试图寻找适合当前环境下的洪水频率计算模型。,研究目标,第五页，共48页。,理论上的小概率洪水,实际中的常遇洪水,矛盾现象,揭示隐藏在背后的本质,洪水特性的挖掘,洪水序列分析：,洪水异变性的解析,洪水演进过程时,-,频域的响应,洪水序列随机性、独立性的辨识,P-III,型分布使用的限制,频率计算理论的解读：,极值变量单一输入的不合理性,随机性和独立性的前提,气候变化影响,Gumbel-Logistic,模型,洪峰流量,洪水总量,洪峰水位,较真实洪水频率结果的解答,技术路线,降雨量,第六页，共48页。,研究内容,解析了武江流域洪水的动力学特性,综合分析了武江流域洪水的异变性,解答了小概率洪水事件和常遇洪水之间的矛盾症结所在，并论证适合气候变化背景下的洪水频率计算模型,第七页，共48页。,武江流域介绍 武江是北江流域第二大的一级支流，水系发达。武江干流在广东境内比降较陡，平均比降,1.27,，流速大，洪水传播时间快，是典型的弯曲型山区河流。进入,21,世纪以后，全球气候变化的作用，导致武江流域台风雨增多。,珠江流域北江水系武江流域图,第八页，共48页。,LOGO,水文现象受多种因素的影响，使得水文时间序列表现出高度的非线性、复杂性和不确定性的特征。洪水动力学特性解析是理解确定性和随机性的基础。,从以下两方面着手研究：,1),混沌性的识别,2),动力学特性解读,1,洪水动力学特性解析,第九页，共48页。,解析的方法,G_P,算法、Cao氏算法计算嵌入维、Lyapunov指数的计算、互信息算法确定延迟、重构相空间和R/S分析方法。,6种方法与结果之间的相互连接,:,恰当的,+,嵌入维数,时间延迟,奇异吸引子,重构相空间,Lyapunov指,数的计算,初值的敏感性,Cao氏算法,互信息法,G_P,算法,R/S分析方法,分形性,无标度区的辨识,无标度区的准确性将直接影响分形维的准确性,正确辨识洪水时间序列为纯随机性？混沌序列？,1,洪水动力学特性解析,第十页，共48页。,LOGO,解析的时间序列的对象,由于洪水时间序列不同于其他水文时间序列，每年具有一场或多场洪水过程，因此在本汇报中以两种洪水时间序列为研究对象：,i)以1955-2007年为时间跨度，每年中选一个洪峰流量值，由53个洪峰流量数据组成一个,洪峰流量时间序列,;,ii)以,1955,年、,1956,年、,2006,年和,2007,年的,洪峰流量过程,为例，分析武江流域的洪水时间序列的动力特性。,解析结果,武江流域,53,场洪水和年洪峰流量具有混沌性、长程相关性和分形性。,1,洪水动力学特性解析,第十一页，共48页。,LOGO,气候的变化导致水文时间序列的突变，洪水作为水文时间序列的要素之一，即具有与之相同的共性，又有自身的特性。,本研究结合洪水时间序列自身的特征，综合分析各项要素的异变性。,从以下几方面分析洪水的异变性：,1,）洪水强度大小的比较及异变性分析,2,）洪水形态的分类及异变性辨识,3,）,Q,max,、,Q,totla,和,Q,3d,的异变性,2,武江流域洪水异变的辨识,第十二页，共48页。,LOGO,2.1,洪水强度大小的分类及异变性解析,强度指标的选择,根据武江流域的洪水特征和武江流域的地形地貌的特性，选取洪峰流量、洪峰水位、最大,72,小时洪量和洪水总量。,分类模型：,人工鱼群优化的模糊,c,均值算法。,2,武江流域洪水异变的辨识,第十三页，共48页。,LOGO,分类结果及异变性的辨识：,洪水,等级,洪水分类结果,IV,2006,III,1961,1968,1994,2002,II,1955,1956,1957,1962,1969,1972,1973,1975,1976,1977,1978,1980,1982,1983,1985,1992,1993,1995,1997,1998,1999,2001,2005,2007,I,1958,1959,1960,1963,1964,1965,1966,1967,1970,1971,1974,1979,1981,1984,1986,1987,1988,1989,1990,1991,1996,2000,2003,2004,结论：,将洪水强度分为,4,类时，武江流域的,4,类强度洪水在各个年代、各个时期分布较均匀，未出现强度异变。,洪水强度异变性分析：,洪水强度分类的结果：,2,武江流域洪水异变的辨识,第十四页，共48页。,LOGO,2.2,洪水形态的分类及异变性辨识,洪水形态指标选择：,1,）,偏度：,峭度：,峰越尖锐，峭度越大；峰越平坦，峭度越小。,2,）时域特征（,6,项指标）：,3,）频域特征（,5,项指标）：,洪水时间序列的频域带个数、能量最为集中的频域中心值、能量最为集中的时间值、高频率的频域跨度值、高频率的频域时间持续值。,2,武江流域洪水异变的辨识,第十五页，共48页。,LOGO,洪水形态指标的提取：,降维模型：,主成分分析方法,进行降维处理。,降维结果：,用,6,项指标,（洪水时间序列的频域带个数、高频率的频域时间持续值、能量最为集中的频域中心值、涨洪点仰角值、洪水起涨点的斜率、洪水退水点的斜率）,可以将洪水形态进行分类。,2,武江流域洪水异变的辨识,第十六页，共48页。,LOGO,洪水形态分类及异变的辨识,分类模型：,蚁群算法优化改进的投影寻踪模型,结果：,异变性辨识：,结论：,随着年代的延伸,II,型双峰型洪水减少,而,I,型双峰型洪水增多,.,II,型双峰型,I,型双峰型,2,武江流域洪水异变的辨识,第十七页，共48页。,LOGO,2.3 Q,max,、,Q,totla,和,Q,72h,的异变性,方法：,启发式分割算法、,Pettitt,法,结果：,年洪峰流量,(,Q,max,),洪水总量,（,Q,totla,）,最大,72,小时洪量,(,Q,72h,),突变时间,显著水平,突变时间,显著水平,突变时间,显著水平,1994,年,*,1993,年,*,1993,年,*,2,武江流域洪水异变的辨识,第十八页，共48页。,LOGO,传统的水文频率分析（,P-III,型分布）仅考虑水文时间的某一特征量，对洪水特征的描述不全面，是导致采用,P-III,型分布计算出的洪水频率结果与实际情况存在偏颇的原因之一。,武江流域洪峰流量具有混沌性、分形性和长程相关性，因此现今洪水时间序列可能不完全服从传统的,P-III,型分布，亦是导致洪水频率结果与实际情况存在偏颇的另一个原因。,将进一步探讨小概率洪水事件与常遇洪水之间的矛盾症结，并寻找适合气候变化背景下的洪水频率计算模型。,3,解析气候变化下的洪水频率值,第十九页，共48页。,LOGO,3.1,随机性和独立性的解析,时间序列的选取,1,）,以,1955-2007,年的,53,场洪水的洪峰流量时间序列为研究对象,2,）以,4,场调查到的历史洪水（,1835,年、,1915,年、,1931,年和,1935,年）与,1955-2007,年的,53,场洪水作为输入，解析,57,场洪水的洪峰流量的随机性和独立性。,解析方法,随机性：通过自相关系数值的判断；,独立性：轮次分析法。,3,解析气候变化下的洪水频率值,第二十页，共48页。,LOGO,3.1,随机性和独立性的解析,解析结果,1,）,53,场洪水的洪峰流量具有随机性，但由于年洪峰流量负轮次长的数学期望,E(53)=2.3642.0,，表明它不具有独立性。,2,）,57,场洪水的洪峰流量具有随机性，但由于年洪峰流量负轮次长的数学期望,E(57)=2.15382.0,，表明该时间序列亦不具有独立性。,3,解析气候变化下的洪水频率值,第二十一页，共48页。,LOGO,洪水频率计算模型的选取：,当采用,P-III,型分布计算洪水频率时，由于模型输入的时间序列的非独立性，导致,P-III,型分布计算出的洪水频率结果与实际存在偏差。,Gumbel,认为现实状态下的数据难以具有独立性，并且实际研究表明许多水文极值现象都服从,Gumbe1,分布，由于,Gumbel-logistic,模型的限制条件较少，使用范围更大，本研究中采用该模型计算洪水特征量的频率,/,重现期值。,3,解析气候变化下的洪水频率值,3.2,气候变化下的洪水频率计算模型的选取,第二十二页，共48页。,LOGO,计算模型：,Gumbel-Logistic,模型,洪水特征量的选择：,53,场洪水：洪峰流量,+,洪水总量,57,场洪水：洪峰流量,+,洪峰水位,统计检验：,K-S,检验法来检验选取的洪水特征值的边缘分布是否服从耿贝尔分布。,3,解析气候变化下的洪水频率值,3.2,气候变化下的洪水频率计算模型的选取,第二十三页，共48页。,LOGO,分布检验结果：,3,解析气候变化下的洪水频率值,3.2,气候变化下的洪水频率计算模型的选取,结论：,53,场洪水的洪峰流量和洪水总量，以及,57,场洪水的年最高水位和洪峰流量的边缘分布都符合,Gumbel,分布。,项目,结果,柯尔摩哥洛夫检验的临界值（,Dn,）,53,场洪水,(n=53),洪峰流量,0.1224,D(53)=0.17981,洪水总量,0.1119,57,场洪水,(n=57),洪峰流量,0.1236,D(57)=0.17231,洪峰水位,0.0536,第二十四页，共48页。,LOGO,洪水重现期结果：,3,解析气候变化下的洪水频率值,3.2,气候变化下的洪水频率计算模型的选取,项目,年份,重现期（年）,Gumbel-Logistic,模型,53,场洪水,1961,年,3.09,1968,年,10.56,1994,年,25.76,2002,年,10.94,2006,年,153,第二十五页，共48页。,LOGO,洪水重现期结果：,3,解析气候变化下的洪水频率值,3.2,气候变化下的洪水频率计算模型的选取,项目,年份,重现期（年）,P-III,型分布,Gumbel-Logistic,模型,57,场洪水,1853,年,100,37.23,1915,年,30,17.52,1931,年,20,12.86,1935,年,13,8.5,1961,年,10,7.27,1968,年,13,7.64,1994,年,30,16.15,2002,年,22,13.21,2006,年,599,131.05,第二十六页，共48页。,LOGO,小结：,气候变化的作用下，对于不具有独立性的时间序列，如果采用,P-III,型曲线分布的统计方法，不仅不能客观描述洪水频率的结果