非一致性条件下多变量洪水频率分析计算方法研究

Under changing environments, the flood series of many watersheds have been found to exhibit the so-called nonstationarity due to the driving force of climate change and human activates. As a result, the flood probability distribution estimated from the observed data cannot be employed to reflect the flood statistical characteristic in future, and the corresponding hydrologic design would be unreliable. Current studies of nonstationary flood frequency analysis mainly focus on univariate flood series, while seldom cover the nonstationarity issue of multivariate flood series. In this proposal, we would like to address the nonstationarity issues in multivariate flood frequency analysis. Firstly, the driving force inducing the multivariate flood nonstationarity is identified, to construct the nonstationary multivariate flood distribution and capture the evolution of the multivariate flood statistical characteristics under changing environments. Then, the multivariate flood distribution in the future will be estimated based on the predicted nonstationarity driving force. Finally, the multivariate hydrologic design methods applying to changing environments are proposed with introducing proper design criteria under nonstationary conditions. With such studies in this proposal, we shall able to reveal the evolution of the multivariate flood statistical characteristics under changing environments, and therefore provide more reliable outcomes of hydrologic design for hydraulic structures.

在变化环境下，气候条件改变以及大规模人类活动破坏了洪水序列的一致性，由历史实测资料估计得到的洪水频率分布无法真实地反映未来洪水的统计规律，导致相应水文设计值的可靠性受到质疑。目前关于非一致性洪水频率分析计算的研究主要针对单变量洪水，对多变量洪水的研究尚有欠缺。本项目将围绕非一致性条件下多变量洪水频率分析计算问题开展研究，通过辨识导致多变量洪水非一致性的驱动因子，对洪水统计特征的时变性做出数学描述，构建非一致性多变量洪水频率分布；分析非一致性驱动因子在未来的变化过程，预估未来情景下多变量洪水频率分布；探索非一致性条件下的多变量水文设计准则，提出适应变化环境的多变量工程水文设计方法。通过该项目研究，可以揭示变化环境下多变量洪水统计特征的演变规律，为水利工程的规划、设计与运行提供更加可靠的水文设计成果。

在变化环境下，气候条件改变以及大规模人类活动破坏了洪水序列的一致性，由过去实测资料估计得到洪水频率分布无法真实地反映未来洪水的统计规律，因此导致相应水文设计值的可靠性受到质疑。目前关于非一致性洪水频率分析计算的研究主要针对单变量洪水序列，对多变量洪水的研究尚有所欠缺。本项目围绕非一致性条件下多变量洪水频率分析计算问题开展研究。首先,提出了基于藤Copula函数的多变量非一致洪水变量联合概率分布估计方法，并且建立了洪水频率分布参数与解释变量的函数关系。在预测影响洪水概率分布人类活动和气候因子的基础上，进一步预估未来变化环境下多变量洪水概率分布。提出了非一致性条件下的多变量水文设计值方法，将可靠度的概念引入多变量水文设计中，分别应用不同的多变量超过概率计算方法，推求适应变化环境的多变量水文设计值。在原有的研究计划基础上进一步扩展了研究内容，在层次模型的理论框架下，提出了一种基于水系结构的洪水频率分布推求方法，该方法能够充分利用流域内多个站点洪水序列信息，并且考虑了流域内上下游洪水变量相关性及上游不同梯级水库对下游站点洪水频率分布影响的异质性，有助于准确揭示不同梯级水库对下游洪水的影响，减小洪水频率分布估计的不确定性。总之，本项目研究成果丰富了现有的洪水频率分析计算方法，为变化环境下的工程水文设计提供了一定的理论支撑。