两种背景下非平稳性洪水频率分布估计影响机制差异及方法改进模式

The stationarity assumption has long been compromised by climate change and human disturbances in river basins. Many hydraulic structures designed by the conventional hydrologic analysis methods will face the distortion risk in design frequency caused by the ever-changing environment. Non-stationary flood frequency analysis method is needed urgently for hydrologic engineering design and water resources assessment under changing conditions. However, existing methods are still unable to accurately interpret the mechanism of the flood frequency distribution impact by changing environment. 3 group typical contrast watershed will be selected from two different changing environment background in the same climate zone (climate change and hydraulic engineering regulation, climate change and vegetation deterioration). The change process of non-stationary flood sequences will be analyzed and the different mechanism of the flood frequency distribution between two different changing environment will be revealed. The flood frequency processing modes will be generalized for two different changing environment backgrounds (hydraulic engineering regulation and vegetation deterioration). An improved method suitable for non-stationary flood series will be summarized contrary to traditional hydrological frequency analysis. The results of this study will be beneficial to rationally describe non-stationary extreme flood characteristics under the changing environment, to correctly understanding the flood return period, and to improve the level of safety of hydraulic engineering.

受气候变化和人类活动影响，流域径流序列形成的一致性条件已不复存在，采用现有工程水文频率分析方法将面临由变化环境带来的洪水频率计算失真风险。需要一套非平稳性洪水频率计算方法进行变化环境下工程水文设计和水资源评价。然而现有方法仍无法准确阐释变化环境对洪水频率分布估计的影响机制。本申请书将根据流域下垫面变化背景差异，在同一气候区内选取两种变化环境背景（气候与水利工程影响、气候与植被破坏影响主导），共3组典型对比流域进行研究。通过分析洪水序列非平稳性变化过程，揭示两种变化环境背景下造成洪水频率分布估计差异的影响机制，提炼出分别适合水利工程影响和植被破坏影响两种不同背景下的非平稳洪水频率处理模式。归纳出一套适合于非平稳水文序列的对传统水文频率分析的改进方法。研究将有助于揭示变化环境下洪水水文情势演变机理，正确认识洪水重现期，提高我国水利工程安全水平提供理论支撑。

采用现有工程水文频率分析方法将面临由变化环境带来的洪水频率计算失真风险。现有方法仍无法准确阐释变化环境对洪水频率分布估计的影响机制。本项目分析并揭示了两种变化环境背景下造成洪水频率分布估计差异的影响机制。结果表明:.（1）非平稳洪水序列的变化特征以及变化趋势。.不同变化背景下华南湿润区非平稳洪水序列统计特征具有一定规律性和空间差异性。主要受气候与植被破坏影响的武江等流域年最大日流量显著上升呈现非平稳性；主要受气候与水利工程影响的东江等流域年最大流量显著下降呈现非平稳性。.（2）揭示两种变化环境背景下非平稳性洪水频率洪水设计值的响应机制及差异。.1）建立了考虑趋势变异的TVM模型表明气候与植被破坏主导下非平稳性洪水设计值随时间由小增大；气候与水利工程主导下则随时间由大变小。.2）气候与植被破坏主导下混合分布考虑了机制不同，设计洪水精度较传统P-Ⅲ频率曲线高；气候与水利工程主导下的流域受水库建成前大洪水点据影响，混合分布易高估设计洪水量级。.3）气候与植被破坏主导下洪水特征历时减小其设计洪水量级显著增大；气候与水利工程主导下洪水特征历时增大其设计洪水量级明显降低。.4）气候与植被破坏主导下在洪水量级和次数增大情况下合理提高门限值能有效提高设计洪水精度；气候与水利工程主导下蓄水后，洪水量级和次数减小背景下则合理降低门限值可提高设计洪水精度。.5）结合TVM和区域洪水频率方法。珠江流域27个站点可划分成4个区域。Ⅰ区发生极端洪水的概率有上升趋势；Ⅱ区和Ⅲ区基本较为平稳；Ⅳ区则变化趋势较为剧烈且复杂。.（3）提出一套适应变化环境的基于统计途径的洪水频率计算理论和方法建议.1）不同非平稳洪水频率处理方法设计洪水量级存在不同。应采用组合方法来减少非平稳性洪水序列的设计洪水的不确定性。.2）在气候变化与植被破坏影响下，有必要优先考虑区域TVM和混合分布组合方法设计洪水，以减少设计洪水的不确定性。.3）气候变化和水利工程调蓄下，应优先考虑区域TVM和单站TVM方法，不推荐混合分布方法。.4）应研究针对跳跃和趋势变异的考虑洪水历时非平稳性QdF频率分析方法。.5）在洪水量级和次数增大情况下合理提高门限值可有效提高POT模型分布对大洪水的拟合优度和设计精度；而洪水量级和次数减小背景下则合理降低门限值可提高设计洪水精度。