区域非一致性水文频率分析方法研究与应用

Non-stationary hydrological frequency analysis is the core scientific research of hydrologic engineering design research in changing environment. At-site univariate non-stationary hydrologic design exist the significance uncertainty. Moreover, multivariate non-stationary hydrologic analysis has limits on bivariate and it has challenge for hydrologic design value calculation. The Project takes the Xiangjiang river basin as typical research area and the hydrological variables variation and their driving mechanism is studied. Based on the synthesizer of at-site non-stationary theory and regional topography information, a regional non-stationary hydrologic frequency analysis model with reducing uncertainty and estimating design flood in un-gauged site will be set up to reveal the spatial-temporal variety distribution and spatial clustering mechanism of driving factors’ effect on hydrological variables statistical characteristics. The multivariate non-stationary hydrologic analysis and its corresponding hydrologic design value calculation are carried out to investigate the flood control risk in Xiangjiang river basin, including hydraulic engineering flood control risk and flood encounters risk for important cities. This study will further improve the method system of non-stationary hydrologic analysis research field and provide scientific supports for constructing strategies and planning schemes on flood control and disaster mitigation for Xiangjiang river basin to cope with the non-stationary hydrological variables.

非一致性水文频率分析是目前变化环境下工程水文设计研究的核心科学问题。单站单变量非一致性水文频率计算成果具有显著的不确定性，多变量非一致性水文分析计算局限两变量且水文设计值计算尚未实现。本项目以湘江流域为典型研究区，研究流域水文要素变化规律和驱动机制；将单站单变量非一致性和区域地形地貌信息相结合，构建一种降低不确定性、能对无资料站设计洪水估算的区域非一致性水文频率分析模型，揭示气候下垫面驱动因子对流域水文要素及极值事件统计特征影响程度的时空分布演变规律和空间聚类机理，以及水文设计成果空间分布规律。研究多变量非一致性水文分析及相应的水文设计值问题，分析变化环境下的湘江流域干支流大型水利工程自身防洪安全风险、干支流洪水遭遇风险等对流域防洪风险。这些研究工作将完善非一致性水文分析计算研究的方法体系，为水文要素非一致性下湘江流域防洪减灾制定对策和规划管理提供科学参考。

本项目针对区域非一致性和多变量非一致性水文频率分析理论及应用展开了研究，相关成果：.与湘江流域极值洪水有显著正相关站点较多的气候驱动因子为北极涛动指数AO，基于与AO与否显著，24个水文站的极值洪水形成两个聚类；构建基于层次贝叶斯的单站和区域非一致性洪水频率计算模型，结果表明既体现区域同质特征又考虑站点差异的区域非一致性部分池化模型最优，且因聚类优化整合极值洪水信息，区域非一致性模型将极值洪水对气候因子的空间分布响应整体区域平均化，且不确定性显著降低，显著提高计算精度；区域非一致性下的重现期显著小于传统一致性，表明受气候因子的影响，极端洪水事件发生概率增大。.对湘江流域36个雨量站的极值降雨，分析极大值空间聚类机理将湘江流域极值降雨形成3个聚类，与上中下游聚类簇心站点相关性显著的气候驱动因子分别为南方涛动指数SOI、西太平洋海平面气压SLPa和厄尔尼诺指数Nino12；构建考虑气候因子影响的非一致性极值降雨频率计算模型，结果表明非一致性模型拟合最优且不确定性区间适中，在各气候驱动因子的影响下，太平洋形成更多的水汽输送，容易导致湘江流域发生强降雨。.因湘江流域极值水文序列时间趋势不显著，多变量非一致性以华北地区的龙门水库为研究对象。以入库年洪峰流量和年最大1日洪量序列峰量组合，采用Copula函数构建两变量联合分布，结果表明基于Gumbel-Hougaard Copula函数的非一致性联合分布模型最优；基于同频率假定和联合重现期计算，推导出两变量非一致性联合分布对应的设计洪水值恒大于单变量非一致性边缘分布对应的设计洪水值理论公式；非一致性条件下，当洪峰超过某一频率设计值时，同频率最大1日洪量发生的条件概率很大；经水库调洪，两变量非一致性联合分布对应的调洪成果较单变量非一致性的调洪成果大。揭示了两变量非一致性联合分析结果对水库防洪与加固更加安全。.以上研究成果完善了非一致性水文分析计算研究的方法体系，为流域和水库防洪减灾指定对策和洪水风险管理提供科学参考。