一种POT洪水自动提取方法及系统技术方案

本发明专利技术属于水利工程技术领域，公开了一种POT洪水自动提取方法及系统,利用长期观测日流量数据，根据年均超阈值洪水次数和流域汇流时间(或峰间间隔时间)的变化确定相应阈值进而提取POT洪水样本；本发明专利技术同时公开一种系统。本发明专利技术将解决独立、同分布洪水峰值客观提取，灵活根据给定年均POT洪水次数和流域汇流时间(或峰间间隔时间)确定阈值提取POT洪水样本的问题；避免对人工洪水峰值提取的依赖，提高应用POT模型计算工程设计洪水的工作效率。

An automatic flood extraction method and system for POT

The invention belongs to the field of water conservancy engineering technology, and discloses an automatic extraction method and system for POT flood. By using long-term observed daily discharge data, the corresponding threshold is determined according to the variation of the annual average over-threshold flood frequency and the river basin confluence time (or the peak interval time), and the POT flood sample is extracted. . The invention solves the problem of objectively extracting the peak value of independent and identically distributed flood, flexibly determining the threshold value of extracting the POT flood sample according to the given annual average POT flood frequency and the basin confluence time (or the interval time between peaks), avoiding the dependence on extracting the peak value of artificial flood, and improving the working efficiency of calculating engineering design flood with the POT model.

【技术实现步骤摘要】
一种POT洪水自动提取方法及系统
本专利技术属于水利工程
，尤其涉及一种POT洪水自动提取方法及系统。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：洪水频率分析是水利工程规划、设计和运行的依据。从水文意义上讲,对于某一工程,当未来任一年内实际来水量大于或等于设计来水量时,设计目标就会遭受水文意义上的破坏。我国大多数水文站点的观测资料系列比较短缺,一般仅有几十年,在百年一遇甚至千年一遇洪水的防洪设计时误差较大。因此,从有限的水文观测资料中获得尽可能多的水文信息、增加样本系列长度,是提高设计洪水计算精度的重要途径。年最大值法(Annualmaximalseries，AMS)由于概念清晰、理论成熟在国内水文统计计算中得到广泛应用，这种方法往往会忽略一年中多次出现的极大流量值，而丢弃丰水年许多有价值的洪水数据，造成水文信息的极大浪费，进而影响设计洪水精度。近些年提出超阈值洪水(PeaksOverThreshold，POT)模型扩充样本。该方法将超过某一洪水阈值的极值数据都作为有效样本加入到统计分析中。与年最大值模型相比，POT方法可最大程度地挖掘实测资料中有价值的数据，增加统计分析中的样本数量，从而提高设计洪水精度。有些国家已采用该方法计算工程设计洪水。为保证POT模型取得好的效果,样本之间须满足独立性条件，并且需要选用恰当的阈值。阈值是确定POT序列样本的重要参数，阈值过低可能无法满足独立性的要求，阈值过大，则减少了入选的洪峰次数,不利于有效地统计分析，导致百年一遇甚至千年一遇洪水的水利工程防洪设计时误差较大。目前普遍认为，阈值的选择并不唯一，应根据超阈值洪水系列发生次数分布、超阈值洪水频率分布以及独立同分布假设共同确定。常用的阈值确定方法有：(1)年均超阈值次数法，认为年平均超阈值洪水次数大于1.65时采用指数分布能够取得较好效果。国内年平均超阈值次数多控制在2～3次。(2)超阈值样本均值法，即是s的线性函数,是超阈值样本的均值。这种方法本质上是通过选择阈值而使得对POT模型参数估计最为稳定。(3)分散指数法，即检验阈值以上的样本数是否符合Poisson分布。常用的独立性判别标准有：(1)美国水资源协会(USWRC，1976)提出的θ＞5+ln(A)且Xmin＜0.75[Q1，Q2]。式中：θ为两个峰间的间隔时间(天)；A为流域面积(km2)；Qi为洪水第i日的最大日流量。若Xs1为两个峰中较大的一个,Xs2为两个峰中较小的一个,则Xmin为两个峰间的最小流量。(2)Cunnane(1979)提出的θ＞3TP或Xmin＜2/3Xs1。式中：TP为流量过程线上前5个峰间间隔时间的平均时间，单位为天。(3)王善序(1999)认为不同年份的洪水是相互独立的，要求年内前后两次洪峰时差必须大于流域汇流时间,而且两次洪水之间,前次洪水应已明显退落到其起涨流量之下,或者接近于平时的流量。流域汇流时间可用计算。式中：τ为流域汇流时间(分钟)；L为流域汇流长度(英尺)；S为流域平均坡度。目前，不同研究对POT样本是否服务指数分布有不同的认识。有的研究认为服从指数分布，有的认为服从Gamma分布，有的认为服从对数正态分布，有的认为服从Weilbull分布，有的认为广义Pareto分布。对于POT洪水次数是否服务泊松分布也有不同的意见，认为除了泊松分布，也可能服务二项分布、负二项分布。现有技术中，由于没有统一的阈值确定准则和洪水样本独立性判别标准，可通过不同方法来获得POT模型。一种较简单的POT模型方法是先从长期洪水观测资料中选取洪峰值序列，然后通过试算程序不断改变阈值,使超阈值年平均洪水发生次数满足独立、同分布条件,最终确定阈值，然后进一步基于该值筛选得到超阈值洪水序列。另一种非等步长内集－外集模型方法需要绘制超定量样本均值与阈值S的关系曲线和超定量序列发生次数的分散指数图，根据所绘制图形进行阈值试算和POT次数是否服从泊松分布的判断。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)这种从长期洪水观测资料中选取独立、同分布洪峰值序列带有主观性，且效率低。(2)这种非等步长内集－外集模型方法实施过程中需要根据绘制超定量样本均值与阈值S的关系曲线、超定量洪水次数指数分布曲线确定阈值，带有主观性。(3)这种非等步长内集－外集模型方法实施过程中对统计理论基础和计算机编程能力都具有较高要求。(4)对POT样本服从什么分布、POT次数服务什么分布问题的验证判断都要求较高的统计理论基础和计算机编程能力。解决上述技术问题的难度和意义：(1)避免上述从长期洪水观测资料中选取独立、同分布洪峰值序列的低效问题，提高效率。(2)避免上述从长期洪水观测资料中选取独立、同分布洪峰值序列方法，非等步长内集－外集模型方法实施过程主观性，保证结果的客观性。(3)避免上述技术方法对统计理论和技术要求高的问题，无需高深的统计理论和较高计算机编程能力，有助于POT模型方法的广泛应用。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种POT洪水自动提取方法及系统。本专利技术是这样实现的，一种POT洪水自动提取方法包括：逐日分析流量序列内日流量是否大于给定阈值且大于前后2天流量值，计算满足条件的流量出现次数，同时记录满足条件的流量值；对挑选出的流量值进行升值排序，按流量从大到小依次计算各流量与前面已选洪水样本的最小时间间隔；然后从这个流量开始继续分析剩余流量与前面已选洪水样本的最小间隔时间，记录所有入选的洪水样本；输出所挑选洪水样本数，最后一次所用阈值作为最终使用的阈值。使得依据该阈值筛选的洪水样本能够满足给定的年均超阈值洪水次数且相邻两次洪水间隔时间超过给定的流域汇流时间或峰间间隔时间。不同流量序列、不同POT次数对应的阈值数值相差很大。最终使用的阈值根据实际确定。进一步，所述POT洪水自动提取方法准备好日观测流量序列文件，文件内容包含年、月、日、观测流量；给定欲提取POT样本的起始年(Y_begin)、终止年(Y_end)，年均POT洪水发生次数(Y_POT)、流域汇流时间或两个洪水峰峰间隔时间(T_interval)；具体包括：1)根据给定欲提取POT样本的起始年、终止年，年均POT洪水发生次数，计算最终要得到的POT洪水次数(N_POTs)，N_POTs＝Y_POT*(Y_end-Y_begin+1)；2)计算起始年(Y_begin)、终止年(Y_end)逐日流量序列的最大值(Flow_max)；3)随机给定一个大流量值作为初始阈值Threshold0，要求该初始阈值大于流量序列中的最大值Flow_max；4)逐日判断流量序列内日流量是否大于初始阈值Threshold0且大于前后2天流量值，计算满足条件的流量出现次数N_times，同时记录满足条件的流量值；5)如果满足条件的流量出现次数N_times大于最终要得到的POT洪水次数N_POTs，则执行6)；否则，以Threshold0＝hreshold0*0.1，返回4)重新计算；6)对4)挑选出的流量值进行升值排序，最大流量值作为第1个洪水样本，洪水样本数为1；从第2大值开始，按流量从大到小依次计算各流量与已选洪水样本的最小时间间隔，所述最小时间间隔大于给定的间隔时间T_interval，则将该流量值挑本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种POT洪水自动提取方法，其特征在于，所述POT洪水自动提取方法包括：逐日分析流量序列内日流量是否大于给定阈值且大于前后2天流量值，计算满足条件的流量出现次数，同时记录满足条件的流量值；对挑选出的流量值进行升值排序，按流量从大到小依次计算各流量与前面已选洪水样本的最小时间间隔；然后从这个流量开始继续分析剩余流量与前面已选洪水样本的最小间隔时间，记录所有入选的洪水样本；输出所挑选洪水样本数，最后一次所用阈值作为最终阈值。

【技术特征摘要】
1.一种POT洪水自动提取方法，其特征在于，所述POT洪水自动提取方法包括：逐日分析流量序列内日流量是否大于给定阈值且大于前后2天流量值，计算满足条件的流量出现次数，同时记录满足条件的流量值；对挑选出的流量值进行升值排序，按流量从大到小依次计算各流量与前面已选洪水样本的最小时间间隔；然后从这个流量开始继续分析剩余流量与前面已选洪水样本的最小间隔时间，记录所有入选的洪水样本；输出所挑选洪水样本数，最后一次所用阈值作为最终阈值。2.如权利要求1所述的POT洪水自动提取方法，其特征在于，所述POT洪水自动提取方法包括：1)准备好日观测流量序列文件；2)给定欲提取POT样本的起始年(Y_begin)、终止年(Y_end)，年均POT洪水发生次数、流域汇流时间或两个洪水峰峰间隔时间(T_interval)；3)根据给定欲提取POT样本的起始年、终止年，年均POT洪水发生次数，计算最终要得到的POT洪水次数，N_POTs＝Y_POT*(Y_end-Y_begin+1)；4)计算起始年、终止年逐日流量序列的最大值；5)随机给定一个大流量值作为初始阈值Threshold0，要求该值大于流量序列中的最大值Flow-max；6)逐日判断流量序列内日流量是否大于初始阈值Threshold0且大于前后2天流量值，计算满足条件的流量出现次数N次，同时记录满足条件的流量值；7)如果满足条件的流量出现次数N次大于最终要得到的POT洪水次数，则执行8)；否则，以Threshold0＝Threshold0*0.1作为新的阈值返回6)重新计算；8)对6)挑选出的流量值进行升值排序，最大流量值作为第1个洪水样本，洪水样本数为1；从第2最大值开始，按流量从大到小依次计算各流量与已选洪水样本的最小时间间隔，所述最小时间间隔大于给定的T_interval，则将流量值作为新的洪水样本...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘绿柳，
申请(专利权)人：国家气候中心，
类型：发明
国别省市：北京,11