一种受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量计算方法技术

本发明专利技术公开了一种受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量计算方法，通过收集河道水位、河道流量及下游湖泊水位资料，确定边缘概率分布函数，利用Copula函数构建河道水位、河道流量及下游湖泊水位的联合概率分布函数，进而推求给定河道流量、下游湖泊水位时河道水位的条件概率分布函数，在此基础上推求受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量。本发明专利技术为受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量计算提供了一种客观的定量方法，统计理论基础较强，可以准确捕捉河道水位、河道流量及下游湖泊水位的内在交互关系，能减少传统经验方法的任意性，提高设计成果精度和质量。

【技术实现步骤摘要】
一种受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量计算方法
本专利技术属于水利工程防洪调度领域，特别涉及一种受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量计算方法。
技术介绍
河道安全泄量是指河道堤防在保证水位时能够安全宣泄的最大流量，是拟定防洪工程措施，进行防洪调度的重要依据。通常根据经济社会发展要求选定堤防的防洪标准，进而确定河道堤防的保证水位，再通过水位流量关系曲线推算出保证水位对应的河道安全泄量，其中水位流量关系曲线的正确拟定是其中的关键技术环节。工程实际中有许多汇入湖泊的河流，如赣江、抚河、信江、饶河、修水入鄱阳湖，湘江、资江、澧水和沅江入洞庭湖等。入湖河流尾闾地区的河道由于受到下游湖泊的顶托影响，水位流量关系散乱多变，情况非常复杂，要拟合得到其水位流量关系曲线非常困难。受下游湖泊顶托影响的水位流量关系，往往表现为同一流量对应的水位升高，或者说同一水位对应的流量下降，这一现象就造成给定相同的河道堤防的保证水位，由于下游湖泊水位边界不同，对应的河道安全泄量也不同。目前对受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量计算，工程设计中最常采用的方法是以河道水位为纵坐标，以相应的流量为横坐标，将对应的水位、流量在图上绘点，并把相应的下游湖泊水位值标注在点据旁边，然后按点群分布趋势，照顾大多数点据，绘制出以下游湖泊水位为参数的等值线，从而推求出给定保证水位对应的河道安全泄量。这种经验方法主观性强，水位流量关系定线原则方面缺乏统一的准则，不同的设计人员计算的河道安全泄量成果往往差别较大。实际上，受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量计算本质上是给定河道堤防保证水位和下游湖泊水位的条件下，推求对应的河道流量。Copula函数可以构造边缘分布为任意分布的多个随机变量的联合分布，求解条件分布的解析表达式，能较好地模拟水文变量间的非线性和异方差特征，在水文水资源领域的得到了广泛的应用。目前，没有文献将Copula函数引入受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量计算研究中。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量计算方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下的技术方案：一种受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量计算方法，包括步骤：步骤1，收集河道水位、河道流量及下游湖泊水位资料；步骤2，根据步骤1中的河道水位、河道流量及下游湖泊水位资料，选取适当的边缘概率分布函数线型，估计边缘概率分布函数的参数，确定最优边缘概率分布函数；步骤3，根据步骤1中的样本系列，采用Copula函数构造河道水位、河道流量及下游湖泊水位的联合概率分布函数，并估计Copula函数的参数；步骤4，根据步骤2优选的边缘概率分布函数和步骤3构建的联合概率分布函数推求给定河道流量、下游湖泊水位时河道水位的条件概率分布函数；步骤5，依据步骤4所得的条件概率分布函数，推求受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量。所述步骤2中，将对数正态分布、Gumbel分布、Gamma分布、GEV分布和皮尔逊III型分布作为备选边缘概率分布函数线型，并采用线性矩法估计备选边缘概率分布函数的参数。所述步骤2中，将一维理论频率与经验频率的均方根误差最小的备选边缘概率分布函数作为最优的边缘概率分布函数。所述步骤3中，采用FrankCopula函数构造河道水位、河道流量及下游湖泊水位的联合概率分布函数，分别采用Kendall秩相关性系数法和极大似然法估计二维和三维非对称FrankCopula函数的参数。本专利技术通过收集河道水位、河道流量及下游湖泊水位资料，确定边缘概率分布函数，利用Copula函数构建河道水位、河道流量及下游湖泊水位的联合概率分布函数，进而推求给定河道流量、下游湖泊水位时河道水位的条件概率分布函数，在此基础上推求受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术为受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量计算提供了一种客观的定量方法，统计理论基础较强，可以准确捕捉河道水位、河道流量及下游湖泊水位的内在交互关系，能减少传统经验方法的任意性，提高设计成果精度和质量。附图说明图1是本专利技术方法的流程图。图2是受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量计算示意图。具体实施方式下面通过实施例，并结合附图对本专利技术作进一步说明。如图1-图2所示，一种受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量计算方法，收集河道水位、河道流量及下游湖泊水位资料，确定边缘概率分布函数，利用Copula函数构建河道水位、河道流量及下游湖泊水位的联合概率分布函数，进而推求给定河道流量、下游湖泊水位时河道水位的条件概率分布函数，在此基础上推求受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量。图1是本实施例的计算流程图，按照以下步骤进行：1.收集河道水位、河道流量及下游湖泊水位资料。从水文年鉴中摘录得到河道水位和河道流量资料，以及同一时刻下游湖泊水位，三个随机变量分别用Z、Q和H表示。本具体实施中河道水位、河道流量及下游湖泊水位的时间尺度均为6h。2.确定河道水位、河道流量及下游湖泊水位的边缘概率分布函数。根据步骤1中得到的河道水位Z、河道流量Q及下游湖泊水位H样本系列，选取适当的边缘概率分布函数线型，并估计其参数，最后确定最优边缘概率分布函数，本步骤包括三个子步骤：2.1备选边缘概率分布函数线型由于河道水位Z、河道流量Q及下游湖泊水位H的总体分布频率线型是未知的，通常选用能较好拟合多数水文样本资料系列的线型。本具体实施中采用将对数正态分布、Gumbel分布、Gamma分布、GEV分布和皮尔逊III型分布作为备选边缘概率分布函数线型。2.2估计边缘分布线型的参数当频率分布线型选定后，接下来需要进行估计频率分布的参数。目前常用的方法主要有矩法、极大似然法、适线法、概率权重矩法、权函数法和线性矩法等。其中，线性矩法是目前国内外公认的高精度参数估计方法，主要特点是对序列的极大值和极小值没有常规矩那么敏感，估计的参数估计值比较可靠。本具体实施中采用L-矩法估计备选边缘概率分布函数的参数。2.3最优边缘概率分布函数确定采用均方根误差(RootMeanSquareError，RMSE)准则评价边缘分布的一维理论频率与经验频率拟合情况，RMSE值越小，说明拟合效果越好。式中：F(xi)为观测值xi的理论频率；m(i)为实测系列中满足x≤xi的观测值个数，n为样本长度。本具体实施中，采用RMSE值最小的备选边缘概率分布函数作为最优的边缘概率分布函数。3.构造河道水位、河道流量及下游湖泊水位的联合概率分布函数。根据步骤1中得到的河道水位Z、河道流量Q及下游湖泊水位H样本系列以及步骤2中优选的边缘概率分布函数，选取适当的Copula函数作为连接函数构造Z、Q和H的联合概率分布函数，并估计其参数，本步骤包括两个子步骤：3.1选择Copula函数令Z、Q和H的边缘分布函数分别为u1＝FZ(z)、u2＝FQ(q)和u3＝FH(h)，相应的概率密度函数分别为fZ(z)、fQ(q)和fH(h)。由Copula函数多元联合概率分布构建理论可知，Q和H的联合概率分布函数可以用一个二维Copula函数C表示：F(q,h)＝C(FQ(q),FH(h))＝C(u2,u3)(2)本具体实施中，采用FrankCopula函数构造Z和H的联合概率分布函数，表达式如下：其中，θ为二维Copu本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量计算方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，收集河道水位、河道流量及下游湖泊水位资料；步骤2，根据步骤1中的河道水位、河道流量及下游湖泊水位资料，选取适当的边缘概率分布函数线型，估计边缘概率分布函数的参数，确定最优边缘概率分布函数；步骤3，根据步骤1中的样本系列，采用Copula函数构造河道水位、河道流量及下游湖泊水位的联合概率分布函数，并估计Copula函数的参数；步骤4，根据步骤2优选的边缘概率分布函数和步骤3构建的联合概率分布函数推求给定河道流量、下游湖泊水位时河道水位的条件概率分布函数；步骤5，依据步骤4所得的条件概率分布函数，推求受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量。

【技术特征摘要】
1.一种受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量计算方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，收集河道水位、河道流量及下游湖泊水位资料；步骤2，根据步骤1中的河道水位、河道流量及下游湖泊水位资料，选取适当的边缘概率分布函数线型，估计边缘概率分布函数的参数，确定最优边缘概率分布函数；步骤3，根据步骤1中的样本系列，采用Copula函数构造河道水位、河道流量及下游湖泊水位的联合概率分布函数，并估计Copula函数的参数；步骤4，根据步骤2优选的边缘概率分布函数和步骤3构建的联合概率分布函数推求给定河道流量、下游湖泊水位时河道水位的条件概率分布函数；步骤5，依据步骤4所得的条件概率分布函数，推求受下游湖泊顶托影响的河道安全泄量。2.如权利要求1所述的一种受下游湖泊顶托影响的河...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘章君，许新发，胡建民，成静清，温天福，王志超，许世超，
申请(专利权)人：江西省水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：江西,36