考虑洪水季节分散性影响的非一致性设计洪水计算方法技术

本发明专利技术属于流域设计洪水推求技术领域，特别涉及一种考虑洪水季节分散性影响的非一致性设计洪水计算方法，该方法包含构建洪水超定量系列POT；依据洪水超定量系列POT，分析洪水的年内季节性分布特征；依据洪水季节性检验结果，由洪水流量量级序列模型和洪水年内发生次数序列模型组合构建POT洪水概率分布模型；选取年人口数量K

【技术实现步骤摘要】
考虑洪水季节分散性影响的非一致性设计洪水计算方法
本专利技术属于流域设计洪水推求
，特别涉及一种考虑洪水季节分散性影响的非一致性设计洪水计算方法。
技术介绍
传统设计洪水推求技术通常依据年最大洪峰实测数据序列提取洪水样本。然而，从模拟洪水特征的角度来讲，受人类活动影响，在变化环境下年最大洪峰实测数据序列仅能描述洪水量级年际变化的非一致性，很难反映出发生洪水的年内季节变异性。由于受人类活动因素影响，洪水序列的数量级和发生频次均发生了显著的时变性，其中，洪水序列的数量级可能表现为趋势性渐变特征，洪水发生频次可能呈现年际分布过于分散。因此，在一致性假设下基于POT超定量序列推求的设计洪水成果可能偏大或偏小，有必要在推求设计洪水值时考虑洪水年发生频次的季节集聚性或过分散性。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种考虑洪水季节分散性影响的非一致性设计洪水计算方法，一定程度上克服了基于POT超定量序列设计洪水计算成果偏大或者偏小的不足，为流域洪水风险调度与管理提供支撑。为了实现上述目的，本专利技术采用以下的技术方案：本专利技术的一种考虑洪水季节分散性影响的非一致性设计洪水计算方法，包含以下步骤：步骤1，构建洪水超定量系列POT；步骤2，依据步骤1的洪水超定量系列POT，分析洪水的年内季节性分布特征；步骤3，依据步骤2的洪水季节性检验结果，由洪水流量量级序列模型和洪水年内发生次数序列模型组合构建POT洪水概率分布模型；步骤4，选取年人口数量Kt为潜在人类活动间接因子，建立Kt与洪水流量量级序列和洪水年内发生次数序列统计参数之间的数学模型；步骤5，将步骤4建立的统计参数数学模型代入步骤3中的POT洪水概率分布模型，根据防洪要求的指定重现期，计算非一致性设计洪水值。进一步地，步骤1构建洪水超定量系列POT具体如下：设定实测洪水样本发生年份的序列总长度为N，年平均发生较大洪峰值数量为n≥1，超定量洪水POT系列长度为m＝N×n，将实测洪水样本值由大到小排列，依次抽取m＝N×n个洪峰样本，且保证相邻两个洪峰值发生时间大于10天，分别统计洪水流量量级序列Qt和相应的洪水年内发生次数序列Mt，二者组成洪水超定量系列POT。进一步地，采用样本玫瑰图分析洪水的年内季节性分布特征，依据Bohning检验方法确定5％显著性水平下洪水年内分布是否呈现均匀性、集聚性或过分散性的洪水非一致性变化形式。进一步地，步骤2的定量显著性检验工具为Bohning检验方法，检验统计量B公式如下：式中，N表示已知的实测洪水样本发生年份的序列总长度，Xi表示第i年洪水样本的年发生次数取值，表示洪水次数序列的方差与均值之比；大样本情况下B趋近于正态分布，随机抽样试验开展检验统计值计算，获取B经验分布的概率p值；若概率p值大于显著性水平0.05，则说明S2近似于检验结果认为洪水样本事件呈现年内均匀性分布，否则洪水样本年内分布不满足均匀性，进一步根据的值进行判断，若检验结果认为洪水样本事件呈现季节过分散性，若检验结果认为洪水样本事件呈现季节集聚性。进一步地，采用广义帕累托分布函数作为洪水流量量级序列模型；依据步骤2的洪水季节性检验结果，若洪水样本年内分布呈现显著集聚性，则洪水年内发生次数序列模型采用二项分布函数作为理论拟合曲线，若洪水样本年内分布呈现显著过分散性，则洪水年内发生次数序列模型采用负二项分布函数作为理论拟合曲线，若洪水样本年内分布呈现均匀性，则洪水年内发生次数序列模型采用泊松分布函数作为理论拟合曲线。进一步地，所述构建POT洪水概率分布模型具体如下：对于洪水流量量级序列Qt，以广义帕累托分布函数作为拟合线型：1+ξt(Qt-μt)/σt>0,Qt-μt>0,σt>0,-∞<ξt<∞式中，F(·)表示连续型概率分布函数，包含概率分布的统计位置参数μt、尺度参数σt和形状参数ξt，下同；对于洪水年内发生次数序列Mt，当出现显著季节集聚性效应，以二项分布函数作为拟合线型：E(Mt)＝m·μt；Var(Mt)＝m·μt·(1-μt)；0<μt<1式中，m为超定量洪水POT系列长度，Pr(·)表示离散型概率分布函数，k∈[0,1,2,…,m]表示离散型变量Mt的样本取值，E(Mt)表示洪水年内发生次数序列Mt的数学期望，Var(Mt)示洪水年内发生次数序列Mt的方差，下同；对于洪水年内发生次数序列Mt，当出现显著季节过分散性效应，以负二项分布函数作为拟合线型：E(Mt)＝μt；Var(Mt)＝μt+μt2σt；μt≥0；σt≥0式中，Γ(·)表示伽马函数，以x代表实数域变量的取值，满足x>0，w表示积分变量，定义为：否则，对于洪水年内发生次数序列Mt，无明显季节分散性效应时，以泊松分布函数作为拟合线型：E(Mt)＝Var(Mt)＝μt；μt≥0进一步地，所述步骤4具体如下：以偏Mann-Kendall检验初步诊断导致洪水季节性明显分散特征的物理影响因子，偏Mann-Kendall检验统计量UPMK的公式为：式中，表示响应变量X与协变量Kt之间的线性相关系数，UMK表示标准Mann-Kendall检验统计值，UPMK概率p值大于显著性水平0.05，表明与协变量存在相关性，概率p值越接近1，相关性越强；基于广义可加模型GAMLSS，采用统计参数时变矩描述POT洪水非一致性，使用连接函数g(·)将上述概率分布的统计位置参数μt、尺度参数σt和形状参数δt表示为协变量的单调函数，选取与洪水过程相关的年人口数量Kt作为协变量。进一步地，所述步骤5具体计算如下：采用年平均期望发生次数方法，如公式(7)所示，对非一致性POT洪水序列进行频率分析，计算T年重现期对应的洪水设计值zT如下：式中，t0为本研究中实测洪水序列的终止年份，t0+1表示未来洪水重现期的起始年份；洪水流量量级序列服从同一分布F(zT|μt,σt,δt)；根据步骤2的季节性效应检验式(1)结果确定洪水年内发生次数序列模型，再由步骤3的洪水年内发生次数序列模型式(3)、式(4)或者式(5)的参数拟合结果确定E(Mt)值。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术的考虑洪水季节分散性影响的非一致性设计洪水计算方法，分析了洪水的年内季节分散性特征，采用合理的数学概率分布模型描述洪水年发生频次的季节分散性特征和洪水流量数量级的趋势性渐变形态，联合构建POT洪水概率分布模型，通过优选与流域站点超定量洪水洪峰流量系列存在相关关系的人类活动因素作为协变量，建立物理影响因子与洪水流量量级序列和洪水年内发生次数序列统计参数之间的数学模型，在POT洪水概率分布模型基础上，推求指定重现期下的洪水设计值。本专利技术可以同时解释导致洪水序列数量级和频次级均呈现时变非一致性的原因，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑洪水季节分散性影响的非一致性设计洪水计算方法，其特征在于，包含以下步骤：/n步骤1，构建洪水超定量系列POT；/n步骤2，依据步骤1的洪水超定量系列POT，分析洪水的年内季节性分布特征；/n步骤3，依据步骤2的洪水季节性检验结果，由洪水流量量级序列模型和洪水年内发生次数序列模型组合构建POT洪水概率分布模型；/n步骤4，选取年人口数量K

【技术特征摘要】
1.一种考虑洪水季节分散性影响的非一致性设计洪水计算方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1，构建洪水超定量系列POT；
步骤2，依据步骤1的洪水超定量系列POT，分析洪水的年内季节性分布特征；
步骤3，依据步骤2的洪水季节性检验结果，由洪水流量量级序列模型和洪水年内发生次数序列模型组合构建POT洪水概率分布模型；
步骤4，选取年人口数量Kt为潜在人类活动间接因子，建立Kt与洪水流量量级序列和洪水年内发生次数序列统计参数之间的数学模型；
步骤5，将步骤4建立的统计参数数学模型代入步骤3中的POT洪水概率分布模型，根据防洪要求的指定重现期，计算非一致性设计洪水值。


2.根据权利要求1所述的考虑洪水季节分散性影响的非一致性设计洪水计算方法，其特征在于，步骤1构建洪水超定量系列POT具体如下：
设定实测洪水样本发生年份的序列总长度为N，年平均发生较大洪峰值数量为n≥1，超定量洪水POT系列长度为m＝N×n，将实测洪水样本值由大到小排列，依次抽取m＝N×n个洪峰样本，且保证相邻两个洪峰值发生时间大于10天，分别统计洪水流量量级序列Qt和相应的洪水年内发生次数序列Mt，二者组成洪水超定量系列POT。


3.根据权利要求2所述的考虑洪水季节分散性影响的非一致性设计洪水计算方法，其特征在于，采用样本玫瑰图分析洪水的年内季节性分布特征，依据Bohning检验方法确定5％显著性水平下洪水年内分布是否呈现均匀性、集聚性或过分散性的洪水非一致性变化形式。


4.根据权利要求3所述的考虑洪水季节分散性影响的非一致性设计洪水计算方法，其特征在于，步骤2的定量显著性检验工具为Bohning检验方法，检验统计量B公式如下：



式中，N表示已知的实测洪水样本发生年份的序列总长度，Xi表示第i年洪水样本的年发生次数取值，表示洪水次数序列的方差与均值之比；大样本情况下B趋近于正态分布，随机抽样试验开展检验统计值计算，获取B经验分布的概率p值；若概率p值大于显著性水平0.05，则说明S2近似于检验结果认为洪水样本事件呈现年内均匀性分布，否则洪水样本年内分布不满足均匀性，进一步根据的值进行判断，若检验结果认为洪水样本事件呈现季节过分散性，若检验结果认为洪水样本事件呈现季节集聚性。


5.根据权利要求4所述的考虑洪水季节分散性影响的非一致性设计洪水计算方法，其特征在于，采用广义帕累托分布函数作为洪水流量量级序列模型；依据步骤2的洪水季节性检验结果，若洪水样本年内分布呈现显著集聚性，则洪水年内发生次数序列模型采用二项分布函数作为理论拟合曲线，若洪水样本年内分布呈现显著过分散性，则洪水年内发生次数序列模型采用负二项分布函数作为理论拟合曲线，若洪水样本年内分布呈现均匀性，则洪水年内发生次数...

【专利技术属性】
技术研发人员：李凌琪，闫磊，张楠，殷会娟，党素珍，张文鸽，
申请(专利权)人：黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河北工程大学，
类型：发明
国别省市：河南;41