水文气象促进工程水文计算核心课题研究的发展

摘要

本文探讨水文气象研究与工程水文计算核心课题的关系.工程水文计算的核心就是在防洪设计中解决频率曲线积分上下限的问题,也就是分布密度函数理论上在区间(-∞,+∞)积分为1的问题,实际上是在区间(a,b)积分为1的问题,即P(x)=∫+∞-∞f(x)dx=∫baf(x)dx=1.可是,自20世纪20年代频率分析计算引入工程水文计算以来,这个积分上下限a和b始终没有得到解决.下限a指的是常遇频率(一般指20年一遇以下洪水或降雨事件)的下限,由于以前工程上专致于稀遇频率事件,如百年、千年、万年事件,忽视了对下限a的研究.上限b指的是频率分布曲线的上端点或上界(upper limit),这个上端点近百年来始终也找不出好的方法来解决.国内外工程水文界研究领域和应用领域同行对此的解释是:反正这条曲线在频率曲线的适用范围内,例如2年至千年这一段重现期内,应用的还可以,这是无奈之辩解.就目前国内水文界普遍采用的"单站-单时段-单一曲线-基于常规矩的目估适线法"是无法解决这个核心问题.本文试图通过水文气象途径从理论上和实际应用上采用"多站-多时段-多线型比较-基于线性矩的地区分析法",来探讨上下限a和b的解决之道.本文研究表明,下限a就是1年一遇的概念,倘若采用年最大值(AMS)抽样是无法直接推求出a,必须采用年超大值(AES)直接推求或者采用AMS间接推求.积分上限b实际上就是解决频率计算有没有上限的问题,或者说是可能最大降水(PMP)与频率计算这两种估算方法的统一问题;从数学上来讲就是分析频率曲线上端收敛问题,这是工程水文计算的世纪难题.本文通过水文气象一致区的应用,即地区线性矩频率分析法及其在防洪设计标准研究中的应用,提供了解决这一难题的新线索.本文首次提出频率估计值(Quantiles)本身并不遵循目前通用的、静态的正态分布假定,而是动态的不对称分布,从常遇频率的正偏逐渐过渡到对称再逐渐过渡到稀遇频率的负偏、直至收敛于某一未知的上限.PMP被广泛应用于推求重要水坝和核电站防洪设计中,山区暴雨移置是PMP估算的重点也是难点.本文通过水文气象途径的山区暴雨分割法,简要介绍分时段地形增强因子法SDOIF在莫拉克(Morakot)暴雨移置的实例应用,提出了PMP估算的新途径.本文从理论分析、水文气象新技术的应用、实例分析,探讨了工程水文计算核心课题即频率分析和PMP研究的新方向.