渭河流域主要河流水文干旱特性研究

摘要

本文研究了渭河流域主要河流径流序列的变化特性和丰枯变化及遭遇情况。结合国内外水文干旱要素概率分布的研究成果，利用游程理论、极值理论及随机理论，探讨了不同分布水文序列的极限水文干旱要素概率分布和特征值；并应用解析法和模拟法进行了对比分析；借助Copula函数，建立了水文干旱双变量概率模型，并用泾河和北洛河的月径流资料对其做了检验。本研究取得如下主要结论： (1)分析了渭河流域主要河流径流变化特性。渭河流域主要河流的径流长期变化趋势呈下降趋势；年径流序列有较强的自相依性和持续性；丰枯变化具有较高的同步性；径流序列年内分配不均匀，多集中在7、8月份。 (2)研究了渭河流域主要河流丰枯变化规律。渭河流域主要河流年径流序列有转枯的趋势，转枯概率大于转丰概率，对用水十分不利；连多连少概率分析表明，单独出现多水与单独出现少水相比，多水年平均为5.82次，少水年平均为5.27次，比多水年略少。但连续2年以上的少水年为5.81次，比连续2年以上的多水年4.91次高。相应游程概率连续2年多水略高于少水，分别为24％、22％，而3年连续多水概率为13％低于3年连续少水概率14％，连续4年，5年以及5年以上的概率也是少水大于多水，反映易出现少水事件；从游程平均连续年数看，多水集团游程连续年数为1.57～2.60，平均为2.16；少水集团游程连续年数为0.96～3.86，平均为2.83。游程平均强度多水集团为0.26～6.62，平均为2.40；少水集团为0.15～5.42，平均为1.88。渭河流域单独多(少)水年出现的概率比连续多(少)水年出现的概率大，单独多水年比单独少水年出现的概率高，而连续多(少)水年出现概率情况正好相反，连续多水年比连续少水年出现的概率低；表明该流域容易受到干旱的威胁，不足两年就可能有一年不利的状态出现。 (3)揭示了渭河流域主要河流丰枯遭遇规律。由丰枯遭遇分析可知，丰枯同步频率中，所研究的三种遭遇测站(林家村-千阳、黑峪口-鹦鸽、状头-张家山)较易发生同枯现象，在丰枯异步频率中，发生枯丰组合的频率较小。条件概率分析表明，枯水条件概率均大于丰水概率，即在前一个测站径流状况已知的情况下，后一测站的发生枯水的概率较大。 (4)研究了水文干旱变量概率分布特性，指出了其影响要素和随之变化规律。干旱历时和干旱烈度概率分布特性研究表明，负交互点数和长期干旱历时概率分布的计算公式具有较好的精度，只是由于资料长度的限制，在个别站出现了较大的偏差；解析法和模拟法得出的结果是一致的。干旱烈度的概率分布是径流序列均值、截取水平及偏差系数的函数；不同分布的水文序列，对数正态分布的极限干旱历时和干旱烈度的期望值均大于gamma分布和正态分布的期望值，利用这一特点可以在水文序列分布未知时，对其在一定时期内的极限干旱变量做出区间估计。一定时期内极限干旱变量期望值与序列一阶自相关系数，偏态系数(偏差系数)存在正相关系。应用于渭河流域不同时期内极限水文干旱分析表明，50年内，渭河流域出现极限干旱历时的期望值为5～9年，100年内渭河流域发生极限干旱历时期望值在6～12年之间变化。 (5)利用Copula函数建立了水文干旱双变量概率分布，并借助其尾部相关性分析，量化了风险。干旱历时与干旱烈度具有很高的相关性，两者边际分布很难全面反映真实干旱特性，而利用Copula函数建立干旱历时与干旱烈度双变量分布可以弥补边际分布这一不足，全面考虑了干旱历时与干旱烈度的相互组合及条件组合情况；通过对Copula函数的尾部相关性分析，管理者就可以根据尾部相关性，预测当干旱历时发生大幅度变化时干旱烈度发生大幅度变化的概率，这在风险管理中是很重要的。以状头站为例，当干旱历时超过q0.9时，根据它与干旱烈度的尾部相关性，可以说，干旱烈度超过q0.95的概率是34.48％。

目录

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第一章绪论

1.1研究目的和意义

1.2国内外研究进展

1.2.1干旱定义及分类研究

1.2.2干旱指标研究

1.2.3水文干旱特征研究

1.2.4存在的问题

1.3研究的内容、方法及技术路线

1.4渭河流域自然地理概况

1.4.1地形地貌

1.4.2气候与水系

1.4.3降水与蒸发

1.4.4天然径流量

1.4.5水资源量

1.4.6泥沙与洪水

1.4.7经济社会概况

1.4.8治理开发概况

1.4.9渭河流域水资源存在的主要问题

第二章径流长期持续特性分析

2.1分析方法

2.1.1Mann-kendall秩次相关检验法

2.1.2时间序列自相关系数

2.1.3时间序列的互相关系数

2.1.4轮次分析

2.1.5赫斯特系数

2.1.6集相对原理

2.1.7不均匀系数

2.1.8集中度和集中期

2.2渭河流域主要河流径流序列趋势性分析

2.2.1渭河流域主要河流年径流序列趋势性分析

2.2.2渭河流域月径流序列趋势性分析

2.3渭河流域主要河流年径流序列相依性分析

2.3.1渭河流域主要河流年径流序列自相关性分析

2.3.2渭河流域主要河流年径流序列互相关性分析

2.4渭河流域主要河流年径流序列的持续性分析

2.5渭河流域主要河流年径流序列丰枯分布特性分析

2.6渭河主要河流径流年内分配特性分析

第三章径流长期丰枯状态变化特性分析

3.1分析方法

3.1.1Markov 过程

3.1.2游程分析

3.1.3年径流丰枯状态分级标准

3.2渭河流域主要河流丰枯变化分析

3.2.1渭河流域主要河流丰枯变化趋势分析

3.2.2渭河流域主要河流丰枯变化频率分析

3.2.3渭河流域主要河流丰枯转移概率分析

3.2.4渭河流域主要河流连多连少概率分析

3.2.5渭河流域主要河流Markov平稳状态概率分析

第四章丰枯遭遇概率分析

4.1分析方法

4.1.1 Copula函数

4.1.2 Sklar定理

4.1.3 Copula函数的相关性

4.1.4单参数Achimedean Copula函数

4.1.5 Copula函数参数估计

4.1.6 Copula函数的拟合检验

4.1.7 Copula函数的拟合优度评价

4.1.8 P-Ⅲ分布

4.2渭河流域主要河流丰枯遭遇分析

4.2.1基本资料

4.2.2渭河流域主要河流丰枯遭遇分析

第五章干旱历时概率分布

5.1分析方法

5.1.1正负交互点数

5.1.2干旱历时概率分布解析法

5.1.3不同截取水平下自轮系数的数值求解

5.1.4持续干旱历时的统计参数

5.1.5非参数法干旱历时的概率分布计算

5.1.6一定时期内极限干旱历时的概率分布解析法

5.1.7一定时期内极限干旱历时的概率分布模拟法

5.2一定时期内极限干旱历时期望值的变化分析

5.2.1不同分布序列极限干旱历时期望值的变化

5.2.2截取水平对极限干旱历时期望值的变化影响

5.2.3P-Ⅲ分布水文序列极限水文干旱历时的模拟分析

5.3渭河流域主要河流干旱历时概率分布计算

5.3.1渭河流域主要河流负交互点数的模拟分析

5.3.2渭河流域主要河流长期干旱历时期望值计算

5.3.3渭河流域持续干旱历时概率分布

5.3.4渭河流域主要河流一定时期内极限干旱历时计算

第六章干旱烈度概率分布

6.1分析方法

6.1.1干旱烈度的概率分布

6.1.2参数估计

6.1.3干旱烈度重现期估计

6.1.4一定时期内极限干旱烈度的概率分布求解

6.2干旱烈度概率分布模拟检验

6.3干旱烈度重现期计算检验

6.3.1干旱烈度重现期模拟检验

6.3.2干旱烈度重现期实测检验

6.4不同分布序列在一定时期内极限干旱烈度期望值变化分析

6.4.1不同分布序列在一定时期内极限干旱烈度期望值变化分析

6.4.2截取水平对极限干旱烈度期望值的变化

6.5渭河流域主要河流一定时期内极限干旱烈度计算

第七章干旱历时和干旱烈度联合概率分布

7.1分析方法

7.1.1水文干旱变量边际分布

7.1.2水文干旱变量联合分布

7.1.3重现期计算

7.1.4尾部相关性的Copula估计

7.2渭河流域主要河流干旱变量联合分布计算

7.2.1水文干旱变量边际分布计算

7.2.2水文干旱变量联合分布计算

7.2.3水文干旱变量重现期计算

7.2.4水文干旱变量联合分布尾部相关性计算

第八章结论与展望

8.1主要结论

8.2展望

参考文献

附录

致谢

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