CN108009565B - 一种变异环境下河网区设计洪水位计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水文水利工程领域，更具体地，涉及一种变异环境下河网区设计洪水位计算方法。包括以下步骤：S1.采集并提取网河区不同位置站点的年最大洪潮水位数据；S2.根据网河区各站洪潮水位序列统计特征进行分区；S3.基于S2步骤的分区结果进行站点特征分布识别；S4.基于主要环境影响要素进行特定分区站点的设计洪水位计算分析。本发明提供的一种变异环境下河网区设计洪水位计算方法，充分考虑了网河区复杂的河道影响及环境变化作用，可提高设计洪水位计算精度，可广泛应用于水文统计计算中。

Description

一种变异环境下河网区设计洪水位计算方法

技术领域

本发明涉及水文水利工程领域，更具体地，涉及一种变异环境下河网区设计洪水位计算方法。

背景技术

河网区设计洪水位计算是对位于河网区站点在一定重现期内对应最高设计水位进行计算，得到站点对应设计洪水水位，正确的设计计算结果对河口区防洪工程建设标准的设立及防洪政策的制定具有重要的理论指导作用。目前对于河网区设计洪水位的主要方法有3种方法：一、基于单站实测序列及单个特征分布进行水文频率统计计算分析；二、基于上下游相关要素实测序列及Copula分布进行水文频率统计计算分析；三、基于水动力数值模型及上下游边界实测序列，对设计洪潮水位进行模拟计算。总的来说，目前的河网区设计洪水位计算方法没有充分考虑到网河区内不同位置的区划差异，以及因环境变化影响造成的序列前后特征值变化，导致计算所得设计值与实际情况存在偏差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种变异环境下河网区设计洪水位计算方法，可有效提高设计洪水位计算精度。

为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：一种变异环境下河网区设计洪水位计算方法，其中，包括以下步骤：

S1.采集并提取网河区不同位置站点的年最大洪潮水位数据；

S2.根据网河区各站洪潮水位序列统计特征进行分区；

S3.基于S2步骤的分区结果进行站点特征分布识别；

S4.基于主要环境影响要素进行特定分区站点的设计洪水位计算分析。

进一步地，所述的S2步骤包括：

S21.提取各站序列特征值进行水文分区聚类识别；

S22.对水文初步分区识别结果进行数据不和谐性检验；

S23.对水文初步分区识别结果进行均匀性检验。

进一步地，所述的S21步骤包括：

S211.提取站点洪潮水位系列线性矩中的L-变差系数t₂、L-偏态系数t₃和L-峰度系数t₄作为站点分组聚类的影响因子；

S212.定义任意两个对象之间的差异程度d(x_i,x_j)，具体计算公式如下：

S213.根据差异程度计算对象i对于类别j的隶属度u：

其中，θ_j为每一类的类代表值，用属同一类的所有对象的均值来表示；n为对象个数，C表示类别，m为设定聚类的类别个数。

进一步地，所述的S22步骤为判断分区站点距离集合中心的距离值D_i是否超出允许的范围值，若超出则为不和谐点，D_i的计算公式为：

其中，u_i为第i个站点的三维属性向量。

进一步地，所述的S23步骤包括：

S231.计算各站变差系数的加权标准差V，计算方式如下：

其中，N为水文站点个数；n_i为第i个站点的样本序列长度；

为站点序列的变差系数、偏态系数与峰态系数；

为水文分区的变差系数、偏态系数与峰态系数；

S232.判断水文分区均匀性，分区均匀性的测度为H，当H<1时，该水文分区均匀；当1≤H<2时，该水文分区可能为不均匀的水文分区；当H>2时，水文分区不均匀，H的定义与计算方式如下：

进一步地，所述的S3步骤包括：

S31.计算站点系列适线的AIC值，计算方式如下：

式中：

是数据组D(x_i,i＝1,n)的最大似然值；

为模型参数的最大似然估计值；w为模型参数的个数；

S32.选取AIC最小值对应的分布作为站点的最适特征分布。

进一步地，所述的S4步骤包括：

S41.在假定水位序列满足一致性假设的前提下，在GAMLSS模型框架的基础上选择多种常用于水位模拟的分布对其进行模拟，然后根据AIC准则选择最适分布；

S42.根据已有研究或者成因分析选择与水位具有相关关系的指标因子作为最适分布的协变量；

S43.根据最适分布的参数特征，利用协变量构建分布参数的具体表达式，以此得到不同的非一致性模型；

S44.将所构建的基于GAMLSS框架的非一致性模型用于水位序列的模拟，并根据AIC准则选择最佳非一致性模型；

S45.利用最佳非一致性模型即计算指定设计频率下的设计洪水位。

在本发明中，所用到的GAMLSS模型，可定义如下：

假设因变量y_i(i＝1,2,…,n)相互独立，n为观测值的个数，且服从概率密度函数f(y_i|θⁱ)，其中θⁱ＝(θ_i1,θ_i2,…,θ_ip)，是p个分布参数组成的向量，对于一般的分布，前两个参数一般代表位置和尺度，用μ、σ表示时则分别对应解释变量的均值、均方差，后面的为形状参数，大多数函数只有两个形状参数，可用υ、τ表示。令y^T＝(y₁,y₂,…,y_n)，是因变量观测值组成的向量，记g_k(·)(k＝1,2,…,p)为已知的单调连接函数，用于连接分布参数与解释变量，则分布参数与解释变量之间的回归关系式如下：

上式中，θ_k、η_k都是n维向量，X_k是已知的n×J'_k设计矩阵，

为长度为J'_k的参数向量；Z_jk是固定且已知的n×q_kj设计矩阵，γ_jk是一个q_jk维正态分布的随机向量。Z_jkγ_jk称为随机效应项，下标j表示第j项随机项应，q_jk表示第j项随机效应中的随机影响因子维数。则上式构建模型称为GAMLSS模型。

当g_k(θ_k)＝常数时，GAMLSS模型则变为一致性模型。

当k＝1，2,…，n；J_k＝0，则GAMLSS模型可变为：

g_k(θ_k)＝X_kβ_k

此式称为全参数GAMLSS模型，可方便地研究解释变量与响应变量之间的关系。

所述的利用协变量构建分布参数的具体表达式，根据不同分布的参数特征，利用协变量构建分布参数的表达式可有多种形式。主要分为两大类，第一类是部分参数与协变量建立函数关系，另一类则是全部参数均与协变量建立函数关系。

与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种变异环境下河网区设计洪水位计算方法，充分考虑了网河区复杂的河道影响及环境变化作用，可提高设计洪水位计算精度，可广泛应用于水文统计计算中。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，一种变异环境下河网区设计洪水位计算方法，其中，包括以下步骤：

S1.采集并提取网河区不同位置站点的年最大洪潮水位数据；

S2.根据网河区各站洪潮水位序列统计特征进行分区；

S3.基于S2步骤的分区结果进行站点特征分布识别；

S4.基于主要环境影响要素进行特定分区站点的设计洪水位计算分析。

具体地，S2步骤包括：

S21.提取各站序列特征值进行水文分区聚类识别；

S22.对水文初步分区识别结果进行数据不和谐性检验；

S23.对水文初步分区识别结果进行均匀性检验。

其中，所述的S21步骤包括：

S211.提取站点洪潮水位系列线性矩中的L-变差系数t₂、L-偏态系数t₃和L-峰度系数t₄作为站点分组聚类的影响因子；

S212.定义任意两个对象之间的差异程度d(x_i,x_j)，具体计算公式如下：

S213.根据差异程度计算对象i对于类别j的隶属度u：

式中，θ_j为每一类的类代表值，用属同一类的所有对象的均值来表示；n为对象个数，C表示类别，m为设定聚类的类别个数。

另外，S22步骤为判断分区站点距离集合中心的距离值D_i是否超出允许的范围值，若超出则为不和谐点，D_i的计算公式为：

式中，u_i为第i个站点的三维属性向量。

其中，S23步骤包括：

S231.计算各站变差系数的加权标准差V，计算方式如下：

式中，N为水文站点个数；n_i为第i个站点的样本序列长度；

为站点序列的变差系数、偏态系数与峰态系数；

为水文分区的变差系数、偏态系数与峰态系数；

S232.判断水文分区均匀性，分区均匀性的测度为H，当H<1时，该水文分区均匀；当1≤H<2时，该水文分区可能为不均匀的水文分区；当H>2时，水文分区不均匀，H的定义与计算方式如下：

另外，S3步骤包括：

S31.计算站点系列适线的AIC值，计算方式如下：

式中：

是数据组D(x_i,i＝1,n)的最大似然值；

为模型参数的最大似然估计值；w为模型参数的个数；

S32.选取AIC最小值对应的分布作为站点的最适特征分布。

其中，S4步骤包括：

S41.在假定水位序列满足一致性假设的前提下，在GAMLSS模型框架的基础上选择多种常用于水位模拟的分布对其进行模拟，然后根据AIC准则选择最适分布；

S42.根据已有研究或者成因分析选择与水位具有相关关系的指标因子作为最适分布的协变量；

S43.根据最适分布的参数特征，利用协变量构建分布参数的具体表达式，以此得到不同的非一致性模型；

S44.将所构建的基于GAMLSS框架的非一致性模型用于水位序列的模拟，并根据AIC准则选择最佳非一致性模型；

S45.利用最佳非一致性模型即计算指定设计频率下的设计洪水位。

在本发明中，所述的GAMLSS模型，可定义如下：

假设因变量y_i(i＝1,2,…,n)相互独立，n为观测值的个数，且服从概率密度函数f(y_i|θⁱ)，其中θⁱ＝(θ_i1,θ_i2,…,θ_ip)，是p个分布参数组成的向量，对于一般的分布，前两个参数一般代表位置和尺度，用μ、σ表示时则分别对应解释变量的均值、均方差，后面的为形状参数，大多数函数只有两个形状参数，可用υ、τ表示。令y^T＝(y₁,y₂,…,y_n)，是因变量观测值组成的向量，记g_k(·)(k＝1,2,…,p)为已知的单调连接函数，用于连接分布参数与解释变量，则分布参数与解释变量之间的回归关系式如下：

上式中，θ_k、η_k都是n维向量，X_k是已知的n×J'_k设计矩阵，

为长度为J'_k的参数向量；Z_jk是固定且已知的n×q_kj设计矩阵，γ_jk是一个q_jk维正态分布的随机向量。Z_jkγ_jk称为随机效应项，下标j表示第j项随机项应，q_jk表示第j项随机效应中的随机影响因子维数。则上式构建模型称为GAMLSS模型。

当g_k(θ_k)＝常数时，GAMLSS模型则变为一致性模型。

当k＝1，2,…，n；J_k＝0，则GAMLSS模型可变为：

g_k(θ_k)＝X_kβ_k

此式称为全参数GAMLSS模型，可方便地研究解释变量与响应变量之间的关系。

所述的利用协变量构建分布参数的具体表达式，根据不同分布的参数特征，利用协变量构建分布参数的表达式可有多种形式。主要分为两大类，第一类是部分参数与协变量建立函数关系，另一类则是全部参数均与协变量建立函数关系。

实施例

以西北江三角洲南华站点为例，采用本发明的计算方法，计算其对应百年重现期的洪水位设计值。

步骤1.采集并提取网河区不同位置站点的年最大洪潮水位数据

本例采用珠江三角洲15个站点的1959-2011年的洪潮水位序列。

步骤2.根据网河区各站洪潮水位序列统计特征进行分区

本例选取站点洪潮水位极值序列的变差系数t₂、偏态系数t₃和峰度系数t₄作为站点分区的基本特征。所有站点被分为三组，分组结果如表1所示。其中，三水、马口、南华、天河和三多站属于第一分区，容奇、江门和竹银站属于第二分区，剩余的三沙口、南沙、万顷沙西、横门、灯笼山、黄金与西炮台站属于第三分区。

表1不和谐测度D与均匀性检验H计算值

步骤3.基于分区结果进行站点特征分布识别

实例选取五种常见分布分别为Pearson-Ⅲ型(P3)、广义逻辑分布(GLO)、广义极值分布(GEV)、极值分布类Ⅰ型(GMB)、对数正态两参数分布(LN2)，从中选取第一分区(南华所在区)各站点的最适分布。结果如表2所示，GEV为南华站的最适分布。

表2各站最适分布结果表

步骤4.基于主要环境影响要素进行特定分区站点的设计洪水位计算分析

实施例基于南华站最适分布及其洪潮水位主要影响要素，即上游来水与下游口门潮位，构建考虑要素变化影响的统计计算模型，对当站设计洪水位进行计算，结果如表3所示。

表3设计值计算结果与传统单站单分布设计结果对比

注：相对差值Δ％的分母均为各重现期对应此例设计值。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种变异环境下河网区设计洪水位计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，采集并提取网河区不同位置站点的年最大洪潮水位数据；

S2，根据网河区各站洪潮水位序列统计特征进行分区；所述的S2步骤包括：

S21，提取各站序列特征值进行水文分区聚类识别；

所述的S21步骤包括：

S211，提取站点洪潮水位系列线性矩中的L-变差系数t₂、L-偏态系数t₃和L-峰度系数t₄作为站点分组聚类的影响因子；

S212，定义任意两个对象之间的差异程度d(x_i，x_j)，具体计算公式如下：

S213，根据差异程度计算对象i对于类别j的隶属度u：

其中，θ_j为每一类的类代表值，用属同一类的所有对象的均值来表示；n为对象个数，C表示类别，m为设定聚类的类别个数；

S22，对水文初步分区识别结果进行数据不和谐性检验；

S23，对水文初步分区识别结果进行均匀性检验；

S3，基于S2步骤的分区结果进行站点特征分布识别；所述的S3步骤包括：S31计算站点系列适线的AIC值，计算方式如下：

式中：

是数据组D(x_i,i＝1,n)的最大似然值；

为模型参数的最大似然估计值；w为模型参数的个数；

S32，选取AIC最小值对应的分布作为站点的最适特征分布；

S4，基于主要环境影响要素进行特定分区站点的设计洪水位计算分析；所述的S4步骤包括：

S41，在假定水位序列满足一致性假设的前提下，在GAMLSS模型框架的基础上选择多种常用于水位模拟的分布对其进行模拟，然后根据AIC准则选择最适分布；

S42，根据成因分析选择与水位具有相关关系的指标因子作为最适分布的协变量；

S43，根据最适分布的参数特征，利用协变量构建分布参数的具体表达式，以此得到不同的非一致性模型；

S44，将所构建的基于GAMLSS框架的非一致性模型用于水位序列的模拟，并根据AIC准则选择最佳非一致性模型；

S45，利用最佳非一致性模型即计算指定设计频率下的设计洪水位。

2.根据权利要求1所述的一种变异环境下河网区设计洪水位计算方法，其特征在于，所述的S22步骤为判断分区站点距离集合中心的距离值D_i，是否超出允许的范围值，若超出则为不和谐点，D_i的计算公式为：

其中，u_i为第i个站点的三维属性向量。

3.根据权利要求2所述的一种变异环境下河网区设计洪水位计算方法，其特征在于，所述的S23步骤包括：

S231，计算各站变差系数的加权标准差V，计算方式如下：

其中，N为水文站点个数：n_i为第i个站点的样本序列长度；

为站点序列的变差系数、偏态系数与峰态系数；

为水文分区的变差系数、偏态系数与峰态系数；

S232，判断水文分区均匀性，分区均匀性的测度为H，当H＜1时，该水文分区均匀：当1≤H＜2时，该水文分区可能为不均匀的水文分区；当H＞2时，水文分区不均匀，H的定义与计算方式如下：

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