本發(fā)明涉及一種適應(yīng)環(huán)境變化需求的工程設(shè)計洪水復(fù)核方法，尤其涉及一種基于變參數(shù)概率分布函數(shù)模型和等效風險水平概念的變化環(huán)境條件下的工程設(shè)計洪水復(fù)核方法。
背景技術(shù)：
在水利工程運行期間，根據(jù)不斷積累的實測洪水資料，對工程原有的設(shè)計洪水進行復(fù)核，是保證工程安全運行的基礎(chǔ)工作。目前的設(shè)計洪水復(fù)核方法應(yīng)用的前提條件是洪水極值樣本系列需滿足平穩(wěn)性假定。然而，由于氣候變化及人類活動的影響，洪水極值系列常發(fā)生趨勢性或跳躍性變異，而不再滿足平穩(wěn)性要求。對于不滿足平穩(wěn)性要求的非平穩(wěn)性洪水極值系列，若采用現(xiàn)行平穩(wěn)性框架下的設(shè)計洪水復(fù)核方法進行設(shè)計洪水的復(fù)核計算，其結(jié)果的可靠性必將受到質(zhì)疑，將此復(fù)核成果應(yīng)用于實際工程，無疑將增加工程的水文設(shè)計風險。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種適應(yīng)環(huán)境變化需求的工程設(shè)計洪水復(fù)核方法，克服了目前基于平穩(wěn)性假定的洪水復(fù)核方法無法應(yīng)用于變化環(huán)境下非平穩(wěn)情景的不足，解決了變化環(huán)境下已建工程的設(shè)計洪水復(fù)核問題。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
一種適應(yīng)環(huán)境變化需求的工程設(shè)計洪水復(fù)核方法，包括如下步驟：
(1)洪水極值樣本選?。焊鶕?jù)工程設(shè)計洪水時采用的洪水極值變量，從歷史觀測洪水過程中，選取符合要求的洪水極值樣本系列；
(2)洪水極值變異性檢驗：采用常用的趨勢性或跳躍性檢驗方法，對步驟(1)中的洪水極值系列的變異性進行檢驗，包括變異類型、變異是否顯著性；
(3)洪水極值的概率分布描述：根據(jù)步驟(2)的變異性檢驗結(jié)果，構(gòu)建兩個以上不同的趨勢性或跳躍性的變參數(shù)概率分布函數(shù)模型，描述變化環(huán)境下非平穩(wěn)性洪水極值變量的統(tǒng)計分布特征；
(4)最優(yōu)模型選取：基于擬合優(yōu)度評估指標，評估步驟(3)中構(gòu)建的不同變參數(shù)聯(lián)合概率分布函數(shù)模型對洪水極值系列的擬合效果，并選取擬合最優(yōu)的模型ft(x)作為最終采用的變參數(shù)分布函數(shù)模型；
(5)工程的水文設(shè)計風險水平計算：根據(jù)工程在設(shè)計階段的設(shè)計指標，包括工程的設(shè)計壽命l和工程的設(shè)計標準t，計算工程的水文設(shè)計風險水平值rl，
(6)工程的洪水設(shè)計值復(fù)核調(diào)整：假定工程在運行t0年后，系列受環(huán)境變化的影響呈減少趨勢，采用步驟(4)中最優(yōu)的變參數(shù)分布模型ft(x)對第t0+1年到第l年的極值分布進行描述(附圖1)：在第1年到第t0年這一時期，由于工程是在平穩(wěn)性境下運行，所以，每一年的洪水事件超過設(shè)計值xt,s的概率為
根據(jù)等效風險水平概念，即，經(jīng)調(diào)整水文設(shè)計值后，工程在整個設(shè)計周期內(nèi)面臨的風險水平應(yīng)與當初規(guī)劃建設(shè)時要求的風險水平一致，也即rlns＝rl，
可以求出調(diào)整后的洪水設(shè)計值xt,ns，也即，采用調(diào)整后的設(shè)計值xt,ns，可保證已建工程在其整個設(shè)計使用壽命期內(nèi)的風險水平rlns與其在設(shè)計規(guī)劃階段的風險水平rl相同；
(7)工程的設(shè)計洪水過程線調(diào)整：根據(jù)步驟(2)-(6)，對工程原有的洪峰及不同時段洪量的設(shè)計值進行調(diào)整，基于工程設(shè)計時期選取的典型洪水過程，通過同倍比或同頻率放大法進行放大，推求經(jīng)復(fù)核調(diào)整后的設(shè)計洪水過程。
為了提高復(fù)合的準確性，所述步驟(3)中，基于廣義加法模型建立概率分布函數(shù)中的參數(shù)與時間或降雨間的線性/非線性驅(qū)動關(guān)系，構(gòu)建變參數(shù)概率分布函數(shù)模型，模型中的參數(shù)采用貝葉斯方法估計。也即，步驟(3)中變參數(shù)概率分布函數(shù)模型中的參數(shù)隨著時間或降雨等協(xié)變量線性/非線性變化，不是常數(shù)。
為了提高復(fù)合的準確性，所述步驟(5)-(6)中，采用等效風險水平概念，建立平穩(wěn)性條件下和非平穩(wěn)性條件下，工程設(shè)計標準和水文設(shè)計風險水平之間的聯(lián)系。
上述步驟(1)中洪水極值變量包括洪峰、3日洪量和5日洪量等。步驟(2)中變異類型為趨勢變異和跳躍變異。步驟(4)中擬合優(yōu)度評估指標包括aic和bic等。
進一步，上述適應(yīng)環(huán)境變化需求的工程設(shè)計洪水復(fù)核方法，包括如下步驟：
(1)根據(jù)工程設(shè)計時期關(guān)注的洪水極值變量從歷史觀測期的n年實際洪水過程，按照最大值選樣原理，選取年最大洪水極值樣本系列；
上述洪水極值變量為洪峰、3日洪量、5日洪量等；
(2)采用線性相關(guān)系數(shù)法和mann–kendall對步驟(1)中的洪水極值系列進行趨勢性檢驗；
(3)采用pettitt檢驗法和滑動秩和檢驗法對步驟(1)中的洪水極值系列進行跳躍性檢驗；
(4)進一步分析步驟(2)-(3)的檢驗結(jié)果，若檢驗出系列同時發(fā)生趨勢性和跳躍性變異，則采用效率系數(shù)法，并結(jié)合流域的實際調(diào)查，確定最終的變異類型；
上述實際調(diào)查為工程建設(shè)、下墊面等要素的改變；
(5)根據(jù)步驟(4)的最終變異性診斷結(jié)果，基于廣義加法模型，建立分布函數(shù)中的參數(shù)θ與時間t或降雨p因子間的線性/非線性驅(qū)動關(guān)系，如θt＝f(t,p)，進而構(gòu)建描述極值系列變異特征的變參數(shù)概率分布函數(shù)模型，在趨勢性模型中，參數(shù)隨著協(xié)變量連續(xù)變化，在跳躍性模型中，變異點前后，采用不同的驅(qū)動關(guān)系，構(gòu)建兩個以上不同的變參數(shù)概率分布函數(shù)模型，模型中的參數(shù)采用貝葉斯理論并結(jié)合mcmc抽樣方法進行估計；
(6)采用aic、bic和worm圖擬合優(yōu)度評估指標，評估步驟(5)中構(gòu)建的不同變參數(shù)聯(lián)合概率分布函數(shù)模型對洪水極值系列的擬合效果，并選取擬合最優(yōu)的模型ft(x)作為最終采用的分布函數(shù)模型；
(7)根據(jù)工程的設(shè)計參數(shù)，包括工程的設(shè)計壽命l和工程的設(shè)計標準t，計算工程的水文設(shè)計風險水平值rl，
(8)根據(jù)步驟(6)中構(gòu)建的最優(yōu)變參數(shù)概率分布函數(shù)模型ft(x)，計算在考慮環(huán)境變化影響下，整個工程在l年設(shè)計使用年限內(nèi)的設(shè)計風險水平值rlns：
(9)根據(jù)等效風險水平概念，即經(jīng)調(diào)整水文設(shè)計值后，工程在整個設(shè)計周期內(nèi)具有的風險水平與當初規(guī)劃建設(shè)時要求的風險水平一致，可得下式等式，
(10)通過數(shù)值求解步驟(9)中的等式，計算經(jīng)復(fù)核調(diào)整后的設(shè)計值xt,ns；
(11)重復(fù)上述步驟(2)-(10)，對工程原有的洪峰及不同時段洪量的設(shè)計值進行調(diào)整，獲得經(jīng)復(fù)核調(diào)整后的洪峰及不同時段洪量的設(shè)計值；
(12)根據(jù)工程設(shè)計時期的典型洪水過程及典型洪水的放大方法，對步驟(11)中獲得的調(diào)整后的洪峰、時段洪量進行放大，獲得經(jīng)復(fù)核調(diào)整后的工程設(shè)計洪水過程。
本發(fā)明未提及的技術(shù)均參照現(xiàn)有技術(shù)。
本發(fā)明適應(yīng)環(huán)境變化需求的工程設(shè)計洪水復(fù)核方法，克服了目前基于平穩(wěn)性假定的洪水復(fù)核方法無法應(yīng)用于變化環(huán)境下非平穩(wěn)情景的不足，解決了變化環(huán)境下已建工程的設(shè)計洪水復(fù)核問題。在變化環(huán)境下的工程水文計算領(lǐng)域，具有較好地應(yīng)用前景。
附圖說明
圖1為已建工程設(shè)計洪水復(fù)核示意圖；
圖中：l是工程的設(shè)計壽命，xt,s是工程原有洪水設(shè)計值，xt,ns是經(jīng)復(fù)核調(diào)整后的洪水設(shè)計值，qi,i＝1,2,…,l是不超過設(shè)計值xt,s或xt,ns的概率值，pi,i＝1,2,…,l是超過設(shè)計值xt,s或xt,ns的概率值，t0是分割點，在t0之前時期，洪水極值系列平穩(wěn)，在t0之后時期，洪水極值系列非平穩(wěn)。
具體實施方式
為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實施例。
實施例1
一種適應(yīng)環(huán)境變化需求的工程設(shè)計洪水復(fù)核方法，包括如下步驟：
(1)根據(jù)工程設(shè)計時期關(guān)注的洪水極值變量(如洪峰、3日洪量、5日洪量等)，從歷史觀測期的n年實際洪水過程，按照最大值選樣原理，選取年最大洪水極值樣本系列(如洪峰、年最大3日洪量、年最大5日洪量等)；
(2)采用線性相關(guān)系數(shù)法和mann–kendall對步驟(1)中的洪水極值系列進行趨勢性檢驗；
(3)采用pettitt檢驗法和滑動秩和檢驗法對步驟(1)中的洪水極值系列進行跳躍性檢驗；
(4)進一步分析步驟(2)-(3)的檢驗結(jié)果，若檢驗出系列同時發(fā)生趨勢性和跳躍性變異，則采用效率系數(shù)法，并結(jié)合流域的實際調(diào)查(如工程建設(shè)、下墊面等要素的改變)，確定最終的變異類型；
(5)根據(jù)步驟(4)的最終變異性診斷結(jié)果，基于廣義加法模型，建立分布函數(shù)中的參數(shù)θ與時間t或降雨p因子間的線性/非線性驅(qū)動關(guān)系，如θt＝f(t,p)，進而構(gòu)建描述極值系列變異特征的變參數(shù)概率分布函數(shù)模型。在趨勢性模型中，參數(shù)隨著協(xié)變量連續(xù)變化，在跳躍性模型中，變異點前后，采用不同的驅(qū)動關(guān)系。構(gòu)建多個不同的變參數(shù)概率分布函數(shù)模型，模型中的參數(shù)采用貝葉斯理論并結(jié)合mcmc抽樣方法進行估計；
(6)采用aic、bic和worm圖等擬合優(yōu)度評估指標，評估步驟(5)中構(gòu)建的不同變參數(shù)聯(lián)合概率分布函數(shù)模型對洪水極值系列的擬合效果，并選取擬合最優(yōu)的模型ft(x)作為最終采用的分布函數(shù)模型；
(7)根據(jù)工程的設(shè)計參數(shù)，包括工程的設(shè)計壽命l和工程的設(shè)計標準t，計算工程的水文設(shè)計風險水平值rl，
(8)根據(jù)步驟(6)中構(gòu)建的最優(yōu)變參數(shù)概率分布函數(shù)模型ft(x)，計算在考慮環(huán)境變化影響下，整個工程在l年設(shè)計使用年限內(nèi)的設(shè)計風險水平值rlns(附圖1)：
(9)根據(jù)等效風險水平概念，即經(jīng)調(diào)整水文設(shè)計值后，工程在整個設(shè)計周期內(nèi)具有的風險水平與當初規(guī)劃建設(shè)時要求的風險水平一致，可得下式等式，
(10)通過數(shù)值求解步驟(9)中的等式，計算經(jīng)復(fù)核調(diào)整后的設(shè)計值xt,ns；
(11)重復(fù)上述步驟(2)-(10)，對工程原有的洪峰及不同時段洪量的設(shè)計值進行調(diào)整，獲得經(jīng)復(fù)核調(diào)整后的洪峰及不同時段洪量的設(shè)計值；
(12)根據(jù)工程設(shè)計時期的典型洪水過程及典型洪水的放大方法，對步驟(11)中獲得的調(diào)整后的洪峰、時段洪量進行放大，獲得經(jīng)復(fù)核調(diào)整后的工程設(shè)計洪水過程。
本發(fā)明適應(yīng)環(huán)境變化需求的工程設(shè)計洪水復(fù)核方法，克服了目前基于平穩(wěn)性假定的洪水復(fù)核方法無法應(yīng)用于變化環(huán)境下非平穩(wěn)情景的不足，解決了變化環(huán)境下已建工程的設(shè)計洪水復(fù)核問題；在變化環(huán)境下的工程水文計算領(lǐng)域，具有較好地應(yīng)用前景。
上例基于變參數(shù)概率分布函數(shù)模型和等效風險水平概念，提出了一種適應(yīng)環(huán)境變化需求的工程設(shè)計洪水復(fù)核方法，解決了變化環(huán)境下已建工程的設(shè)計洪水復(fù)核及安全性評估問題。