[发明专利]一种考虑水库调洪演算的多变量洪水重现期计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及防洪安全技术领域，具体地说是一种考虑水库调洪演算的多变量洪水重现期计算方法。

背景技术

洪水灾害是世界上最严重的自然灾害之一，如何进行科学有效的洪水风险管理以减少损失具有重大意义。洪水重现期是指某一特定量级的洪水事件连续两次发生的平均时间间隔(以年计)，常用来衡量洪水大小和等级，是确定水利水电工程规模的主要依据(参见郭生练等，一种梯级水库下游设计洪水的推求方法，专利号ZL2013101982328)。传统的洪水重现期往往只基于某一特征变量(洪峰或者某一时段洪量)进行单变量频率计算得到。然而，洪水事件本质是一种多变量随机水文事件，需要同时考虑多个特征变量才能完整描述，导致单变量洪水重现期无法真实反映洪水事件的量级(参见张波等，推求设计洪水过程线的方法，公开号CN104182650A)。近年来，多变量洪水重现期越来越多地被国内外水文工作者应用于洪水事件的描述和建模中。

多变量洪水重现期的计算方法由于涉及到多个洪水变量的组合，因而比单变量情形更加复杂。目前使用最为广泛的多变量洪水重现期主要有“或”和“且”重现期，“或”重现期认为只要洪峰或洪量其中一个超过设定的阈值就构成危险事件，“且”重现期则需要洪峰和洪量同时都超过设定的阈值(参见黄强等，基于二次重现期的多变量洪水风险评估[J].湖泊科学,2015,27(2):352-360)。一般来说，防洪标准越高，相应的危险率就越小，指定防御标准下水工建筑物遭遇破坏的风险就越低。这两种重现期均根据联合概率等值线上的某一特定联合设计值定义危险事件，由此导致的多变量重现期与危险区域范围大小的矛盾会造成对安全事件与危险事件的错误识别，局限性较为明显(参见史黎翔等，基于Copula函数的两变量洪水重现期与设计值计算研究[J].水力发电学报,2015,34(10):27-34)。为了解决上述问题，Salvadori等根据联合概率等值线定义危险区域提出了Kendall重现期计算方法，认为只有当洪峰洪量联合概率值超过了设定的阈值时才是危险事件(参见Salvadori G,Michele C D,Durante F.On the return period and design in a multivariate framework[J].Hydrology and Earth System Sciences,2011,15(11):3293-3305)。Kendall重现期使得洪峰、洪量联合概率等值线上的任意一点都具有相同的危险区域，对安全事件与危险事件的判定更加合理。

事实上，就水库防洪安全而言，最重要的因素是坝前最高水位(参见丁晶等.水库防洪安全设计时设计洪水过程线法适用性的探讨[J].水科学进展,1992,3(1):45-52)。前面三种多变量重现期所判定的危险事件不符合实际情况，真正的危险事件应该是坝前最高水位超过某一指定高程。因此，现有的多变量重现期计算方法没有考虑水库调洪演算，无法正确表征水库大坝的水文失事机理。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种考虑水库调洪演算的多变量洪水重现期计算方法。

本发明一种考虑水库调洪演算的多变量洪水重现期计算方法，包括如下步骤：

步骤1，收集水库历年最大洪水过程资料和洪峰、洪量系列；

步骤2，将步骤1中的历年最大洪水过程输入水库按照调度规则进行调洪演算，从输出的库水位过程线统计得到年最高水位系列；

步骤3，根据步骤1中的洪峰、洪量系列和步骤2中得到的年最高水位系列，利用遗传规划进行符号回归，推求水库调洪函数的显式表达式，并确定指定年最高水位值对应的安全区域；

步骤4，根据步骤1中的洪峰、洪量系列，选取边缘概率分布函数线型，并估计边缘概率分布函数的参数；

步骤5，采用Copula函数构造洪峰、洪量的联合概率分布函数，并估计Copula函数的参数，求解联合概率密度函数；

步骤6，对步骤5得到的联合概率密度函数在步骤3中确定的安全区域内进行积分运算，获取指定年最高水位的累积概率；

步骤7，根据步骤6中得到的累积概率计算指定年最高水位的单变量重现期，作为考虑水库调洪演算的多变量洪水重现期。

所述步骤2中，水库调洪演算采用四阶龙格-库塔算法进行数值求解。

所述步骤4中，将P-III型分布作为洪峰和洪量的边缘概率分布函数线型，采用线性矩法估计边缘概率分布函数的参数。