[发明专利]基于水热耦合平衡的非一致性两变量设计洪水推求方法

权利要求书

1.基于水热耦合平衡的非一致性两变量设计洪水推求方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、基础气象水文数据采集与取样：收集流域的日降水、气温、风速、相对湿度、日照时长、实测蒸散发及控制水文站流量的多年长序列观测资料，从中统计年最大洪峰、年最大7日径流量、饱和水气压、实际水气压、地表净辐射、土壤热通量、干湿表常数；

步骤2、基础数据处理：采用Budyko公式的特征参数作为解释变量，建立流域水热耦合平衡方程，获取流域时变下垫面特征参数年均序列；包括以下子步骤：

2a：通过彭曼公式计算潜在蒸散量PET，再通过水量平衡方程获取流域实际蒸散发ET；所述彭曼公式为：

所述水量平衡方程为ET＝P-R，P为实际降水量，R为实测径流量；

式中：PET为潜在蒸散量(mm/d)；Δ代表饱和水气压曲线斜率(kPa/℃)；R_n为地表净辐射(MJ/(m·d))；G为土壤热通量(MJ/(m²·d))；γ为干湿表常数(kPa/℃)；T_mean代表日平均温度(℃)；u₂指距离地表2米高处风速(m/s)；e_s指饱和水气压(kPa)；e_a指实际水气压(kPa)；

2b：选取一定的时间窗口，通过最小二乘法，率定水热耦合平衡方程的下垫面特征参数年均值序列，记为ω；分析下垫面特征参数ω与洪水系列的相关性，用以验证ω作为洪水序列解释变量的可靠性；所述年均水热耦合平衡方程为：

步骤3、建立边缘概率分布：基于水热耦合平衡方程分别推求非一致性条件下洪峰和洪量的单变量分布函数；包括以下子步骤：

3a：基于步骤1中取样所得年最大洪峰和洪量长系列观测值，以常用于洪水频率分析的P-III型概率分布函数为洪水单变量理论分布，通过时变矩法分别建立洪峰Q、洪量W单变量边缘分布参数的时变模型；其中，洪峰Q采用年最大洪峰，洪量W采用年最大7日径流量；一致性条件下，三参数P-III型分布的概率密度函数f(x)为：

式中，α为尺度参数，β为形状参数，μ为位置参数；

对于非一致性条件下，P-III型分布参数随时间发生变化，记t时刻对应的尺度参数为α_t、形状参数为β_t、位置参数为μ_t，假设三个时变参数的时变矩可通过解释变量ω^t的单调函数g(θx)来表示，即：

式中：g(θx)表示单调连续函数，具体形式通过统计参数θ_X的定义域来确定；当θ_x≤0时，g(θ_x)＝θ_x，当θ_X＞0时,则g(θ_X)＝ln(θ_X)；ω^t表示解释变量(budyko方程中下垫面特征参数，ω在时间t状态下的值；α₁、α₂、α₃、α₁₀、α₂₀、α₃₀分别表示模型的参数，其取值根据GAMLSS模型率定；

3b：将步骤3a的率定结果代入非一致性条件下P-III型分布的概率密度函数f(x)，分别获得洪峰和洪量的理论边缘分布；所述非一致性条件下P-III型分布形式为

步骤4、建立联合概率分布：针对洪水峰量相关结构的非一致性，以水热耦合平衡方程中下垫面特征参数为解释变量，建立非一致性条件下基于G-H Copula的联合概率分布函数，求取非一致性条件下考虑洪峰-洪量相关关系的水库洪水设计值；

步骤5、输出洪水最可能联合设计值：考虑洪水峰量最可能组合模式，基于G-H copula函数，推求气候变化与人类活动影响下不同重现期的水库两变量洪水设计值。