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【亚博网页版登录界面】山洪灾害预警指标估算研究


本文摘要:原标题:基于极端降水概率漫衍的山洪灾害预警指标估算模型研究摘要:针对山洪灾害预警指标确定方法中产汇流机制庞大, 多参数不确定性影响因素较大的问题, 依据极端降水与山洪灾害内在响应联系, 提出以GPD漫衍为基础耦合小流域内自然因素和人为因素, 构建基于极端降水概率漫衍的山洪灾害预警指标估算模型。

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原标题:基于极端降水概率漫衍的山洪灾害预警指标估算模型研究摘要:针对山洪灾害预警指标确定方法中产汇流机制庞大, 多参数不确定性影响因素较大的问题, 依据极端降水与山洪灾害内在响应联系, 提出以GPD漫衍为基础耦合小流域内自然因素和人为因素, 构建基于极端降水概率漫衍的山洪灾害预警指标估算模型。选取裴河小流域夏湾组为研究工具, 接纳时段特征雨量磨练法和水位流量反推法与模型盘算效果举行对比分析。效果讲明:该模型简化预警指标确定历程, 合理推求山洪灾害预警指标规模, 削弱多参数不确定性影响, 盘算效果宁静可靠, 适用于山洪灾害预警预报。

基于极端降水概率漫衍的山洪灾害预警指标估算模型完善预警指标盘算理论体系, 为山洪灾害预警预报提供技术支撑和履历参考。关键词:山洪灾害; 极端降水; 预警指标; GPD;作者简介:原文林 (1979—) , 男, 副教授, 博士, 研究偏向为水文水资源。E-mail:ywl2009@zzu.edu.cn;付磊 (1993—) , 男, 硕士研究生, 研究偏向为山洪灾害预警预报。

E-mail:570840473@qq.com;基金:国家自然科学基金 (51779229);引用:原文林,付磊,高倩雨 . 基于极端降水概率漫衍的山洪灾害预警指标估算模型研究[J]. 水利水电技术,2019,50(3): 17-24.YUAN Wenlin,FU Lei,GAO Qianyu. Study on extreme precipitation probability distribution-based estimation model of early warning index for mountain torrent disaster[J]. Water Resources and Hydropower Engineering,2019,50(3): 17-24.0 引 言我国山洪灾害具有多发、频发的特点, 在2011—2016年, 我国山洪灾害年均死亡人数为449人, 占洪涝灾害死亡人数的71.9%, 造成庞大的生命产业损失。因此开展山洪灾害预警预报相关方面研究, 对做好防灾减灾事情具有重要的理论研究和实际应用价值。

现在判别山洪灾害发生与否的主要依据为预警指标, 而降雨通常被认为是诱发山洪灾害的最直接外在动力因素, 因此, 海内外常接纳的预警指标为雨量预警指标即临界雨量。当研究区内预警指标确定后, 即可凭据实时降雨历程确定累积时段雨量, 若累积时段雨量靠近或大于预警指标则立刻公布预警消息, 做好防灾准备。

由于山洪灾害具有突发性, 而且其预警指标确定方法中产汇流机制庞大, 参数中单因素及多因素不确定性影响较大, 因此, 如何简化其确定历程及降低多种参数不确定性影响, 进而确定预警指标对研究山洪灾害预警预报具有重大意义。近年来, 受全球气候变化影响, 降水结构发生显著变化, 导致水汽循环发生改变, 加之山丘区庞大地形对局地降雨的影响, 致使山丘区极端降雨多发, 因此全球山洪灾害具有频繁发生和影响规模逐年增加的趋势。现在极端降水通常接纳百分位阈值法或年最大值法界说, 百分位阈值法通过界说某个百分位对应的研究序列数据作为极值来确定极端降水事件, 年最大值法通过界说某个时间段内年最大值降雨量作为极端降水事件, 而短历时暴雨由于其历时短、降雨量大通常被认为是极端降雨的一种体现形式。

原文林等对临界雨量盘算参数敏感性分析研究中发现, 最大1 h点雨量均值即短历时暴雨对山洪灾害临界雨量影响较大。朱涯等以云南省为例, 研究发现极端降水是山洪灾害的主要致灾因子, 讲明极端降水与山洪灾害联系较为精密, 因此在山洪灾害预警预报中应充实思量极端降水的影响, 增强对极端降水与山洪灾害的内在响应机制研究。现在用于研究极端气候事件的统计漫衍模型主要包罗:广义极值漫衍、广义帕雷托漫衍 (Generalized Pareto Distribution, GPD) 、Gamma漫衍、广义Logistic漫衍等。

其中GPD漫衍是一种用于形貌凌驾某特定临界值 (即阈值) 全部观察资料集的概率漫衍, 其漫衍包罗的Peaks over Threshold (POT) 模型主要将超阈值数据作为样本举行研究, 其漫衍参数中的归纳综合性使其在差别阈值下与指数漫衍、Beta漫衍具有良好的对应关系, 因此GPD漫衍获得广泛应用。如袁嘉诚等将GPD漫衍应用于太湖流域降水极值分析研究;苏布达等在长江流域降水极值研究中发现, GPD漫衍拟合POT-1降水极值效果较好。因此, 本文接纳GPD漫衍拟合极端降水并耦合研究区自然因素和人为因素状况, 构建山洪灾害预警指标估算模型。该模型充实思量极端降水对山洪灾害预警预报的影响, 将极端降水纳入山洪灾害预警预报响应机制, 增强极端降水与山洪灾害内在响应关系研究, 简化预警指标确定历程, 完善山洪灾害预警指标盘算理论体系, 可为山洪灾害预警预报提供技术支撑和履历参考。

1 基于极端降水概率漫衍的山洪灾害预警指标估算模型基于极端降水概率漫衍的山洪灾害预警指标估算模型由极端降水概率漫衍函数和防灾能力估算函数组成, 在研究区内极端降水与山洪灾害发生具有响应关系的条件下, 耦合研究区内极端降水概率和防灾工具防灾能力配合作用, 估算山洪灾害预警指标。极端降水概率漫衍是研究区内降雨量级、重现期巨细等降雨特征的重要体现形式, 该模型中接纳GPD漫衍函数对极端降水数据举行分析确定。防灾能力反映防灾工具对由降雨所引发山洪灾害的抵御能力, 而其估算效果受自然、人为等众多因素的影响, 每一种因素又有诸多差别的体现形式, 组成各因子之间错综庞大的因果关系, 即防灾能力估算是一个多指标综合确定问题, 因此耦合研究区内自然因素和人为因素的交互影响配合构建防灾能力估算函数, 进而确定防灾工具的防灾能力。由极端降水概率漫衍函数和防灾能力估算函数划分确定研究区极端降水量级、重现期巨细及其防灾能力, 团结三者配合作用, 确定研究区山洪灾害预警指标, 其预警指标估算模型如下式中, f (t) 为预警指标 (mm) ;F (G, H) 为预警指标团结函数;G (xt) 为极端降水概率漫衍函数, 其中x为极端降水量 (mm) ;t为重现期 (a) ;H (q, s) 为防灾能力估算函数, 其中q为自然因素指标, s为人为因素指标。

1.1 极端降水概率漫衍函数本文接纳GPD漫衍函数拟合极端降水, 其漫衍函数如下极值分位数解为式中, α为尺度参数;β为阈值;k为形状参数且k≠0;n为大于阈值的样本数目;N为样本长度;λ为多年交织率, 即n和N的比值;xt为给定重现期t对应的分位数。1.1.1 漫衍函数参数预计现在, 水文研究中常用的参数预计方法有极大似然预计法、矩法、概率加权法、最小二乘法、L矩法等。李占玲等认为L矩法较为简朴, 预计值较为稳健, 预计精度与极大似然预计法相当, 因此, 本文接纳L矩法举行参数预计如下式中, xi (i=1, 2, …, n) 为样本序列降序取值, 1.1.2 阈值确定阈值确定是举行GPD漫衍拟合的前提。

本文接纳百分位阈值法举行阈值确定, 即将所研究序列按升序排列, 取其中90%、95%、99%百分位对应数据作为阈值处置惩罚。如果阈值选取过高, 则会导致样本数据量过少, 难以保证极值数据切合GPD漫衍;如果阈值选取过低, 则会导致样本数据量过大, 难以体现极端降雨特征, 且阈值选取应满足当地气候特征, 因此应联合研究区实际情况合理选取阈值。

1.1.3 漫衍函数拟合度磨练凭据极值分位数公式推求一定降雨量的理论重现期与履历重现期举行拟合, 判断函数的适用性。履历重现期盘算公式如下式中, n为大于阈值的样本数目;N为样本长度;i=1, 2, …, n。同时选取Kolmogorov-Smirnov (K-S) 磨练法进一步判断理论漫衍是否与样本数据漫衍相一致, 其将理论漫衍和履历漫衍函数的最大差值作为磨练统计量Dn。

Dn值越小则说明越切合假定漫衍, 当Dn小于K-S磨练临界值Dn, a时, 则认为该漫衍曲线可以较好的形貌序列漫衍特征。1.2 防灾能力估算函数小流域山洪灾害防灾能力估算是基于我国2014年颁布的国家防洪尺度 (GB 50201—2014) , 并联合防灾工具所处区域实际情况, 对影响其防灾能力的种种因素举行综合分析。基于现在防灾工具的级别、人口、耕地面积等数据确定防灾能力初始尺度为20~30年一遇。

我国山洪灾害发生区域由于地理位置、所在河流的阻塞水平、人为干预水平的差别, 防灾能力亦出现差别状态, 部门区域防灾能力可低至3~5年一遇, 因此为保障人民生命产业宁静, 在防灾能力初始尺度规模内上, 思量差别防灾工具的气候特征、降雨信息、成灾信息、所在河流状态的危险性与宁静性确定差别的初始防灾能力Hc, 并依据该防灾工具的实际情况, 合理扩散防灾能力规模为H1~Hmax, 从而到达全面性、针对性、准确性地举行山洪灾害预警预报。基于河流过流能力和人为干预水平构建防灾能力估算函数如下函数盘算准则如下式中, qmax、qmed、qmin划分为河流过流能力的大、中、小品级;q0、qa划分为防灾工具所在河流的过流量和河流平均过流量 (m3/s) ;smax、smed、smin划分为人为干预水平的大、中、小品级;e为河流侵占度, 即人类生活设施对河流侵占水平;emax、emin划分为河流侵占度大、河流侵占度小;r为河流阻塞力, 即河流内生活废弃物对河流阻塞水平;rmax、rmin划分为河流阻塞力大、河流阻塞力小。由于河流过流能力越小、人为干预水平越上将会致使防灾工具越危险, 反之防灾工具越宁静, 因此, 在防灾能力规模H1~Hmax内, 依据防灾工具实际情况, 充实思量其危险性, 合理划分防灾工具的防灾能力, 如表1所列, 其中a、b…i (a≤b…≤i) 为防灾能力距离。

表1 防灾能力估算品级划分在研究区极端降水概率漫衍和防灾能力估算基础上, 耦合两者配合作用估算预警指标。则基于极端降水概率漫衍的山洪灾害预警指标估算模型盘算流程如图1所示。图1 基于极端降水概率漫衍的山洪灾害预警指标估算模型2 实例分析2.1 研究区概况本文以河南省信阳市新县裴河小流域为例, 其控制流域面积为177 km2, 位于新县南部, 处于多山地带, 主脉横贯工具, 坡陡谷深, 植被笼罩率较高。

流域内年降雨量充沛, 年均降雨量为1 335 mm, 但受季风影响, 时空漫衍不均, 6—9月份平均降雨量占全年均值的52.7%, 尤以短历时强降雨为主, 造成极端降水事件频繁发生, 山洪灾害肆虐严重。2016年7月, 裴河小流域发生强降雨, 小流域内夏湾组发作山洪灾害, 淹没衡宇、危及住民生命宁静, 因此本文将夏湾组作为典型防灾工具具有一定的代表性。研究区内布设有裴河水文站以及董店、泗店、余河、西畈、余畈、唐畈等雨量站。本文收集及整理了各雨量站及水文站1982—2013年降雨资料作为研究数据。

研究区位置、水文站、雨量站及水系情况如图2所示。图2 研究区位置及水系示意2.2 研究区降雨特性分析本文通过Mann-Kendall (M-K) 和滑动T磨练对降雨特性举行分析, 研究极端降水和山洪灾害内在响应关系。

依据研究区内水文站及雨量站长系列降雨资料, 选取1982—2013年场次降雨历程中差别时间尺度下 (如1 h、3 h、6 h、24 h等) 的一连最大降雨量, 接纳M-K磨练法对降雨特性举行分析, 并与滑动T磨练举行交互验证, 综合确定降雨特性情况, 磨练效果如图3所示。图3 裴河小流域各历时年最大暴雨M-K磨练由图3可知, 1 h、3 h、6 h和24 h差别时间尺度下, 各时段雨量在1982—2006年之间出现下降趋势, 其中24 h磨练效果中1983年超出95%置信区间, 讲明下降趋势显着, 其余历时各年份磨练效果均在95%置信区间内, 讲明具有下降趋势但不显着。自2006年之后, 时段雨量趋势缓慢增长, 但并未凌驾95%置信区间, 讲明具有上升趋势但不显着;在置信区间[-1.96, 1.96]内, 4个时段UF与UB曲线均有多个交点, 且交点均未凌驾置信区间, 联合趋势磨练讲明降雨序列中泛起弱上升突变, 联合滑动T磨练进一步确定突变点位置。

以年最大24 h降雨为例, 选取步长为5年举行滑动T磨练, 效果如图4所示。图4 裴河小流域年最大24 h暴雨滑动T磨练由图4可知, 在显著性水平为0.05条件下2006年、2007年磨练效果均凌驾置信区间, 联合M-K磨练分析效果, 讲明降雨序列中泛起局部弱上升突变, 综合确定降雨弱上升突变年份为2006年和2007年。通过与历史山洪灾害资料对比, 新县裴河小流域在2006年7月上旬、2007年7月10日至16日普降大到暴雨, 多个乡镇相继发作大规模山洪灾害, 造成部门人员伤亡和庞大经济损失。由此可见, 裴河小流域极端降水与山洪灾害之间存在响应联系, 切合基于极端降水概率漫衍的山洪灾害预警指标估算模型应用要求。

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2.3 模型应用2.3.1 极端降水概率漫衍经观察, 夏湾组河流中河底与河岸多由土壤、沙砾及少量石块组成, 能较好的修养水分、保持水土、抵御河水冲刷, 整体相对稳定, 即下垫面一致性较好。通过降雨特性分析可知, 降雨序列整体上升与下降趋势不显着, 局部发生降雨弱上升突变, 且弱上升突变点位置处于整体研究序列的末了, 即突变后降雨序列占总体序列比重较小, 因此不思量降雨序列非一致性特征。

由于夏湾组汇流时间为2 h, 因此统计裴河小流域1982—2013年1 h、2 h降雨量。同时凭据裴河小流域气候特征, 将95%对应的序列数据界说为阈值, 选取极端降雨并举行GPD漫衍拟合。

同时盘算并拟合其理论重现期和履历重现期, 判断GPD漫衍函数适用性。以1 h为例, 理论重现期与履历重现期拟合效果如图5所示。

图5 1 h极端降雨理论重现期和履历重现期由图5可知, GPD漫衍的理论重现期与履历重现期拟合情况良好。在此基础上, 进一步接纳K-S举行拟合度磨练, 取显著性水平α为0.05, K-S磨练临界值Dn, a为0.196, 盘算磨练统计量Dn为0.081, 即通过K-S磨练, 拟合度切合要求。讲明GDP漫衍可用来分析研究裴河小流域极端降水序列频率特征。

接纳该漫衍拟合获得预警时段内各小时极端降水概率漫衍曲线, 效果如图6所示。图6 各历时极端降水概率漫衍曲线2.3.2 防灾能力估算由于裴河小流域气候较为湿润, 降雨量较为充沛, 且发生多次较为严重的山洪灾害, 综合确定夏湾组的初始防灾能力Hc为20年一遇。

在此基础上, 为综合思量夏湾组山洪灾害的危险性及预警预报的可靠性, 凭据近年夏湾组的成灾信息、所在河流的过流能力、人为干预水平将初始防灾能力合理扩散为3~30年一遇并举行品级划分, 其中a=3、b=c=……=i=2, 效果如表2所列。表2 夏湾组防灾能力品级划分笔者所在科研团队于2016年7月中旬对夏湾组举行山洪灾害洪水观察, 合理选取夏湾组所在河流控制断面、上下游断面并丈量断面数据。依据断面数据, 接纳曼宁公式确定上下游断面及控制断面的河流平均过流量qa为77 m3/s, 控制断面河流过流量q0为85 m3/s, 其相对误差为9.4%, 依据式 (9) 判断在没有人为干预情况下河流过流能力处于中等水平qmed。

夏湾组所在河流四周有少量住民沿河而居, 但并未泛起住民生活设施及生活废弃物严重侵占与堵塞河流的现象, 讲明河流侵占度及河流阻塞力较小, 依据式 (10) 确定人为干预水平处于较低水平smin。由上述分析可得, 夏湾组所在河流过流能力处于中等水平qmed, 人为干预水平处于较低水平smin, 凭据表2估算夏湾组防灾能力为19~21年一遇。

在此基础上, 依据夏湾组极端降水概率漫衍, 确定夏湾组1 h预警指标规模为75~76.5 mm, 2 h预警指标规模为89~90 mm。3 效果与讨论在预警指标估算模型盘算效果基础上, 本文接纳时段特征雨量磨练法、水位流量反推法与模型盘算效果举行磨练对比, 从实际成灾洪水和理论分析方法两方面临效果举行验证, 分析其合理性。3.1 时段特征雨量磨练依据洪水观察资料确定夏湾组成灾流量为94 m3/s。

在此基础上, 基于研究区长系列数据, 选用2008年8月一场成灾洪水的降雨径流资料, 对其举行时段特征雨量磨练。场次成灾洪水降雨径流关系实时段特征雨量磨练效果如图7和图8所示。图7 2008年8月场次洪水降雨径流关系图8 2008年8月时段雨量磨练效果依据时段特征雨量磨练法, 由图7和图8可知, 预警时段内1 h、2 h时段特征雨量和模型盘算效果上下限均处于同一频率区间, 讲明模型盘算效果具有合理性, 满足山洪灾害预警预报要求。

3.2 水位流量反推法在水位流量反推法确定历程中, 设计暴雨和设计洪水划分接纳《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》 (1984年) 和瞬时单元线模型举行盘算, 预警指标凭据夏湾组成灾流量举行反推插值确定, 其中前期影响雨量凭据夏湾组所在水文分区及其气候特征取中等水平为0.5 WM, 盘算效果如表3所列。表3 预警指标对比效果由表3对比效果可知, 该模型推求出预警指标规模中1 h预警指标上限与下限和水位流量反推法相对误差划分为7.8%和9.6%, 2 h预警指标上限与下限和水位流量反推法相对误差划分为5.3%和6.3%, 且时段预警指标中1 h相对误差较大, 随着预警时段的增长, 相对误差逐渐减小, 切合山洪灾害预警指标合理性要求, 因此讲明预警指标估算模型具有可靠性。依据时段雨量磨练及水位流量反推法, 从实际成灾洪水与理论分析两方面, 对预警指标估算模型效果举行交互验证, 制止了单一方法验证的偶然性, 讲明预警指标估算模型盘算效果具有合理性和可靠性, 因此该模型可用于山洪灾害预警预报。4 结 论本文充实思量极端降水与山洪灾害的内在联系, 构建基于极端降水概率漫衍的山洪灾害预警指标估算模型, 将极端降水纳入山洪灾害预警预报响应机制, 简化预警指标确定历程, 完善了山洪灾害预警指标盘算理论体系, 可为山洪灾害预警预报提供技术支撑和履历参考。

以裴河小流域夏湾组为研究工具, 验证了模型的适用性及可靠性, 研究结论如下:(1) 通过降雨特性分析, 探究了极端降水和山洪灾害内在响应关系, 分析将极端降水引入山洪灾害预警预报的可行性, 并为基于极端降水概率漫衍的预警指标估算模型提供理论基础。(2) 通过实例验证讲明, 基于极端降水概率漫衍的预警指标估算模型可轻便快捷推求出预警指标规模, 盘算效果合理可靠, 可用于山洪灾害预警预报。(3) 从整体分析, 基于极端降水概率漫衍的预警指标估算模型简化了预警指标确定历程, 削弱了多种参数不确定性的影响, 提供预警指标盘算新思路, 进一步完善预警指标盘算理论体系。(4) 由于研究区的特殊性, 在研究历程中没有思量水文非一致性对模型效果的影响, 在以后研究中应将其纳入该模型思量规模之内。

水利水电技术水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊(月刊),为全国中文焦点期刊,面向海内外公然刊行。本刊以先容我国水资源的开发、使用、治理、设置、节约和掩护,以及水利水电工程的勘察、设计、施工、运行治理和科学研究等方面的技术履历为主,同时也报道外洋的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工修建、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水情况与水生态、运行治理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利计划、防汛抗旱、建设治理、新能源、都会水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。


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