一种考虑历史极端洪水特征的多站洪水过程随机模拟方法技术

本发明专利技术涉及流域防洪减灾技术领域，具体涉及一种考虑历史极端洪水特征的多站洪水过程随机模拟方法。构建考虑高阶自互相关的多站洪水模拟模型，生成多站洪水模拟样本库；结合历史极端洪水特征，生成考虑历史极端洪水的洪水特征序列集；根据主站洪水特征序列，在所述多站洪水模拟样本库中匹配搜索，得到考虑历史洪水特征的多站模拟洪水序列。能够解决采用现有随机模拟技术在对多站点洪水模拟过程中由于模型复杂度等原因的限制，大多仅仅考虑各站点洪水过程低阶的相关特性，难以刻画流域各站点超标准洪水过程间高阶自相关、互相关性结构等问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑历史极端洪水特征的多站洪水过程随机模拟方法


[0001]本专利技术涉及流域防洪减灾
，具体涉及一种考虑历史极端洪水特征的多站洪水过程随机模拟方法。

技术介绍

[0002]在气候变化与人类活动综合影响下，全球下垫面条件与流域水文循环要素时空演变规律发生了深刻变化，流域极端气候和水文事件特性出现变异，水文节律非稳态性加剧，不确定性增强。21世纪以来，我国洪涝灾害进入了多发、群发时期，1991至2017年间我国洪水造成的直接经济损失以平均每年64％的速度增长，洪涝灾害给社会经济可持续发展带来了巨大威胁，尤其是，当遭遇类似1870年超过流域防洪体系防御标准的洪水时，会给流域带来毁灭性的影响。
[0003]现阶段，我国在流域超标准洪水应对方面关注较少，且受限于实测资料序列长度有限等因素，现有技术手段难以准确模拟极端气候条件下流域超标准洪水的水文特征，进一步加大了流域超标准洪水防御预案编制工作的难度。在现有数据资料背景下，大多采用“历史实测序列法”或者“典型年法”，选取某一个大洪水典型或者通过“同倍比”、“同频率”法放大得到设计洪水过程，以此来对极端洪水条件下水工程运用方案进行规划设计。然而，随着流域水工程防洪体系建成，各区防洪标准各异，区域整体防洪安全难以协调，采用传统某一频率或重现期洪水或典型大洪水进行防洪规划设计难以统筹考虑局部与整体、上下游、左右岸、干支流各区防洪安全。因此，随机模拟法作为一种合理有效的数据增扩的方法，被广泛用于解决洪水序列样本多样性不足的问题。该方法能根据历史实测资料的统计特性，无需处理复杂的洪水组合遭遇问题，模拟出大量可能的来水情况可以满足水库群常规运行、超保准运用等多种应用需求。
[0004]然而，现有洪水随机模拟模型受模型复杂度的限制，大多仅能保证序列低阶的统计特征，难以保证模拟的多站点水文时间序列的高阶自相关、互相关的特征。同时，流域内各区(各站点)防洪标准不一，现有多站随机模拟方法大多仅根据各站历史连续性实测洪水资料进行建模，建模过程较少考虑防洪区内各站点出现的历史超标准水文极值。因此，模拟出的极端条件下洪水序列的洪峰、洪量等模拟特征值与实际设计洪水特征值偏差较大，且模拟序列中各站点洪水特征值间的相关关系难以保持，模拟出的流域超标准洪水序列可靠性较低，这将会给超标准洪水防御方案编制工作带来数据偏差。
[0005]因此，如何利用有限的、不连续的水文数据资料，综合考虑流域多站点高阶的自互相关特性以及流域历史极端水文特征情况对现有随机模拟技术进行提档升级，进而模拟出合理可靠的极端气候情景下流域超标准洪水过程，是一项亟待解决的科学技术难题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种考虑历史极端洪水特征的多站洪水过程随机模拟方法，其能够解决采用现有随机模拟技术在对多站点洪水模拟过程中由
于模型复杂度等原因的限制，大多仅仅考虑各站点洪水过程低阶的相关特性，难以刻画流域各站点超标准洪水过程间高阶自相关、互相关性结构等问题；并解决采用现有随机模拟技术解决现有随机模拟方法难以刻画流域各站点洪水过程间高阶自相关、互相关性结构等问题，并且由于无法考虑站点历史极端洪水特征，导致模拟出的极端洪水序列可靠性较低，无法精准刻画洪水在防洪保护区内超标准的不确定性的问题。
[0007]本专利技术一种考虑历史极端洪水特征的多站洪水过程随机模拟方法，其技术方案为：
[0008]构建考虑高阶自互相关的多站洪水模拟模型，生成多站洪水模拟样本库；
[0009]结合历史极端洪水特征，生成考虑历史极端洪水的洪水特征序列集；
[0010]根据主站洪水特征序列，在所述多站洪水模拟样本库中匹配搜索，得到考虑历史洪水特征的多站模拟洪水序列。
[0011]较为优选的，所述构建考虑高阶自互相关的多站洪水模拟模型，生成多站洪水模拟样本库包括：
[0012]将多站点实测洪水序列协整成多站实测洪水序列矩阵，并分析多站实测洪水序列矩阵不同列变量的分布特征以及列变量之间的相关性；
[0013]基于多站实测洪水序列矩阵列变量间的相关性构建多变量的联合分布；
[0014]对所述联合分布进行随机采样，生成多站模拟洪水样本库。
[0015]较为优选的，结合历史极端洪水特征，生成考虑历史极端洪水的洪水特征序列集包括：
[0016]根据流域防洪特点，选取水库群防洪体系中的主要控制站点，并结合历史洪水资料完整程度，选取需要模拟的主站洪水特征；
[0017]对不连续的主站洪水特征的边缘分布以及联合分布进行拟合；
[0018]对所述主站洪水特征的联合分布进行相关性抽样，结合主站洪水特征边缘分布的反函数，模拟生成主站洪水特征序列集。
[0019]较为优选的，所述根据主站洪水特征序列，在所述多站洪水模拟样本库中匹配搜索，得到考虑历史洪水特征的多站模拟洪水序列包括：
[0020]以所述多站模拟洪水样本库为基础，计算所述多站模拟样本库中需要模拟的主站洪水特征的特征值，生成多站模拟洪水样本库的洪水特征序列；
[0021]根据模拟生成的主站洪水特征序列集，按照设定的抽样目标，在所述多站模拟洪水样本库中进行匹配搜索，得到考虑历史洪水特征的多站模拟洪水序列。
[0022]较为优选的，所述设定的抽样目标为：
[0023]洪水特征抽样误差最小、模拟洪水序列年与年之间的连续性特征与实测序列一致。
[0024]较为优选的，所述生成多站模拟洪水样本库后，还包括检验采样生成的多站模拟洪水样本库的合理性，所述检验过程包括：
[0025]根据多站模拟洪水序列计算多站模拟洪水序列矩阵的相关系数矩阵ρ
sim
；
[0026]基于ρ
sim
和实测洪水序列相关系数矩阵ρ
obs
计算矩阵误差指标Eor；
[0027]若矩阵误差指标Eor小于预设值，则采样生成的多站模拟洪水样本库合理。
[0028]较为优选的，所述根据流域防洪特点，选取水库群防洪体系中的主要控制站点，并
结合历史洪水资料完整程度，选取需要模拟的主站洪水特征包括：
[0029]根据研究区域各站点地理位置，选取各子流域下游站点作为主站，根据主站的洪水特性，选取需要模拟的主站洪水特征；
[0030]所述需要模拟的主站洪水特征包括年洪峰流量、年均流量、年最大一日洪量、年最大三日洪量、年最大七日洪量。
[0031]较为优选的，对不连续的主站洪水特征的边缘分布以及联合分布进行拟合包括：
[0032]根据选取的主站实测洪水资料，考虑主站历史大洪水的洪水特征值，对主站各洪水特征分布进行拟合；
[0033]计算不同主站洪水特征之间的相关系数，建立多个洪水特征之间的联合分布。
[0034]较为优选的，以所述多站模拟洪水样本库为基础，计算所述多站模拟样本库中需要模拟的主站洪水特征的特征值，生成多站模拟洪水样本库的洪水特征序列包括：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑历史极端洪水特征的多站洪水过程随机模拟方法，其特征在于：构建考虑高阶自互相关的多站洪水模拟模型，生成多站洪水模拟样本库；结合历史极端洪水特征，生成考虑历史极端洪水的洪水特征序列集；根据主站洪水特征序列，在所述多站洪水模拟样本库中匹配搜索，得到考虑历史洪水特征的多站模拟洪水序列。2.根据权利要求1所述的考虑历史极端洪水特征的多站洪水过程随机模拟方法，其特征在于，所述构建考虑高阶自互相关的多站洪水模拟模型，生成多站洪水模拟样本库包括：将多站点实测洪水序列协整成多站实测洪水序列矩阵，并分析多站实测洪水序列矩阵不同列变量的分布特征以及列变量之间的相关性；基于多站实测洪水序列矩阵列变量间的相关性构建多变量的联合分布；对所述联合分布进行随机采样，生成多站模拟洪水样本库。3.根据权利要求1所述的考虑历史极端洪水特征的多站洪水过程随机模拟方法，其特征在于，结合历史极端洪水特征，生成考虑历史极端洪水的洪水特征序列集包括：根据流域防洪特点，选取水库群防洪体系中的主要控制站点，并结合历史洪水资料完整程度，选取需要模拟的主站洪水特征；对不连续的主站洪水特征的边缘分布以及联合分布进行拟合；对所述主站洪水特征的联合分布进行相关性抽样，结合主站洪水特征边缘分布的反函数，模拟生成主站洪水特征序列集。4.根据权利要求3所述的考虑历史极端洪水特征的多站洪水过程随机模拟方法，其特征在于，所述根据主站洪水特征序列，在所述多站洪水模拟样本库中匹配搜索，得到考虑历史洪水特征的多站模拟洪水序列包括：以所述多站模拟洪水样本库为基础，计算所述多站模拟样本库中需要模拟的主站洪水特征的特征值，生成多站模拟洪水样本库的洪水特征序列；根据模拟生成的主站洪水特征序列集，按照设定的抽样目标，在所述多站模拟洪水样本库中进行匹配搜索，得到考虑历史洪水特征的多站模拟洪水序列。5.根据权利要求4所述的考虑历史极端洪水特征的多站洪水过程随机模拟方法，其特征在于，所述设定的抽样目标为：洪水特征抽样误差最小、模拟洪水序列年与年之间的连续性特征与实测序列一致。6.根据权利要求2所述的考虑历史极端洪水特征的多站洪水过程随机模拟方法，其特征在于，所述生成多站模拟洪水样本库后，还包括检验采样生成的多站模拟洪水样本库的合理性，所述检验过程包括：根据多站模拟洪水序列计算多站模拟洪水序列矩阵的相关系数矩阵ρ
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【专利技术属性】
技术研发人员：李安强，王权森，卢程伟，李昌文，刘佳明，
申请(专利权)人：长江勘测规划设计研究有限责任公司，
类型：发明
国别省市：