本發(fā)明屬于洪水頻率分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及考慮水庫(kù)調(diào)度影響的洪水頻率分析方法。

背景技術(shù)：

洪水頻率分析法可用于推求設(shè)計(jì)洪水，廣泛應(yīng)用于防洪工程實(shí)踐中。傳統(tǒng)的研究方法主要包括：美國(guó)1968年撰寫了設(shè)計(jì)洪水計(jì)算指南；愛爾蘭國(guó)立大學(xué)cunnane教授受世界氣象組織(wmo)委托，于1989年撰寫出版了《洪水頻率分析的統(tǒng)計(jì)分布》；hosking和wallis1997年提出了以線性矩為基礎(chǔ)的區(qū)域洪水頻率分析方法；中國(guó)自20世紀(jì)50年代開始開展洪水頻率分析工作，在頻率曲線線型、經(jīng)驗(yàn)頻率公式、參數(shù)估計(jì)方法、設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線放大等方面進(jìn)行了較為深入的研究。

eagleson首先提出了基于物理機(jī)制的洪水頻率曲線公式推導(dǎo)法，這一方法主要包含降水和徑流模型的設(shè)定以及徑流峰值與降雨轉(zhuǎn)換關(guān)系。sivapalan將氣候變化和土地利用等因素納入洪水頻率分析中，推導(dǎo)了考慮季節(jié)影響下的洪水頻率公式。botter假定降水服從泊松分布，通過(guò)體現(xiàn)氣候變化和土地利用影響的模型參數(shù)，推導(dǎo)了基于物理機(jī)制的洪水頻率曲線解析模型。

傳統(tǒng)的研究側(cè)重于考慮氣候變化及土地利用對(duì)洪水頻率分析的影響，卻忽視了水庫(kù)調(diào)度對(duì)自然狀態(tài)下的水資源時(shí)空特征進(jìn)行重新分配帶來(lái)的影響。少量研究表明水庫(kù)建設(shè)前后會(huì)對(duì)洪水洪峰洪量有一定程度的削減作用，但水庫(kù)對(duì)洪水頻率分析的具體影響尚未有解析公式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決上述問題而進(jìn)行的，目的在于提供一種考慮水庫(kù)調(diào)度影響的洪水頻率分析方法。本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了以下方案：

本發(fā)明提供一種考慮水庫(kù)調(diào)度影響的洪水頻率分析方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：根據(jù)水庫(kù)庫(kù)容與水庫(kù)面積、水位關(guān)系，以及出庫(kù)流量與水位關(guān)系得到水庫(kù)庫(kù)容與出庫(kù)流量的相關(guān)關(guān)系；步驟2：入庫(kù)出庫(kù)洪水過(guò)程采用簡(jiǎn)化三角形方式處理，入庫(kù)出庫(kù)三角形面積差為入庫(kù)洪水形成的水庫(kù)最大調(diào)蓄水量得到水量平衡關(guān)系式；步驟3：聯(lián)立求解步驟1和2得到的關(guān)系式，推求出庫(kù)流量與入庫(kù)流量的關(guān)系式，并將該關(guān)系式代入無(wú)水庫(kù)調(diào)度影響下的洪水頻率公式，推導(dǎo)出水庫(kù)調(diào)度影響下的洪水頻率公式。

本發(fā)明提供的考慮水庫(kù)調(diào)度影響的洪水頻率分析方法，還可以具有以下特征：在步驟1中，得到的水庫(kù)庫(kù)容與出庫(kù)流量的關(guān)系式為：式中，v為水庫(kù)最大調(diào)蓄水量，a為水庫(kù)特征參數(shù)，qout為水庫(kù)調(diào)節(jié)下的洪峰出庫(kù)流量。

本發(fā)明提供的考慮水庫(kù)調(diào)度影響的洪水頻率分析方法，還可以具有以下特征：在步驟2中，簡(jiǎn)化三角形方式為線性處理洪水過(guò)程線。

本發(fā)明提供的考慮水庫(kù)調(diào)度影響的洪水頻率分析方法，還可以具有以下特征：在步驟2中，水量平衡關(guān)系式為：式中，t為漲水退水歷時(shí)，qin為無(wú)水庫(kù)調(diào)節(jié)下的洪峰入庫(kù)流量。

本發(fā)明提供的考慮水庫(kù)調(diào)度影響的洪水頻率分析方法，還可以具有以下特征：在步驟3中，推求出的出庫(kù)流量與入庫(kù)流量的關(guān)系式為：

本發(fā)明提供的考慮水庫(kù)調(diào)度影響的洪水頻率分析方法，還可以具有以下特征：在步驟3中，推導(dǎo)出的水庫(kù)調(diào)度影響下的洪水頻率公式為：

式中，β,α,δ依次為尺度參數(shù)、形狀參數(shù)、位置參數(shù)。

發(fā)明的作用與效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明充分考慮了水庫(kù)調(diào)度影響下的洪峰流量變化，簡(jiǎn)化了水庫(kù)入庫(kù)出庫(kù)流量的計(jì)算方法，推導(dǎo)出了水庫(kù)調(diào)度影響下的洪水頻率公式。

(2)本發(fā)明能夠?qū)⑷祟惢顒?dòng)的影響(水庫(kù)建設(shè))納入洪水頻率分析考慮中，有助于了解水庫(kù)調(diào)度下水資源時(shí)空特征變化情況。

(3)本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于水庫(kù)調(diào)度影響下洪水頻率分析中，為面對(duì)人類活動(dòng)影響下的水文特征變化提供科學(xué)的技術(shù)支撐。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中所涉及的考慮水庫(kù)調(diào)度影響的洪水頻率分析方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中所涉及的簡(jiǎn)化三角形處理方法的示意圖；以及

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中所推求出的水布埡水庫(kù)的洪水頻率曲線圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明涉及的考慮水庫(kù)調(diào)度影響的洪水頻率分析方法、以及該方法應(yīng)用于非一致性條件下防洪調(diào)度方案優(yōu)化問題的具體實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明。

<實(shí)施例>

如圖1所示，本實(shí)施例所提供的考慮水庫(kù)調(diào)度影響的洪水頻率分析方法包括以下步驟：

步驟1.根據(jù)水庫(kù)庫(kù)容與水庫(kù)面積、水位關(guān)系，以及出庫(kù)流量與水位關(guān)系得到水庫(kù)庫(kù)容與出庫(kù)流量的相關(guān)關(guān)系；

由于庫(kù)容及庫(kù)水位存在三次方關(guān)系，自由溢流水庫(kù)存在出庫(kù)流量與庫(kù)水位有二次方關(guān)系，由此得出水庫(kù)庫(kù)容與出流流量的關(guān)系式：

式中，v為水庫(kù)最大調(diào)蓄水量，a為水庫(kù)特征參數(shù)，qout為水庫(kù)調(diào)節(jié)下的洪峰出庫(kù)流量；

步驟2.采用簡(jiǎn)化三角形方式處理入庫(kù)出庫(kù)洪水過(guò)程，并將水庫(kù)出流過(guò)程按照自由溢流方式處理，如圖2所示，當(dāng)水位處于起調(diào)水位時(shí)，出庫(kù)流量為0；出庫(kù)流量按照水庫(kù)庫(kù)容～出流流量關(guān)系計(jì)算，出庫(kù)流量過(guò)程與入庫(kù)過(guò)程相交于點(diǎn)c，過(guò)后出庫(kù)流量隨庫(kù)水位降低而逐步減小，因此可將出庫(kù)過(guò)程的漲水段簡(jiǎn)化為直線，圖2中三角形δdab為入庫(kù)過(guò)程，δcab為出庫(kù)過(guò)程，漲水退水歷時(shí)t的計(jì)算：已知水庫(kù)集水面積、河長(zhǎng)、坡降等參數(shù)時(shí)，采用設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法推算，由水量平衡關(guān)系式得到水庫(kù)最大調(diào)蓄水量v為入庫(kù)出庫(kù)三角形面積差：

式中，t為漲水退水歷時(shí)，qin為無(wú)水庫(kù)調(diào)節(jié)下的洪峰入庫(kù)流量；

步驟3.聯(lián)立求解上述步驟1和2得到的關(guān)系式，推求出庫(kù)流量與入庫(kù)流量的關(guān)系式：

假設(shè)無(wú)水庫(kù)調(diào)度影響下的洪峰序列服從皮爾遜ⅲ型頻率曲線公式，即：

式中，β,α,δ依次為尺度參數(shù)、形狀參數(shù)、位置參數(shù)；

求qout關(guān)于qin的偏導(dǎo)并將其代入原洪水頻率分析公式中可推導(dǎo)出水庫(kù)調(diào)度影響下的洪水頻率公式：

上述公式5便是基于水庫(kù)調(diào)度影響下的洪水頻率分析公式，由該公式可以看出，水庫(kù)調(diào)度改變了原有的洪水頻率分析公式。

另外，為了進(jìn)行誤差估計(jì)，可以在上述步驟1的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行以下步驟2’和3’：

步驟2’.入庫(kù)洪水過(guò)程采用線性處理，出庫(kù)洪水過(guò)程采用實(shí)際曲線積分計(jì)算，得到水量平衡關(guān)系式：

σdt＝δv^0.5dt+dv，(公式6)

式中，σ為入庫(kù)洪水系數(shù)，δ為出庫(kù)洪水系數(shù)；

求解微分方程可得v和t的關(guān)系式：

式中，函數(shù)p(x)為關(guān)于x的牛頓迭代解析式；

步驟3’.根據(jù)步驟2’中水庫(kù)最大調(diào)蓄水量v和漲水退水歷時(shí)t的關(guān)系式，及步驟1中水庫(kù)最大調(diào)蓄水量v和出庫(kù)流量qout的關(guān)系式，得到出庫(kù)流量qout和漲水退水歷時(shí)t的關(guān)系式，通過(guò)牛頓迭代公式可求得出庫(kù)流量qout數(shù)值解：

將公式8代入原洪水頻率分析公式4中，推導(dǎo)出水庫(kù)調(diào)度影響下的洪水頻率公式：

然后，采用牛頓迭代編程計(jì)算出庫(kù)流量qout的誤差，將其與實(shí)際流量和公式5一起比較進(jìn)行誤差估計(jì)。

下面以清江流域中的水布埡水庫(kù)為例，對(duì)本實(shí)施例所提供的洪水頻率分析方法進(jìn)行驗(yàn)證：

清江流域橫貫湖北省西南，干流全長(zhǎng)423km，總落差1430m。流域呈南北窄，東西長(zhǎng)的狹長(zhǎng)形，面積約為17000km²。水布埡水庫(kù)壩址位于清江流域中游，距恩施約117km，距漁峽口水文站17.6km，控制面積為10860km²，比漁峽口集水面積(11906km²)小8.8％。漁峽口水文站是水布埡的設(shè)計(jì)代表站。

將水布埡水庫(kù)作為實(shí)例研究，根據(jù)其62年(1951-2012)實(shí)測(cè)徑流資料，繪制如圖3所示的頻率曲線，比較原頻率曲線與推導(dǎo)得到的頻率曲線公式，可見推導(dǎo)得到的頻率曲線線型和原皮爾遜ⅲ型曲線線型不一致。由于水庫(kù)調(diào)節(jié)的消峰影響，出庫(kù)流量明顯比入庫(kù)流量小。由圖3可知，所推導(dǎo)的頻率曲線公式擬合出庫(kù)流量的效果比原皮爾遜ⅲ型曲線好。推導(dǎo)的頻率曲線公式與實(shí)際出庫(kù)流量經(jīng)驗(yàn)頻率的均方根誤差為0.09，小于原皮爾遜ⅲ型曲線的均方根誤差0.31。由此可驗(yàn)證結(jié)論：水庫(kù)調(diào)度改變了原有的洪水頻率分析公式。

以上實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案所做的舉例說(shuō)明。本發(fā)明所涉及的考慮水庫(kù)調(diào)度影響的洪水頻率分析方法并不僅僅限定于在以上實(shí)施例中所描述的內(nèi)容，而是以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。本發(fā)明所屬領(lǐng)域技術(shù)人員在該實(shí)施例的基礎(chǔ)上所做的任何修改或補(bǔ)充或等效替換，都在本發(fā)明的權(quán)利要求所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。