基于线性矩法的空间降雨频率分析

论文摘要

频率分析方法在国内外发展了很多年,许多学者对频率分布曲线的选择,分布参数的估计,及区域的降雨频率分析方法进行了大量研究,而降雨空间频率分析也是当前水文学领域研究的热点和前沿。本文以线性矩（L-moment）方法为基础,改进和运用了插值和区域频率分析两种方法来进行降雨空间频率分析。方法一是通过单站的设计暴雨,运用考虑高程的协克里金方法对各重现期的设计暴雨进行区域插值计算。方法二是运用区域频率分析方法,具体为区域水文相似区划分、一致性检验、吻合度检验、确定区域分布函数和洪水指标法计算各重现期设计暴雨这几个步骤。将这两种方法应用于汉江流域进行降雨空间频率分析,选取汉江流域21个站点（其中三门峡站在流域外）作为基本站点,采用各站点多年年最大日降雨量做为基础数据,通过mann-kendall法对各站年最大日降雨量数据序列进行平稳性和趋势检验。运用线性矩方法,计算了皮尔逊Ⅲ型分布下各单站不同重现期的设计暴雨,以此为基础,运用克里金和考虑高程的协克里金两种插值方法进全流域插值。两者都可以得到比较好的插值结果,其中考虑高程的协克里金降雨插值方法得出的插值结果更优。区域频率分析也是基于线性矩方法,对汉江流域进行分区分析计算,结果显示汉江流域上游降雨符合LN3型分布函数,中下游降雨符合GEV分布函数,进而计算了流域各重现期的设计暴雨。最后,为验证分析上述两种降雨空间频率分析方法的有效性,在研究区汉江流域中游无资料地区选取了5个站点,分别通过协克里金插值和区域频率分析方法得到这5个站点的设计暴雨值,同时将通过《湖北省暴雨统计参数图集》得到的5个站点的设计暴雨作为参照,对两种降雨空间分析方法得到的结果进行比较分析。结果表明:两种方法都能取得不错的效果,尤其是在重现期较小的情况下,可以取得比较高精度的预测结果,两种方法各有优劣,协克里金插值结果相对比较稳定,但精度上,尤其在重现期较小的情况下没有区域分析方法得到的结果高。如果流域整体的资料进一步加强,两种方法都能取得较好的设计暴雨结果。考虑高程的协克里金插值方法和区域频率分析方法为无资料地区或者资料相对缺乏地区设计暴雨的定量预估和防洪工程规划、设计、施工等提供了参考依据,本研究对进一步的空间频率分析研究具有重要借鉴意义。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.1.1 问题研究背景
• 1.1.2 降雨的空间变异性
• 1.1.3 单站分析和区域空间分析的关系
• 1.1.4 问题的提出
• 1.2 本文课题来源与研究意义
• 1.3 本文研究的内容
• 1.4 本文研究的技术路线
• 2 空间降雨频率分析国内外研究现状和进展
• 2.1 降雨频率分析研究进展
• 2.1.1 频率分析概述
• 2.1.2 频率分布曲线线型
• 2.2 P-Ⅲ型分布参数估计方法
• 2.3 非参数方法在频率分析中的应用
• 2.4 降雨频率区域化研究
• 2.4.1 国内外区域化研究现状
• 2.4.2 降雨空间不均匀性研究进展
• 2.4.3 空间降水插值方法
• 2.5 无资料地区降雨频率分析
• 3 汉江流域概况
• 3.1 自然地理概况
• 3.2 水资源概况
• 3.2.1 水资源特点
• 3.2.2 水资源量
• 3.3 气象与水文
• 3.3.1 气压与风
• 3.3.2 降水
• 3.3.3 气温
• 3.3.4 蒸发
• 3.4 汉江流域径流特征
• 3.5 洪水
• 3.5.1 暴雨特性
• 3.5.2 洪水特性
• 4 基于地统计法的空间降雨频率分析
• 4.1 数据和方法
• 4.1.1 数据来源
• 4.1.2 数据的检验
• 4.2 线形矩方法（L-moment approach）
• 4.3 降雨频率分析
• 4.3.1 P-Ⅲ型分布函数曲线
• 4.3.2 降雨频率分析结果
• 4.4 空间插值分析
• 4.4.1 克里金（Kriging）方法
• 4.4.2 协克里金（Co-kriging）方法
• 4.5 结果与分析
• 4.5.1 克里金法和考虑高程的协克里金设计暴雨插值结果与比较
• 4.5.2 精度检验
• 4.5.3 结果分析
• 5 区域降雨频率分析
• 5.1 线性矩理论
• 5.2 基于线性矩方法的区域频率分析
• 5.2.1 一致性检验
• 5.2.2 水文相似区检验
• 5.2.3 吻合度测试
• 5.2.4 区域洪水频率分析评估
• 5.3 区域化频率预测结果精度检验
• 5.3.1 与P-Ⅲ型单站设计暴雨预测值的误差分析
• 5.3.2 相同分布函数线型情况下的误差分析
• 5.3.3 中游误差验证
• 6 无资料地区不同方法下设计暴雨分析比较
• 6.1 站点数据
• 6.1.1 站点选择
• 6.1.2 《图集》设计点雨量计算
• 6.2 基于不同方法的设计暴雨分析比较
• 6.2.1 协克里金空间插值得到的各站点设计暴雨
• 6.2.2 区域频率分析情况下各站点的设计暴雨
• 6.2.3 无资料地区两种方法下设计暴雨比较分析
• 6.3 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 论文的主要结论
• 7.2 论文主要创新点
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 作者简介