分期设计洪水频率与防洪标准关系研究

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1、第19卷第1期水科学进展Vol119,No112008年1月ADVANCESINWATERSCIENCEJan.,2008分期设计洪水频率与防洪标准关系研究1,21111肖义,郭生练,刘攀,熊立华,方彬(11武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072;21湖南省水利厅,湖南长沙410007)摘要:现行分期设计洪水模式估算的分期设计洪水值均小于或等于年最大设计值,达不到规定的防洪标准。采用Gumbel2HougaardCopula函数描述两个分期的分期最大洪水之间的相关性结构,并构造边缘分布为P2Ⅲ

2、分布的分期最大洪水联合分布,建立分期最大洪水与年最大洪水的关系式,讨论分期设计洪水频率与防洪标准应满足的关系,探讨能够满足防洪标准的新的分期设计洪水模式。应用示例表明,新模式主汛期设计值相对年最大设计值小幅度增加,而非主汛期设计值则小于年最大设计值,既满足不降低防洪标准的要求又能够起到优化设计洪水的作用,为分期设计洪水研究提供了一条新的思路。关键词:分期设计洪水;防洪标准;联合分布;Copula函数中图分类号:TV122文献标识码:A文章编号:100126791(2008)0120054207分期设计洪水是确定分期汛限

3、水位的重要依据,利用分期汛限水位调控洪水资源已成为洪水资源化利用的[1]重要技术手段。现行的分期设计洪水模式是在分析流域洪水季节性规律的基础上,按照设计和管理要求,把整个年内划分为若干个分期,然后在分期的时段内进行分期最大值选样,对分期最大洪水采用单变量的P2Ⅲ型分布进行描述,通过频率计算求得各设计频率的分期设计洪水,其中,分期设计洪水的频率通常假定为设计[2,3]标准对应的重现期的倒数。[4]国家防洪标准规定的水库防洪标准以年为重现期单位,反映的是年最大设计值被超过的概率。现行的分期设计洪水模式假定分期设计洪水频率均

4、等于防洪标准的倒数,其分期设计洪水值均小于等于年最大设计洪水值,不能保证分期设计洪水能够真正达到规定的防洪标准。分期设计洪水都较年最大值设计洪水小,会导致包括主汛期在内的各分期的分期汛限水位较原设计汛限水位抬高,必定降低水库的防洪标准。为避免这种现象的[2,3]发生,很多规范与设计手册中都将主汛期设计洪水值强制等于年最大设计洪水值,但这种处理方法只能确[5]保主分期设计洪水达到指定的防洪标准。叶秉如指出:现行分期洪水的处理方法,带有一定的经验性,因为在洪水分期出现时,总的防洪破坏概率究竟为多少,是否恰好满足所需求的防洪

5、设计标准,此法并未明确答[6]复。丁晶等指出:现行分期设计洪水方法采用分期最大洪水选样,根据这种洪水系列计算出的洪水频率本质上不同于全年最大洪水系列推求出的洪水频率,前者是指洪水事件在某一分期发生的可能性,后者是指洪水事[7]件在一年内(包括所有分期)发生的可能性,两者从水库防洪安全来看存在本质区别。王善序针对现行分期设计洪水方法,讨论了分期最大洪水频率与重现期关系。经论证分析和实际计算后得出:①采用分期洪水频率等于防洪标准T的倒数的假定是错误的,由此计算得出的T年一遇分期设计洪水一般系统偏小,实际是T/(K+1)年一

6、遇的(K为非负整数随机变量);②真正的T年一遇分期设计洪水与T年一遇全年最大洪水是相等的。他指出:现时的分期设计洪水计算技术仍存在严重错误,通过它来提高水库兴利效益,是在冒降低水库防洪标准的风险。分期最大洪水与年最大洪水的关系、分期设计洪水频率与防洪标准的关系研究对于研究分期设计洪水方法[3]至关重要。《水利水电工程设计洪水计算手册》指出当各分期最大洪水相互独立时,其频率曲线和全年最大洪收稿日期:2007205214基金项目:国家自然科学基金资助项目(50679063;50609017);霍英东青年教师基金资助项目(1

7、01077)作者简介:肖义(1980-),男,湖南岳阳人,博士,主要从事水文学及水资源开发利用研究。E2mail:daro-xy@sohu1com第1期肖义等:分期设计洪水频率与防洪标准关系研究55[8]水的频率曲线之间存在一定的频率组合关系,分期最大洪水与年最大洪水的关系可采用全概率公式描述。王[9]善序提出采用分期年最大值取样(即该分期发生的年最大洪水)估算分期设计洪水。该方法首先在假定发生各分期的年最大洪水相互独立的情况下,建立了一个年最大洪水与分期年最大洪水的关系式,然后基于该关系式提出一种新的分期设计洪水估计

8、方法。这种方法仍然是基于年最大值系列,能够满足防洪标准的要求;又因为[10]是对各分期分别进行取样,各分期的采用的样本不同,因此亦能够反映洪水的季节性规律。Singh等指出分期的年最大样本具有同分布特征,因而比年最大值法更好。但是,该法在抽样中(包括分期抽样)仅取年最大值,可能导致非主汛期的分期抽取到的样本容量很少,最终导致该分期