（水文学及水资源专业论文）西北江三角洲枯水径流特征研究.pdf

摘璺 论文题目：西北江三角洲网河区枯水径流特征研究 专业名称：水文学及水资源 硕士研究生：李兴荣 指导教师：江涛副教授 摘要 枯水属于极值水文学的范畴，枯水径流状况是水资源利用的关键。随着经济 社会的发展，人口的增加，水资源短缺问题日益突出，枯水径流的研究也逐步受 到关注。本文以西北江三角洲网河区为研究对象，在对区域枯水径流变化规律进 行分析的基础上，重点研究了潮汐网河区内多变量枯水径流频率分析方法，主 要研究成果如下： ( 1 ) 以三水、马口以及思贤浯1 9 6 1 - - - 2 0 0 5 年共4 5 年实测枯季逐日流量为 基础，分析了西北江三角洲网河区内枯水径流变化规律。通过历年枯水流量过程 线分析，结果表明：三水、马口以及思贤活三个断面各历时下平均枯季流量多年 变化均呈现不同程度的递增趋势，其中三水站增长趋势最明显，思贤浯次之，马 口站增长最不明显。 ( 2 ) 选用p 型、对数p n l 型、对数正态分布、g u m b d 分布等四种常用 分布线型，研究了马口、三水及思贤活1 9 6 1 - 2 0 0 5 年历年最小连续1 日、3 日、 7 日、3 0 日、9 0 日平均流量序列频率分布，并采用概率点距相关系数法( p p c c ) 检验其拟合效果，p - i 型曲线分布较为理想。在此基础上，采用p i i i 型曲线拟合 了三个站点最小连续7 日平均流量序列分布，为下一步的多变量联合分布分析提 供计算基础。 ( 3 ) 探讨了基于c o p u l a 函数的多变量枯水径流频率分析方法。以最小连续 7 日平均流量为例，建立了马口、三水枯水频率联合分布。通过联合分布可知， 联合重现期小于设计重现期，而同现重现期则大于设计重现期，且较之联合重现 摘要 期与设计重现期的差距，同现重现期比设计重现期大的多，尤其在低频率段差距 较大，这与网河区实际情况是相符合的。相对于传统的统计法及单纯的单变量频 率分布，c o p u l a 函数拟合效果更合理，适用于推求本研究区域内枯水径流联合 分布。 本文的研究，不仅为区域水资源的开发利用、科学配置、保护及水资源工程 的规划设计等提供了基础依据，也为网河区枯水径流频率的分析计算提供了新的 途径。 关键词：枯水径流；西北江三角洲；p p c c 检验；c o p u l a 函数 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nc h a r a c t e r i s t i co fl o wf l o wi nt i d a ln e t w o r ko f t h e w e s ta n dn o r t hr i v e rd e l t a m a j o r ：h y d r o l o g ya n dw a t e rr e s o u r c e s n a m e ：x i n g - r o n g l i s u p e r v i s o r ：t a oj i a n ga s s o c i a t ep r o f e s s o r a bs t r a c t l o wf l o wb e l o n g st oe x t r e m u mh y d r o l o g y , a n di ti st h ek e yt ow a t e ru s i n g i n r e c e n ty e a r s ，a se o n o m yd e v e l o p i n g & p o p u l a t i o ng r o w i n g , t h ew a t e rc o n s u m p t i o n h a sb e e ni n c r e a s i n ga n n u a l l y t h e r e f o r e , t h er e s e a r c ho i ll o wf l o wi sg e t t i n gm o r e a t t e n t i o n i nt h i sp a p e r , l o wf l o wc h a r a c t e r i s t i co fw e s ta n dn o r t hr i v e rd e l t aw a s s t u d i e d ，e s p e c i a l l yf o c u s e do nm u l t i - v a r i a b l ef r e q u e n c ya n a l y s i s n em a i nr e s u l t so f t h i sr e s e a r c hc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) c h a n g e so fl o wf l o wi nt h er e g i o n , a sw e l la si t sc a u s e sa n da f f e c t sw e r e a n a l y z e d t h ea n n u a lm i n i m u ml 一，3 ，7 ，3 0 - ，a n d9 0 d a ym e a nf l o wf r o m19 6 1t o 2 0 0 5o fs a n s h u i ，m a k o u & s i x i a n j i a ow e r es t u d i e d 1 n h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ew a s i n c r e a s i n gt e n d e n c yo fl o wf l o wf o rt h e s et h r e es t a t i o n sa td i f f e r e n tl e v e l s ( 2 ) f o u rc o m m o n l yu s e dd i s t r i b u t i o n s ，i n c l u d i n gp e a r s o nt y p e ，l o g i s i t c p e a r s o nt y p ei l l ，g e n e r a l i z e dl o g i s i t c & g u m b e l ，a l es e l e c t e dt of i tl o wf l o ws e r i e s i nt h i sr e g i o n , a n dp p c ct e s t i n gm e t h o di su s e dt oe v a l u a t e dt h ef o u rd i s t r i b u t i o n s 1 1 l er e s u l t ss h o wt h a tt h ep d i s t r i b u t i o ni st h eb e s tc h o i c eo ft h ei o wf l o w f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o ni nt h es t u d yr e g i o n ( 3 ) c o p u l at h e o r yw a se m p l o y e dt os i m u l a t et h ej o i n td i s t r i b u t i o ni nt h es t u d y r e g i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tc o p u l aj o i n td i s t r i b u t i o nw a sm o r er e a s o n a b l e 曲a n t r a d i t i o n a ls t a t i s t i c a lm e t h o do rs i n g l e - v a r i a b l ef r e q u e n c ya n a l y s i s t h i sr e s e a r c h , n o to n l yp r o v i d e sab a s i sf o rw a t e rp l a n n i n g , b u ta l s op r o v i d e sa n e w w a y t of r e q u e n c ea n a l y s i si nt h et i d a ln e t w o r k k e yw o r d s ：l o wf l o w ；w e s ta n dn o r t hr i v e rd e l t a ；p p c ct e s t ；c c m 原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：魂嫩 日期：羽口年6 月尹日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：毋挎导师签名：f 、卅匀 日期：p 年6 月尸日日期：刀l 睥占月7 日 第章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景和意义 水资源是人类社会的基础性自然资源和战略性经济资源，是改善和保护环 境、维持生态平衡的控制性要素。随着人口不断增长，经济社会快速发展、城市 化进程加快和人民生活水平逐步提高，水资源成为国民经济建设和生态建设的命 脉，深刻影响着经济社会活动的各个方面，直接关系到国家经济安全、社会稳定 和可持续发展。 珠江三角洲是世界上水系最复杂的三角洲之一，位于我国东南沿海，流域 内经济发达，人口众多。西北江三角洲网河区位于珠江三角洲流域西北部，广州、 佛山、珠海、中山等重要城市位于其中，是我国经济最发达和城市化水平最高的 地区之一。随着经济社会的持续发展，网河区内用水量逐年增大，但由于其水资 源量比较丰富，人们往往忽视枯水期水资源短缺问题。由于水量时空分布不均匀、 水资源配置的不合理以及愈发严重的水资源污染等问题，近年来流域内枯水期缺 水问题比较突出，供水、灌溉、航运等效益均受到较大影响。网河区内水系复杂、 网络纵横，相关的枯水径流研究较少，区域内枯水径流的变化特征缺少系统的分 析研究；此外，当前在进行网河区内设计枯水分析计算时，均是采用单变量频率 分析，即将西江、北江分割开来，这与网河区内水流相互贯穿的特点明显不符。 因此，对西北江三角洲网河区内枯水径流特征进行系统研究显得尤为必要。 本文主要对枯水径流的变化特征、影响因素以及频率分析等方面进行研究， 系统分析研究西北江三角洲网河区内枯水径流变化特征、探讨其影响因素，并以 多变量频率分析为重点，即以马口、三水站为两变量进行网河区内联合设计枯水 计算。分析研究成果不仅在理论上完善了网河区内多变量枯水径流频率分析理 论，在实际上也可为区域水资源的开发利用、配置、规划与水利工程设计等提供 依据，对实现水资源的持续利用、社会经济的可持续发展都具有重要的实际意义。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 9 7 4 年世界气象组织颁布的国际水文术语表中，枯水径流的定义为：持续 干旱天气下河道的流量。在早期，枯水研究的内容主要集中在基流上，但实际上 基流与枯水径流是两个不同的概念：基流的实质为河川径流中来自地下水或其它 延迟水源的相对稳定的径流成分，在中华人民共和国国家标准( g b 厂r5 0 0 9 5 9 8 ) 水文基本术语和符号标准【l 】中是指由前期降水形成的地下水和汇集速度缓慢 的壤中流补给形成的河川径流；枯水径流( d r ys e a s o nr u n o f f ) 则是指降雨较少季 节的河川径流量，主要以流域蓄水为补给水源。 1 2 1 国外研究现状 国外枯水研究起源较早，1 8 4 2 年d a u s s e ，s 圆对基流( b a s ef l o w ) 退水的描述 可算是枯水最早的研究，19 3 3 年h o n o n 【3 1 于把其定义为d a u s s e 定律。随着枯水 研究的深入，研究的主要内容包括枯水径流基本特征研究以及枯水径流频率分析 等。 ( 1 ) 枯水径流基本特征研究 1 9 7 0 年w r i g h t t 4 1 研究了流量与地质因素间的关系，在流域地质特征分析的基 础上，提出了流域的地质指数概念并将其量化，建立了流域的最小日流量与地质 指数( g ) 、流域坡度( s ) 、年降雨量( p ) 和流域面积( a ) 等因素的非线性方 程： 蜴= 0 0 0 17 5 g 仉“s o j 3 p 6 3 a n 4 4( i - 2 1 ) 但由于在这个时期，枯水的定量指标还不完善，还没有一个比较统一的指标 体系，直到1 9 7 4 年s i l l 曲等嗍使用了q ，l o 作为研究枯季水质最低水量的标准， 并解释其含义为：最小连续7 天平均日流量，其重现期为l o 年；r i c h a r d 掣6 】把 q 7 1 0 延伸为q d ，t ，即最小连续d 天平均日流量，其重现期为t 年( d = l 、7 、1 0 、 2 0 、3 0 、6 0 天，t - 2 、1 0 、2 0 年) 。随着枯水径流定量指标体系的完善，此 后，国外水文学家就广泛地使用q d t 作为研究枯水径流的定量指标，对枯水径 流展开系统研究。1 9 7 7 年c h a n g 等【刀研究了枯水流量与其影响因素间的关系， 主要方法是从影响枯水的1 8 个参数中选择了5 个主要参数进行多元回归分析； 第一章绪论 1 9 8 2 年p i n 8 】从气象和流域特征等因素分析其对枯水的影响；1 9 8 8 年z e c h a r i a s t 9 】 分析了流域面积( a ) 、河网密度( c ) 、河道长度( l ) 、流域比降( s ) 等与基流 的关系，主要方法为回归分析法；1 9 9 0 年v o g e l 和k r o l l 1 0 】研制了一种综合区域 回归方程并由此对马萨诸塞卅i 无测站地区d 天、t 年枯水径流量进行了估算，其 中d 分别取3 、7 、1 4 和3 0 天；1 9 9 8 年l a c e y 和g r a y s o n t 】研究了一系列的地质、 植被群和一系列无因子的流域特征，包括地形和气候指数对b f i ( 基流指数) 的 影响，研究表明基流与流域面积、平均流域坡度、基流退水常数等密切相关；2 0 0 0 年砌筋等【1 2 】选择了地质、气候、地形等各种因素，采用逐步回归法分析其对枯 水的影响。 近年来，随着现代水文学的发展，“3 s 技术在枯水径流研究中逐渐有所应 用。1 9 9 6 年g a r d a - m a r t i n 6 等【1 3 】基于g i s 检验了枯水频率特性和5 3 个由g i s 技 术估算得到的流域气候参数之间的关系，研究结果表明排水强度、支流和干流长 度的比率、排水面积百分比是其中最重要的三个参数，相对于未应用g i s 技术 估算参数的回归模型，估算的准确率有所提高；2 0 0 4 年m a z v i m a v i 掣1 4 】研究了 津巴布韦5 2 个流域的b f i ，主要采用多元线性回归和人工神经网络技术，研究 结果表明，b f i 与多年平均降雨量( p ) 、河网密度( c ) 和坡度( s ) 关系密切， 且人工神经网络模型所得到的预测精度高于线性回归模型。 ( 2 ) 枯水径流频率分析 枯水径流频率分析可分为单变量分析、多变量分析。单变量分析方面，从国 内外研究成果来看，常用的理论模型主要有：p h i 型分布、对数p 型分布、 对数正态分布、伽玛函数分布、耿贝尔分布、韦布尔分布等。在这些模型中，p 型、对数p 型曲线可以通过改变其偏态系数c 。与变差系数c v 的倍比关系 ( c d c , ) 来调整曲线形状，拟合较灵活，在水文上使用最为广泛；两参数或三 参数对数正态分布是建立在正态分布的基础上，计算方便，其中三参数对数正态 分布使用较多；三参数w e i b u l l 分布( a 、p 、丫) 适宜使用在有极小值的分布， 当极小值为零时，即为二参数w e i b u l l 分布( a 、b 、o ) 。除上述分布以外，1 9 8 5 年b o u g h t o n 等【1 5 】还提出了一种新的分布，即对数b o u g h t o n 分布，使用这种分布 可以不需要考虑原始样本符合的是哪种理论线型。 每条河流其枯水径流特征值发生的真实概率各不相同，而且事先我们并不知 第一章绪论 道哪一种理论频率曲线更符合实际情况，因此水文学家们往往选择多种理论频率 曲线，通过各种评价指标，并利用实际资料拟合、检验各种理论频率曲线的拟合 程度，以寻找一条拟合程度最好的理论曲线，模拟本地枯水发生的频率。1 9 6 4 年0 - c o n n d l 6 】选择对数正态分布、p i i i 型分布、g u m b e l 分布三条理论曲线，对 美国5 0 条河流进行了枯水频率分析，结果表明这三条理论曲线均有其适用的河 流，没有一条曲线适用于所有河流；1 9 8 6 年l o g a n a t h a n t l 7 j 提出混合对数p 型 分布应用于枯水中含有零值的分布，应用双边界概率密度函数拟合具有上、下边 界的枯水；1 9 9 6 年d u r r a n s 等【1 8 】应用p i i i 型、对数p i i i 型、g u m b e l 、w e i b u l l 等4 种频率曲线对美国亚马拉洲1 2 8 条河流的枯水频率进行研究，结果表明对数 p 型曲线比较适合该地区的枯水频率分布。 多变量水文分析方面，常用的模型主要有两变量正态分布模型、两变量对数 正态分布模型、混合g u m b e l 模型、两变量p 1 i 型分布等，这些模型大多应用于 洪水、降雨频率分析，如1 9 8 7 年c o r r e i a 1 9 】假设洪峰和历时都服从指数分布，并 且假定给定洪水历时条件下、洪峰服从正态分布，然后基于超定量系列推导了洪 峰和历时的联合分布；1 9 9 9 年y u e 等【2 0 】应用建立在多元极值理论基础上的两变 量g u m b e l 混合模型进行两变量洪水频率分析，对洪峰和洪量、洪量和历时分别 进行了两变量联合分析。 2 0 0 1 年南非的s m a k h t i n 2 1 】在o o u m a lo f h y d r o l o g y 上发表了一篇枯水径流 水文学发展状况的综述，这被认为是目前枯水研究领域最全面的一篇综述。文章 分析了自然条件下及人类活动作用下的枯水径流产生机理；然后对过去二、三十 年全世界范围内提出并运用的枯水径流计算方法、预测方法以及枯水径流特征研 究进行了评述；介绍了不同地区河流不同历时的枯水流量频率分析的线型和参数 估计方法，对线型的研究重点放在评价该线型是否有一个合理可接受的下限；最 后对国际上有关枯水径流的最新研究成果以及枯水径流数据在河流生态研究、环 境流量管理以及水资源评价、规划与综合管理等方面的应用进行了总结。 1 2 2 国内研究现状 我国对枯水的研究相对较晚，直到8 0 年代以后，随着水文学在国民经济中 的重要性不断提高，枯水的研究逐步开展，但由于我们幅员辽阔、河流众多，像 第一章绪论 美国那样大规模地开展全国性的河流的枯水调查与研究难度较大。综合国内枯水 研究成果来看，主要研究内容也可分成二个方面：枯水径流基本特征分析以及枯 水径流频率分析。 ( 1 ) 枯水径流基本特征分析 枯水径流的特征分析部分在国内研究较多。19 9 3 年朱俊林【2 2 】运用径流量比 值法，结合月径流频率分析法，将汉中盆地河流枯水期划分为冬枯期和夏枯期， 其中冬枯期主要发生于1 1 - - - 3 月或2 - - 3 月，夏枯期主要发生于6 月份，并基于 水文地质、气象气候与人为活动等影响因素分析了该区枯水径流的时空分布规 律，进一步探讨汉中盆地枯水资源利用与管理的主要对策；1 9 9 7 年李秀云等【2 3 - 2 4 利用空间遥感信息，在水文下垫面单元分区的基础上，通过水文下垫面要素的地 学分析与制图，确定区域水文模型参数，进行河流枯水水资源量的估算；2 0 0 1 年焦树林、梁虹【2 5 1 分析了喀斯特的岩性与枯水径流特征值的关系，文中将喀斯 特流域看做为一个灰色系统，利用灰色关联度及灰色相对关联矩阵分析了两者间 的相关关系；2 0 0 2 年王在高、梁虹【2 6 】以贵州省河流为例，基于g i s 分析了喀斯 特流域的下垫面因素与枯水径流的关系，从流域结构的角度选择了空间尺度、岩 性、地貌类型、森林植被等自然因素作为参数，尤其是研究了不同的地貌类型及 其空间组合类型对枯水径流的影响，并对喀斯特流域枯季最小日流量进行了预 测，结果良好；2 0 0 2 年马文瀚、梁虹【27 】仍以贵州省河流为例，分析了喀斯特流 域地貌类型与枯水径流的关系，按地貌形态组合类型对流域进行分类，并建立了 枯水径流与不同流域结构特征的线性回归方程；2 0 0 3 年丁志立、胡魁德等【2 8 1 用 加里宁一阿巴里扬地下水估算改进方法对赣江流域上中下游8 个水文测站、不同 计算时段、2 0 0 多个站年实测径流资料进行分析计算，并与用常规斜线分割方法 的测站资料进行分析比较，结果表明选用的分割方法可减少人为因素影响的任意 性，特别是在降水频繁的地区，其计算结果趋势稳定，比常规方法效果更好；2 0 0 3 年苏菊 2 9 】鉴于基流分割常用方法计算费时、效率低，提出了一种基流分割的简 便计算方法，该法是将实测径流过程点绘在半对数纸上，以直线连接过程线的相 应起涨点和拐点，然后建立该直线的数学模型，用积分法求直线以下部分的基流 量；2 0 0 4 年顾森【3 0 】在简单分割计算方法的基础上，介绍了基于a u t o c a d 的分割 方法，计算工作量大大简化，计算准确、简单易学、使用方便。 第一章绪论 ( 2 ) 枯水径流频率分析 多变量枯水径流频率分析方面，国内的研究较少。单变量分析方面，汤奇成 ( 1 9 8 7 ) 【3 i 】和李秀云( 1 9 9 3 ) 吲都采用了p i 型分布和耿贝尔分布分别对新缓 和滇西地区各河流的枯水径流进行了研究，结果表明在在研究区域内耿贝尔曲线 基本都要优于p 型曲线；1 9 9 1 年郭生练等【3 3 】研究了非参数估计方法在枯水径 流频率分析中的应用，并与参数模型w 葫b u l l 分布比较发现，非参数方法偏差和 均方误差均较小；2 0 0 2 年梁虹、王在高【矧选用p 型分布、对数p i i i 型分布、 对数正态分布和耿贝尔分布等四种频率曲线的线型对贵州省1 8 个不同喀斯特地 貌类型的流域进行枯水频率分析研究，结果表明对数正态分布和p 型分布都 可适用该地区枯水径流频率分布的理论线型；2 0 0 5 年黄国如、陈永勤等【3 5 】将线 性矩法应用于东江流域1 3 个子流域，利用枯水径流研究中常用的概率点据相关 系数检验法( p p c c 法) ，采用相关系数、确定性系数、r s me 、m ae 和4 阶线 性矩系数等5 种有效的统计特征量分析g e v 、g l o 、l n3 、g p a 、p 3 和l p 3 等 6 种常用的三参数分布函数，以此分析东江流域区域频率特性，结果表明当采用 三参数对数正态分布( l n3 ) 作为研究区域的枯水径流频率分布线型时，这5 种统计特征量均为最优，建议采用l n3 分布来确定东江流域年最小7 天设计枯 水流量。 综上，从目前国内外枯水径流研究现状来看，枯水径流影响因素等基本特征 方面的研究比较成熟；在水文频率方面，单变量分析使用比较广泛，但大多都是 用于单条河流的枯水径流频率分析，对三角洲网河区的枯水径流问题涉及较少。 网河区由于其水系特点，多变量水文分析模型是比较适用的，但常用的这些多变 量分析方法基本都是应用于洪水、降雨频率分析，在枯水径流中的应用很少，且 其边缘分布都是同一种类型，如两变量g u m b e l 混合模型的边缘分布均为g u m b e l 分布，两变量g a m m a 分布模型边缘分布均为g a m m a 分布等，而在多变量水文 分析计算时，不同的水文变量可能服从不同的分布类型。因此，选用一种可以采 用多种边缘分布来构造联合分布的模型显得很有必要，本文引入当前金融领域应 用广泛的多变量分析中常用的一种方法c o p u l a 函数，用于分析西北江三角 洲网河区内枯水径流频率分析。 - 6 第一章绪论 1 2 3c o p u l a 函数在水文中的应用 由于c o p u l a 函数对于单个随机变量的边缘分布没有限制，构造灵活，近年 来广泛应用于水文频率分析、干旱特征分析、水文事件遭遇分析、水文随机模拟 等多变量水文分析计算中【3 6 1 ，具体包括以下几个方面： ( 1 ) 在水文频率分析中的应用 在洪水频率分析方面，2 0 0 4 年f a v r e 掣3 刀利用c o p u l a 函数分析洪峰和洪量 的联合分布，并探讨其在多维极值分布建模中的应用。2 0 0 6 年z h a n g 和s i n g h 3 3 】 较详尽地介绍了二维a r c h i m e d e a nc o p u l a 函数理论与方法，重点介绍了其中四类 常用c o p u l a 函数，用g u m b e l h o u g a a r dc o p u l a 其构造了加拿大的两个关联流域 内的洪峰、洪量和历时的联合分布，并与二维正态变换分布模型和混合g u m b d 模型进行了比较，结果表明c o p u l a 函数拟合效果更好。2 0 0 6 年g r i m a l d i 和 s v r i n c e s c o 3 叼基于三维非对称式a r c h i m e d e a nc o p u l a 函数进行了洪水频率分析， 并与对称式和标准g u m b e l 逻辑模型进行了比较研究。2 0 0 8 年肖义等m 】基于 g u m b e l h o u g a a r dc o p u l a 函数建立了清江流域隔河岩水库洪峰和洪量的联合分 布，并尝试用该方法推求设计了水库洪水过程线。2 0 0 8 年方彬等【4 i 】应用( u m b e r - h o u g a a r dc o p u l a 函数进行洪水发生时间和洪水量级两变量联合分布研究，其中 两边缘分布分别采用v o nm i s e s 分布拟合年最大洪水发生时间的概率分布，采用 p 型分布拟合年最大洪水量级的概率分布。 在降雨频率分析方面，2 0 0 3 年d em i c h e l e 和s a l v a d o r i l 4 2 1 用二维a r c h i m e d e a n c o p u l a 函数构建了雨强和历时的联合分布，其边缘分布均采用g e n e r a l i z e dp a r c t o 分布。随后2 0 0 6 年，s a l v a d o r i 和d em i d l e l c 【4 3 】又基于二维a r c h i m e d e a nc o p u l a 函数进一步研究了暴雨各统计量的联合分布，边缘分布均采用g e n e r a l i z e dp a r c t o 分布，从而推导出暴雨前某固定时段内降雨量和前期土壤湿度的分布函数。2 0 0 6 年g r i m a l d i 和s o - i n a k l i 4 4 尝试运用三维c o p u l a 函数进行了设计雨量图的分析。 2 0 0 7 年，z h a n g 和s i n g h l 4 5 删先后对降雨的雨强、雨深和历时进行两变量和三变 量的频率分析，并分别得出联合重现期、同现重现期等。2 0 0 8 年张娜等【4 刀通过 g u m b e l h o u g a a r dc o p u l a 函数构建隔河岩水利枢纽年最大日雨量与时段雨量的 联合分布，并推求了暴雨事件中两变量的联合分布、条件分布及联合重现期分布， 并基于联合分布推求设计暴雨值。 第一章绪论 ( 2 ) 在干旱特征分析中的应用 2 0 0 6 年s h i a n 4 8 】使用标准降水指数( s p i ) 来定义干旱，进而采用二维c o p u l a 拟合了台湾南部乌山头水库的干旱历时和干旱程度的联合分布。2 0 0 7 年s h i a n 等f 4 9 】运用c o p u l a 函数构造干旱特征变量的联合分布，并以此评估了黄河流域的 水文干旱事件。2 0 0 7 年d u p u i s 5 0 】探讨了c o p u l a 函数在水文应用中的优点、缺点 以及各注意事项，并用c o p u l a 方法研究了加拿大两个流域的枯水事件，结果表 明混合c l a y t o nc o p u l a 模拟效果较好。2 0 0 7 年闫宝伟等【5 l 】运用标准降水指数作 为干旱定义指标，以汉江上游为例，通过g u m b d h o u g a a r dc o p u l a 函数构造了 干旱历时和干旱程度的联合分布，并分析其联合重现期、同现重现期。 ( 3 ) 在水文事件遭遇分析中的应用 c o p u l a 函数不仅可以描述上述水文事件内在属性之间的相关性，还可以用 来分析同一水文事件在不同地区的遭遇性。2 0 0 4 年f a v r e 等【5 2 1 应用四种c o p u l a 函数分析加拿大魁北克省某流域洪水的地区组成，并分析了地区洪水遭遇的概 率。2 0 0 5 年熊立华等【5 3 】应用g u m b dc o p u l a 函数建立同一河流上相邻两个站点 的年最大洪水联合分布函数，其中两边缘分布均采用p i i i 型分布，以此分析该 河流洪水的遭遇组合。2 0 0 7 年闫宝伟等【蚓选用c l a y t o nc o p u l a 函数构造南水北 调中线水源区与受水区降雨的联合分布，分析水源区与受水区丰枯遭遇的频率， 并与经验频率方法结果相比较，两者大致相当。2 0 0 9 年莫淑红等【5 5 】采用c o p u l a 函数，构造渭河干流及其宝鸡市区段最大一级支流千河年径流的联合分布，并具 体分析干支流的丰枯遭遇频率。 ( 4 ) 在水文随机模拟中的应用 随机模拟是水文分析计算的一类重要方法，通常通过生成随机水文系列来检 验所建模型的合理性，以及预估未来的水文情势。2 0 0 5 年d em i c h e l e 掣5 6 】运用 二维a r c h i m c d c a nc o p u l a 函数随机模拟洪峰和洪量来检验大坝溢洪道的安全性。 2 0 0 7 年肖义等【5 7 】基于g u m b d h o u g a a r dc o p u l a 函数提出了一种洪水过程随机模 拟方法，其中两边缘分布均采用p i 型分布，并与传统的季节性一阶自回归模 型和典型解集模型进行比较，结果表明c o p u l a 函数的各统计特征值均优于传统 模型。 第帝绪论 1 3 本文研究内容和方法 本文拟以西北江三角洲网河区为研究对象，系统分析流域内枯水径流特征， 主要内容包括： ( 1 ) 研究网河区内枯水径流变化特征，探讨其枯水影响因素。 ( 2 ) 单变量频率分析：分别以西北江三角洲网河区内控制站马口、三水以 及流域控制断面思贤滔实测枯季径流序列为基础数据，分析枯水径流的概率分布 特征，通过p p c c 检验选定适合西北江三角洲的理论分布线型。 ( 3 ) 多变量频率分析：以马口、三水站实测枯季径流序列理论分布为边缘 分布，构建c o p u l a 联合分布函数，分析研究网河区内枯水遭遇。 第二章西、北江三角洲网河区枯水径流特征分析 第二章西北江三角洲网河区枯水径流特征分析 2 1 研究区域概况 2 1 1 水系概况 珠江三角洲位于我国东南沿海，流域面积2 6 8 2 0 k m 2 ，约占珠江流域面积的 5 9 l 。珠江三角洲是世界上水系最复杂的的三角洲之一，三角洲内河网密集， 河网密度0 6 8 , - - - , 1 0 7k i n k i n 2 ，河网区面积9 7 5 0 k m 2 ，其中：西北江三角洲8 3 7 0 k m 2 ， 主要水道近1 0 0 条，河网密度为0 8 1 k i n k i n 2 ；东江三角洲1 3 8 0 k m ，主要水道有 5 条，河网密度为o 8 8 k m k m 2 。三角洲网河区内丘陵、台地、残丘星罗棋布，水 道纵横交错，自东而西汇集于虎门、蕉门、洪奇门、横门、磨刀门、鸡啼门、虎 跳门、崖门八个口门入海，呈现“诸河汇集，八口分流 的水系特征。 西北江三角洲网河区位于珠江三角洲西北部，主要由西江水系、北江水系组 成。西江是珠江流域的主流，上游发源于云南省霭益县马雄山，至梧州会桂江后 始称西江流入广东省，在广东省境内汇入的主要支流有贺江、罗定江和新兴江， 至三水市思贤浯与北江相通进入西北江三角洲网河区；西江干流至思贤溶长 2 0 7 5 k m ，河道平均坡降o 5 8 0 ，集雨面积3 5 3 1 2 0 k m 2 ，绝大部分在在云南、贵 州、广西等省( 区) 内，属广东省境内仅1 7 9 6 0k m 2 。北江发源于江西省信丰县 石碣大茅坑，流入南雄市境后称为浈江，至曲江县武江汇入后始称北江，南流经 英德、清远等县，至思贤活与西江干流相通，进入珠江三角洲网河区，主要支流 有武江、南水、连江、渝江、滔江、滨江、绥江等；北江干流至三水市思贤洛全 长4 6 8k m ，河道平均坡降0 2 5 0 ，集雨面积4 6 7 1 0k m 2 ，其中4 2 9 3 0k m 2 在广东 省境内。西江、北江在思贤浯汇合后，重新组合进入西北江三角洲网河区，主要 分流水道有顺德水道、东海水道、磨刀f 1 7 9 道、洪奇沥水道等，然后经洪奇门、 横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门、崖门等几大口门汇入南海。流域内主要水系见 图2 1 1 。 1 0 第一章 两、北= 舶洲月河e 枯水静滩特觚分析 图2 - 1 1西北江三角洲网河区主要水系图 第二章西、北江三角洲网河区枯水径流特征分析 2 1 2 测站断面概况 西北江三角洲网河区内控制站为马口、三水水文站，两江在思贤洛处汇合。 马口水文站1 9 5 0 年设为基本水位站，1 9 5 1 年改为基本水文站，位于西江干 流水道西北江三角洲河网区的顶端、三水市马口村，是西江进入网河区前必经的 第一关隘，断面上游约4 s k i n 为西江干流与思贤浯汇合处，是西江干流水道水量 控制断面，国家重点监测站。 三水水文站1 8 9 9 年建立，位于位于西北江三角洲北江干流水道上段、三水 市河口镇附近，断面上游约2 o k m 为北江干流与思贤沼汇合处，是北江干流水道 水量控制断面，国家重点监测站。 思贤浯位于西北江三角洲的顶部，全长约1 s k i n ，西浯口宽1 0 0 m ，北浯口 宽2 0 0 m ，中间宽5 0 0 m 。思贤洛恰似天然运河，对调节西、北两江来水起着重要 作用。枯水期由于西、北浯口潮汐的作用，两边水位涨落不同步造成过浯水流往 复运动。思贤浯处流量概化为马口与三水两站之和。 2 1 3 水文特征 西北江三角洲网河区地处我国南部低纬度地带，南临南海，受东南季风和西 南季风影响，属于湿热多雨的热带、亚热带气候。四季气候特点分明，春季阴雨 连绵，夏季高温湿热、暴雨集中，秋季热带气旋入侵频繁，冬季温暖少雨。区内 多年平均气温1 4 c 2 2 ，多年平均降水量变幅约为1 7 6 0 - 2 3 2 5 m m ，多年平均 径流量西江为2 3 2 2 亿m 3 、北江为4 5 1 亿m 3 。网河区内水道交错分布，同时受 到径流、潮流共同作用的影响，水流方向不定，各河道的水量关系因时而变，水 流特征在不同年份及年内不同时段差异很大。 西北江三角洲网河区内枯水期一般为每年l o 月至次年3 月，汛期径流比较 集中，枯水期径流一般较小。据1 9 6 1 2 0 0 5 年实测资料统计，西北江进入三角 洲的入流处思贤浯的多年平均径流量2 7 7 3 亿m 3 ，多年平均流量8 7 5 0 o m 3 s ，其 中枯水期多年平均径流量5 9 9 亿m 3 ，多年平均流量3 8 0 0 o m 3 s ，枯水期径流约 占多年径流总量2 2 。 第一章 n 北- 角洲叫w m 枯m 张m 特“e 仆析 2 2 枯水径流变化规律 2 2 1 枯水流量过程变化 以三水、马口吼及思贤滔1 9 6 1 2 0 0 5 年共4 5 年宴测枯季避几流蚤为研究对 象，进取最小连续1n 、3h 、7r 、3 0 阿、9 0r 平均流母作为枯水径流特征值， 分别反映枯水流量的h 变化、周变化、h 变化、季节变化，其历年枯水流量过程 分别见图2 2 一l 、2 - 2 2 。 a ) 马1 3 站枯水流姑过拌线 b ) 二水站枯水流量过样线 ( c ) 思贤渭枯水流量过科线 图2 2 1各断面枯水流量过程线 m ：# j l nm m b f m ”m * m 忻 a ) 蛙小琏续lu * 均枯水流域过 q 线 b ) 最小连续3 日平均枯水流骷过种线 c ) 最小琏续7 口甲均枯水 i f 【域过祥线( d ) 最小迕续3 01 1 平均枯水流耻j ：f q 线 ( e ) 垃小连续9 0u 牛均帖水洫避过再线 吲2 - 2 2并所时枯水流转过挥线 第，：章两、北江三角洲嘲 i 叮区枯水径流特征分析 由图2 2 1 、2 2 2 可知，马口、三水、思贤活各历时下平均枯季流量多年变 化均呈现不同程度的递增趋势，其中三水站增长趋势最明显，马口站增长最不明 显，思贤滔则因综合了两者变化，增长趋势居中。总体来说，短历时枯季流量增 长趋势均大于长历时，其中最小连续1 日平均流量增长趋势最剧烈，最小连续 9 0r 平均流量增长趋势则相对平缓。三个断面处枯季流量在2 0 世纪8 0 年代前 期以前变化幅度均较小，8 0 年代中期出现极大值，随后增长趋势加快，尤其是 9 0 年代后至今，增长幅度最大。 利用序列的最大值、最小值、平值、均方差、离差系数等来反映西北江三角 洲网河区内枯水径流的统计特征，见表2 2 1 。 表2 2 一l西北江三角洲网河区枯水径流统计特征值 第聋阿、北；f m 洲| 畸i l t t 枯水衽流特f l | = n 忻 i1 襄t 以看出，备站点短历时枯水序列变差系数均较大，随着历时的增人， 变差系数逐渐减小，即短历时枯水年际变化较大，长历时枯水年际变化较小。从 极值比办可以看出三水站各历时下均为最r 人，马口站次之思贤搿破小，即 水站桔水变化最为剧烈，其中连续最小i 兀平均帖水流量撒值比为晟犬，达6 9 1 。 三承站各历时下枯水序列变差系数均为瑶大，- s 口站由 ：游集m 呵积较人受 多种枯水影响因素综合作j j 各历时f 桔水流量变化较z 三水站耍缓慢得多，其 变差系数均比三水站要小，思贤淄各历时f 枯水流量变箍系数均较小，变化趋势 最平缓。 2 2 2 枯水期分流比变化 2 0 世纪8 0 年代以来西北汀= 角洲区域人口增加了倍、产值增加了1 0 倍以上人口的膳增、经济的高速发展伴随着流域内剧烈的人类活动，如人规模 的河道采沙、【l 门围鼙、联围筑闸等，导致西北江二角洲内分流比_ 变化，引起流 域内枯水往流的变化。 为了解枯水期分流比多年变化，选取码口、_ 二水站1 9 6 1 2 0 0 5 年枯水期1 0 3 月份的流量进行对比分析计算其占马u 与三水站之和的百分比值，点绘成图 见圈2 - 2 - 3 。 图2 - 2 3乌口、二水站1 9 6 1 2 0 0 5 年枯水期分流比 第二章两、北江三角洲嘲河区枯水径流特征分析 从图2 2 3 可以很明显地看出，1 9 6 1 2 0 0 5 年内，马口站枯水期分流比呈逐 年下降的趋势，三水站分配比逐年上升；马口站枯水期分流比变化范围在7 8 1 9 4 8 之间，三水站变化范围在5 2 - 2 1 9 之间，“西消北长 的趋势非 常明显。 为进一步了解枯水期分流比年内变化，选用马口、三水站2 0 0 0 2 0 0 5 年枯 水期月均径流量，计算其占两站月总径流量的百分比值，见表2 2 2 。 表2 - 2 0 2马口、三水站2 0 0 0 2 0 0 5 年枯水期枯水期月均径流量分配比 马口三水 垃l 下l u 1 月2 月3 月1 0 月1 1 月1 2 月1 月2 月3 月1 0 月1 1 月1 2 月 2 0 0 08 5 58 4 58 7 18 2 28 1 48 0 51 4 51 5 51 2 91 7 81 8 6 1 9 5 2 0 0 l8 4 98 3 78 6 98 3 18 2 58 3 21 5 11 6 31 3 11 6 91 7 51 6 8 2 0 0 28 0 98 1 18 4 37 6 48 1 78 1 81 9 i1 8 91 5 72 3 61 8 31 8 2 2 0 0 38 0 08 1 38 3 48 1 78 3 28 5 42 0 01 8 71 6 61 8 31 6 81 4 6 2 0 0 48 1 28 0 38 0 27 7 77 8 97 8 01 8 81 9 71 9 8