基于溯源重构的淤地坝影响下设计洪峰计算理论与方法

The consistency of hydrological event sequence in loess hilly-gully region has been destroyed as the construction of tens of thousands of warping dams which makes the traditional frequency analysis method of calculating design flood is no longer applicable. As is well-known, the mechanism on occurrence of hydrologic features has not been changing; it is the changing of hydrological boundary conditions leads to this phenomenon. Accordingly, this research aims to obtain a calculation method of design peak flow in loess hilly-gully region influenced by warping dam projects by attempting to find the roots which can reflect physical mechanisms, and altering peak flow sequence by the form of roots. To this end, revealing the interaction relationship among topographical factor, vegetation coverage and water storage factor of warping dams and finding their influences on peak flow sequence by combining experimental field observation with historical observed data; analyzing different landforms’ affection on peak flow quantitatively by using hydrodynamic model; clarifying the rule of peak flow sequence’s changing influenced by warping dams and dams’ layout in loess hilly-gully region. Then obtaining the expression of the roots to rebuild peak flow sequence on these bases, which implements inconsistency flood peak sequence converts to consistent sequence; presenting statistical characteristics of the refactoring roots sequence on the research conditions and putting forward the calculating method of design flow peak. This study will open up a new way of design flood calculation on inconsistency sequence affected by warping dams.

黄土丘陵沟壑区数以万计的淤地坝建设，破坏了水文资料序列的一致性，使传统频率分析计算设计洪水的方法不再适用。众所周知，水文要素变化的机理不会改变，引起变化的是边界条件。依此为据，本研究试图建立反映物理机制的“源”，以“源”重构洪峰流量时间序列，旨在获得黄土丘陵沟壑区淤地坝影响下设计洪峰流量计算方法。为此，以实验场观测结合历史实测资料分析为手段，揭示地形因子、植被覆盖度和淤地坝蓄水因子之间的交互作用关系及其对洪峰流量变化的影响规律；采用水动力学模型定量分析洪峰流量对地形的响应关系；结合坝系布局对地形的影响，阐明黄土丘陵沟壑区淤地坝影响下的洪峰流量变化规律；在此基础上建立“源”的表达式，重构洪峰序列，实现非一致性洪峰序列向一致性序列的转化；提出黄土丘陵沟壑区淤地坝影响条件下溯源重构序列的统计特征及设计洪峰流量的计算方法。为淤地坝影响的非一致性序列设计洪水计算提供新理论，开辟新途径。

水文系列的一致性假设是现行水文频率分析计算的前提，但由于气候变化和黄土丘陵沟壑区数以万计的淤地坝建设，一致性假设本质上已不再成立，给现行的理论与方法带来挑战。尽管国内外对非一致性条件下的水文频率分析问题进行了大量的研究和探索，但鉴于问题的复杂性，目前尚未提出能被普遍接受的理论方法，因此，这一领域无疑成为了目前水文科学研究的热点之一。本课题从因变量与自变量关系的角度出发，根据引起水文变量非一致性变化的原因是影响因子自身的非一致性变化的理念，提出单个影响因子作用于水文变量之规律的源函数概念，并分析得出水文变量与影响因子源函数间的数学表述模型以统计乘积模型为佳，并由统计乘积模型构建剔除非一致性变化因子影响的溯源重构函数，利用该函数对原水文序列进行重构，实现非一致性序列向新的一致性重构序列的转化。本课题称该方法为溯源重构法，该方法不仅能够有效消除序列的线性、非线性趋势以及突变等三种非一致性特征，且重构序列的分布更符合原序列的抽样属性。针对陕北流域淤地坝的影响，本研究以有效产流面积和植被覆盖度为非一致性变化影响因子，依据溯源重构函数获得洪峰流量序列的重构序列，采用传统频率分析方法推求溯源重构序列设计值，并根据影响因子在设计条件下的取值反推非一致性条件下的设计洪峰流量，实现淤地坝影响的非一致性序列设计洪水计算。应用结果表明所得设计洪水与实际较吻合，且与时变矩方法所求设计值的不确定性比较，溯源重构法产生的不确定性最小。鉴于溯源重构法以构造一致性序列为目标，因此可以应用于以一致性要求为前提的分析计算工作，如频率分析、序列预测模型等，还可以根据一致性转换的程度，实现水文演变的归因分析。