变化环境下非一致性最低通航水位设计方法研究

Taking the Guangdong province as the study area, the West River, North River, East River, Hanjiang River and other major rivers are selected as the research object. Aiming to the inconsistent problem of minimum navigable water level under changing environments, a series of design methods which can reflect inconsistent minimum navigable water level under changing environments will be put forward systematically. The main contents include: Full Components Considered Hydrological Variation Diagnosis System (FCCHVDS) will be proposed to reveal the temporal and spatial variation of annual extreme value and the characteristic value of annual distribution for the water level of the major rivers in Guangdong province; the inconsistent decomposition and composition hydrological frequency calculation method based on second moment variation analysis will be used to uncover the frequency distribution of inconsistent water level characteristic value of the rivers; the inconsistent annual water level process design method based on extremum identical frequency will be proposed, and then the annual distribution of inconsistent design water level process of the rivers will be revealed; the design methods of inconsistent lowest navigable stage include synthetic duration curve method, guaranteed rate-frequency method and frequency-guaranteed rate method will be put forward, and then derive the lowest navigable stage of the main control section of the rivers will be competed. The research results will be not only useful in theory to the hydrological engineering analysis and calculation study in the changing environment, but also valuable in practical to the waterway design and evaluation of navigation benefit of the main rivers in Guangdong province.

以广东省为研究区域，选取西江、北江、东江、韩江等主要河流为研究对象，针对变化环境下出现的最低通航水位的非一致性问题，系统性地提出一套反映变化环境的非一致性最低通航水位的设计方法。主要内容包括提出全成分水文变异诊断系统，并揭示广东省主要河流水位年极值和年内分配特征值的时空变异规律；提出基于二阶矩变异分析的非一致性水文频率计算分解合成方法，并揭示各河流非一致性水位特征值的频率分布规律；提出非一致性设计年水位过程的极值同频率法，并揭示各河流非一致性设计水位过程的年内分配规律；提出非一致性最低通航水位设计的综合历时曲线法、保证率频率法、频率保证率法，并推求各河流主要控制断面的设计最低通航水位。其研究成果不仅对变化环境下的工程水文分析与计算研究具有重要的理论意义，而且对于广东省主要河流的航道规划设计和航运效益评估等具有重要的实际应用价值。

选取广东省西江、北江、东江、韩江与云南省澜沧江为研究对象，针对变化环境下最低通航水位的非一致性问题，系统性地提出了一套反映变化环境的非一致性最低通航水位的设计方法。提出了非一致性水文频率计算的基因途径，并构建了水文基因诊断系统，能够识别水文序列的全部成分，通过对年平均水位的诊断，发现东江博罗站、西江高要站、北江石角站、韩江潮安站在2000年左右水位序列均表现为显著的向下跳跃变异；澜沧江允景洪站的水位序列在2004年出现了显著的向下跳跃变异。提出了基于常规矩基因的非一致性水文频率计算方法，对允景洪站年最小1月流量序列分析发现一阶和二阶常规矩基因分别存在周期和跳跃两种变异成分，计算结果表明当保证率在90.0%~99.9%时，2004年之后比之前的流量频率曲线值明显偏小，不利于供水安全。基于一阶和二阶矩变异分析，提出了非一致性最低通航水位设计的综合历时曲线法，采用该法发现北江高道站和横石站的最低通航水位，在过去和现状环境下90%、95%、98%的设计水位差值均达到了2.2~2.5米之间，变幅为10%~20%左右；允景洪站在保证率取90%、95%和98%时，现状与过去环境间的最低通航水位差值约为-0.63米，有可能增加船舶搁浅风险或减小船舶载货能力。提出了基于二阶矩变异的非一致性最低通航水位设计的保证率-频率法，实例验证表明，考虑二阶矩变异的情况下，北江高道站95%和98%年保证率水位序列在现状环境条件下的水位设计值较过去分别偏大2.15米和1.60米（设计频率取80%）。基于非一致性设计枯水水位过程的极值同频率法，提出了基于二阶矩变异的非一致性最低通航水位设计的频率-保证率法，既兼顾了年保证率和频率的概念，又便于考虑变化环境下水位特征值的年内分配变异，经计算澜沧江允景洪站的最低通航水位设计值为534.49m（年保证率为95%）。上述研究成果不仅对变化环境下的工程水文分析与计算研究具有重要的理论意义，而且对于广东省主要河流与云南省澜沧江的航道规划设计和航运效益评估等具有重要的实际应用价值。