Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Стохастические модели максимальных расходов воды рек с паводочным режимом

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Осипова, Надежда Владимировна

Введение.

1. Обзор вероятностно-стохастических схем расчета максимальных расходов воды. Характеристика исследуемых процессов.

1.1 Стохастические модели в гидрологии.

1.2 Основные типы одномерных распределений, применяемые в гидрологии для максимумов стока.

1.3 Принципы совместного анализа данных.

1.3.1. Обзор принципов гидрологического районирования.

1.3.2. Метод совместного анализа гидрологических характеристик.

1.3.3. Критерии соответствия.

1.4 Существующие подходы к оценке характеристик дождевого стока.

1.4.1 Основные этапы исследования максимального дождевого стока рек.

1.4.2 Характеристика процесса паводочного стока.

2. Методы оценивания параметров распределений максимальногостока.

2.1 Метод моментов.

2.2 Метод наибольшего правдоподобия.

2.3 Метод L- моментов.

2.4 Оценка параметров распределения С.Н. Крицкого и М.Ф.Менкеля методом L - моментов.

Основные положения теории экстремальных событий в задачах аппроксимации распределений вероятностей максимальных расходов воды.

3.1 Обобщенное распределение Парето (GPD-распределение) и обобщенное распределение экстремумов (GEV-распределение).

3.2 Усечение распределений, «хвосты» распределений.

3.3 Применение метода L-моментов для оценки параметров GPD и GEV-распределений.

4 Гидрологическое районирование по типу распределения максимальных расходов воды с применением теории ^ экстремальных событий.

4.1 Гидролого-географическое описание районов.

4.1.1 Приморье.

4.1.2 Забайкалье.

4.1.3 Верхняя часть водосборного бассейна Каспийского моря. Верховья и средняя части реки Волги и Верховья Урала.

4.2 Анализ исходных данных.

4.3 Районирование территории бывшего СССР по условиям ф формирования и факторам дождевого стока.

4.4 Обоснование выбора типа распределения в зоне малых обеспеченностей.

4.4.1 Выбор точки усечения. Совокупности максимальных расходов воды.

4.4.2 Совместный анализ данных по максимальному стоку на территории Забайкалья.

4.4.3 Совместный анализ данных по максимальному стоку на территории части бассейна Каспийского моря.

4.4.4 Совместный анализ данных по максимальному стоку на территории Приморья.

4.4.5 Оценка региональных кривых распределения методом обеспеченности обеспеченностей.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Стохастические модели максимальных расходов воды рек с паводочным режимом"

Актуальность темы.

Исследования типа распределения вероятностей максимального дождевого стока является важной научной и практической задачей, поскольку возможность точного оценивания характеристик экстремальных величин стока в существенной степени определяет решение многих прикладных задач, таких как проектирование защитных сооружений, плотин ГЭС, мостов, путепроводов, каналов и т.д.

Использование стохастических моделей для решения различных гидрологических задач имеет важное значение. Физические (физико-математические) модели могут обеспечить учет деталей механизмов формирования стока, но процессы, происходящие в природе настолько сложны и взаимосвязаны, что в условиях ограниченной информации не всегда представляется возможным достичь точного их описания, руководствуясь лишь физическими (детерминистическими) представлениями. Необходимо использование вероятностных подходов.

Слабая гидрологическая изученность, небольшая продолжительность рядов стока, неравномерное распределение гидрологических постов по территории существенно затрудняют получение надежных оценок параметров распределений стока. В таких случаях региональный подход в задаче оценки максимальных величин дождевого стока представляется наиболее приемлемым. Районирование территории и картирование характеристик максимального стока позволяет выделить районы с общими физико-географическими, ландшафтными, метеорологическими условиями формирования стока и использовать эти данные для рек на которых наблюдения не проводились.

В связи с тем, что процессы формирования дождевых паводков в разных климатических природных зонах достаточно сложны и разнообразны, проблема выбора типа распределения представляется весьма актуальной научной задачей.

Цели и задачи исследования.

Цель исследования - оценить тип распределения максимальных характеристик дождевого стока рек путем группового анализа данных в пределах выделенных однородных районов на основе имеющихся данных о максимальном дождевом стоке рек Забайкалья, Приморья и части бассейна Каспийского моря

Для достижения поставленной цели был решен ряд задач:

1. Создана информационная база в виде совокупностей наиболее продолжительных рядов максимальных расходов воды рек с ненарушенными условиями формирования стока и картографической привязкой данных.

2. Выполнен анализ методов оценивания параметров. Показаны преимущества применения метода L-моментов для оценки параметров распределений, применяемых в гидрологии.

3. Найдены условия применимости методики совместного анализа в сочетании с гидрологическим районированием для выделения статистически однородных районов применительно к задаче оценки типа распределения максимального стока дождевых паводков.

4. Изучена возможность применения теории экстремальных событий при выборе типа кривой распределения максимальных значений дождевых паводков в сочетании с применением теории усеченных распределений.

Методы и объекты исследования.

Использовались вероятностно-статистические методы исследования в сочетании с физико-географическим, климатическим и гидрологическим районированием территории.

В качестве объекта исследования рассматривались территория Забайкалья, Приморья и часть бассейна Каспийского моря.

Научная новизна работы.

Новыми научными результатами являются обоснование применимости теории экстремальных событий для описания усеченных в медиане распределений максимального стока рек рассматриваемых регионов с использованием принципов совместного анализа и районирования территорий с целью повышения точности и надежности расчетов стока в диапазоне экстремальных значений.

Предмет защиты.

Распределение максимальных дождевых расходов воды для территорий Забайкалья, Приморья и части бассейна Каспийского моря, методы оценивания расчетных величин и районные (региональные) оценки параметров.

Практическая значимость.

Практическое использование полученных результатов позволит повысить обоснованность гидрологических расчетов и точность гидрологических характеристик, а следовательно и степень надежности принятия проектных решений.

Апробация работы.

Результаты работы были представлены на международном научном семинаре "Анализ и стохастическое моделирование экстремального стока на реках Евразии в условиях изменения климата", Иркутск, 16-23 июня 2003г.; на международной научной конференции "Экстремальные гидрологические события теория, моделирование и прогнозирование", Москва, 3-6 ноября 2003г; на IV международной Российско-Иранской конференции по сельскому хозяйству и природным ресурсам, 2004г.; а также на конференции молодых ученых ИВП РАН в 2004 году.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (88 наименований) и 7 приложений. Объем работы составляет 135 страниц, в том числе 10 таблиц и 25 рисунков.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Осипова, Надежда Владимировна, Москва

1. Алексеев Г.А. Определение стандартных параметров логарифмическинормальной кривой распределения по трем опорным точкам//Труды ГГИ. 1962.Вып. 99. 261-273.

2. Алисов Б.П., Полтараус Б.В. Климатология. М.: Изд. МГУ. 1974. 299с.

3. Белый А.В. Примепение метода совместного анализа наблюдений к расчету характеристик суточных максимумов осадков на севере ETC.// Водные ресурсы.1989.№3. 23-26.

4. Бефани Н.Ф., Калипип Г.П. Упражнения и методические разработки по гидрологическим прогнозам. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 389с.

5. Блохинов Е.Г Исследования повторяемости дождевых паводков.// Труды гидропроекта. 1960, сб. №4. 78-113.

6. Блохинов Е.Г. Оценка параметров случайпых колебаний речного стока методом наибольшего правдоподобия.// Труды Гидропроекта. М.: Энергия, 1964, сб. 12.С.60-111.

7. Блохинов Е.Г. О распределении оценок квантилей, вычисленных различными методами (применительно к расчетам речного стока).// Труды ГГИ. 1969, вып.

8. Блохинов Е.Г. Распределение вероятностных величин речного стока. М.гНаука, 1974. 169с.

9. Блохинов Е.Г. Усечеппое распределение вероятностей для расчета максимального стока рек.//Проблемы регулирования и использования водныхресурсов. М.: Наука, 1973. 30-55.

10. Болгов М.В., Иваньо ЯМ. Применение метода совместного анализа к задаче районирования параметров формул максимальпого стока.// Водные ресурсы.1988. №5. 47-51.

11. Болгов М.В., Лобода Н.С., Николаевич Н.Н. Пространственное обобщение параметров внутрирядной связности рядов годового стока. //Метеорология игидрология. 1993, №7. 83-92.

12. Болгов М.В., Мишон В.М, Сенцова Н.И. Современные проблемы оценки водных ресурсов и водообеспечения, Москва.: Наука, 2005. 318с.

13. Болгов М.В., Нацагдорж X. О числе объединяемых выборок при совместном анализе наблюдений по группе станций.// Водпые ресурсы. 1984, №4, 160-164.

14. Болгов М.В., Писаренко В.Ф. О распределении максимальных расходов воды рек Приморья// Водные ресурсы, 1998, т.26, JVb6. 710-721.108

15. Болгов М.В., Сарманов И.О. Усеченное трехпараметрическое гамма- распределепие Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля и некоторые его приложения кгидрологическим расчетам//Водные ресурсы. 1988, №2. 24-29.

16. Виноградов Ю.Б. Математическое моделирование процессов формирования стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 312с.

17. Владимиров A.M. Гидрологические расчеты. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 365с.

18. Галактионов И.И., Георгиевский Ю.М., Самохин А.А. Исследование максимального стока малых рек Дальнего Востока. // Вопросы расчетов ипропюзов речного стока. Труды ЛГГИ. 1961. Вып.П. 198-207.

19. Гарцман Б.И. Дождевые наводнения на реках юга Дальнего Востока: Методы расчетов, нрогнозов, оценок риска. Автореферат диссертации на соиск. уч.степепи доктора геогр. наук, Иркутск, 2005. 40с.

20. Гумбель Э. Статистика экстремальных значений. М.: Мир, 1965. 450с.

21. Евстигнеев В.М., Ретеюм К.Ф., Чуткина Л.П. Опыт гидрологического районирования методом автоматической классификации.// Вестник МГУ. М.:Изд-воМГУ, 1980. Вып.6. 5-18.

22. Ежов А.В. Новые функции распределения и методы оценки статистических параметров стока. Автореферат диссертации на соиск. уч. степепи канд. техн.наук, Санкт-Петербург, 1994. 26с.

23. Зайков Б.Д. Средний сток и его распределение в году на территории СССР. Л.:Гидрометеоиздат, 1946. 215с.

24. Калипип Г.П. Проблемы глобальной гидрологии. Л.гГидрометеоиздат, 1968. 377с.

25. Картвелишвили Н.А. О математическом описании и методике расчетов регулирования речного стока // Изв. АН СССР. ОТН. 1956. Ш1 126-136.

26. Картвелишвили Н.А. Стохастическая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 168с.

27. Кендалл М., Стьюарт А. Статистические выводы и связи. М.: Наука, 1973. 899с.

28. Крамер Г. Математические методы статистики. М.: Мир, 1975. 631с.

29. Крицкий Н. О направлении исследований в области теории использования водных ресурсов. // Проблемы изучения и комнлексного использования водныхресурсов. М.: Наука, 1978, 4-44.

30. Крицкий Н., Менкель М.Ф. Гидрологические основы унравления речным стоком. М.: Наука, 1981. 270 с.

31. Кузин П.С. Классификация рек и гидрологическое районирование СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1960. 455с.

32. Кузин Н.С., Бабкин В.И. Географические закономерности гидрологического режима рек. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 405с.

33. Кучеренко В.Е. Расчет стока весеннего половодья на основе регрессионных моделей (на нримере рек Южного Урала). Автореферат, Санкт-Петербург, 1992.

34. Кучмент Л.С. Математическое моделирование речного стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. 191с.

35. Кучмент Л.С. Модели процессов формирования речного стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 143с.

36. Львович М.И. Опыт классификации рек СССР// Тр. ГГИ, 1948, Вын. 6(60).

37. Нереладова Л.В. Максимальный весенний сток рек Тюменской области. Автореферат диссертации на соиск. уч. стенени канд. геогр. наук, Нермь, 2000.26с.

38. Нисаренко В.Ф. и др. Применение теории экстремальных событий в задачах аннроксимации распределений вероятностей максимальных расходов воды. //Вод. ресурсы. 2002. Т.29. №6. 645-657

39. Природные ресурсы бассейна озера Байкал, (под редакцией Раднаева Г.Ш. и др.) Бурятское книжное издательство, Улан-Удэ, 1977. 196с.

40. Расчеты речного стока, (методы пространственного обобщения) под редакцией В.Д. Быкова, В.М. Евстигнеева, В.А. Жука. Изд-во московского университета,1984. 165с.

41. Раткович Д.Я. многолетние колебания речного стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 256с.

42. Раткович Д.Я. Моделирование взаимозависимых гидрологических рядов (на примерах притока к Аральскому и Азовскому морям) // Вод. ресурсы. 1997. JNTol.С. 5-15.110

43. Раткович Д.Я. Гидрологические основы водообеспечения. Москва, 1993. 429с.

44. Раткович Д.Я., Болгов М. В, Стохастические модели колебаний составляющих водного баланса речного бассейна. М., 1997.262 с.

45. Региональные модели формирования наводочного стока на территории СССР. Серия гидрология суши. Обзорная информация. Обнинск, 1981. Выи. 2. 60с.

46. Резниковский А.Ш., Александровский А.Ю., Атурин В,В, и др. Гидрологические основы гидроэнергетики. М.: Энергия, 1979. 232с.

47. Резниковский А.Ш., Великанов М.А. Стохастическое моделирование многомерных гидрологических нроцессов// Tp.V Всесоюз. гидрол. Съезда. Л.:Гидрометеоиздат, 1990, т.6. 52-58.

48. Рекомендации но методике онределения экстремальных гидрометеорологических характеристик, М.: Стройиздат, 1981. 43с.

49. Ресурсы поверхностных вод СССР, Верхне-волжский район, т. 10, книга 1, М.: Гидрометеоиздат, 1973. 476с.

50. Ресурсы поверхностных вод СССР, Нижнее Поволжье и Занадный Казахстан, т. 12, ВЫП.1, Л.; Гидрометеоиздат, 1971 460с.

51. Ресурсы поверхностных вод СССР, Нижнее Поволжье и Западный Казахстан, т. 12, ВЫП.2, Л.: Гидрометеоиздат, 1971.445с.

52. Рождественский А.В. Оценка точности кривых распределения гидрологических характеристик. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 270с.

53. Рождественский А.В., Ежов А.В., Сахарюк А.В. Оценка точности гидрологических расчетов. Л. : Гидрометеоиздат, 1990. 276с.

54. Рождественский А.В., Чеботарев А. И. Статистические методы в гидрологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 424с.

55. Сарманов О.В. Исследование стационарных марковских процессов методом разложения по собственным функциям //Тр. МИАН. 1961, LX. 239-261.

56. Сарманов О.В., Сармаиов И.О. Основные тины корреляции, применяемые в гидрологии. М.: Наука, 1983. 200с.

57. Сарманов И.О. О корреляции между функциями зависимых случайных величин, имеющих гидрологическое приложение// Проблемы регулировапия ииспользования водных ресурсов. М.: Наука, 1973. 87-103.

58. Сванидзе Г.Г. Математическое моделирование гидрологических рядов. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 296с.

59. Свод правил по проектированию и строительству. Определение основных гидрологических характеристик СП 33-101-2003., 2004 74с.111

60. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики. М.: Наука, 1965. 512с.

61. Смирнов Н.П. Пространственные закономерности многолетних колебаний стока рек ETC.// Водные ресурсы, .№2, М.: Наука, 1973. 25-47.

62. СНИП 2.01.14-83. Определепие расчетных гидрологических характеристик., Москва, 1983.97с.

63. Соколовский Д.Л. Речной сток, 3-е изд. Д.: Гидрометеоиздат, 1968. 539с.

64. Соколовский Д.Л. Методика физической оценки наибольших возможных расходов воды на основе географических параметров формулы максимальпогостока.//Труды ГГИ. Вып. 79. 1960 с. 15-36.

65. Соколовский Д.Л. О потенциальных максимумах стока и методике их определения// Вопросы расчетов и прогнозов речного стока. Л., Труды ЛГИИ,ВЫП.11.1961.С.З-11.

66. Сотникова Л.Ф. К расчету характеристик дождевых паводков путем совместного анализа данных наблюдений по группе рек// Вопросы инженерной гидрологииВып. 180, Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 50-70.

67. Сотникова Л.Ф. Опыт примепепия усеченного гамма-распределения к расчету максимального стока рек.// Проблемы регулирования и использования водныхресурсов. М.: Наука ,1973. 56-85.

68. Сотникова Л.Ф. Совместный анализ наблюдений за максимальным стоком гидрологически однородных бассейнов различных районов СССР // Проблемыизучения и комплексного использования водных ресурсов. М.: Наука, 1978, 45-79.

69. Указания по определению расчетных гидрологических характеристик (СН 435- 72), Л.: гидрометеоиздат, 1972 18с.

70. Фомченков А.К. Пространственно-временная изменчивость стока рек Европы.// Водные ресурсы. 1980. №6.

71. Хальд А. Математическая статистика с техническими приложениями. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1956. 236с..

72. Христофоров А.В. Надежность расчетов речного стока. Издательство Московского Университета, 1993. 168с.

73. Bobbee В. The Log Pearson type 3 distribution and its application in hydrology// Water Res. 1975. vol.11, №5. p.681-689

74. Bobbee В., Rasmussen P, Recent advances in flood frequency analysis.// U.S. National report to IUGG. 1995. Vol. 33. p. 215-219.112

75. Condie R. The Log Pearson type 3 distribution and its asimptotic standart error by maximum likelyhood theory// Water Resources Res. 1977. Vol.13. N6. p.987-991.

76. Embrechts P., Kluppelberg C, Mokosh T. Modeling Extreme Events. Berlin: Springer, 1977.645р.

77. Handbook of Hydrology. Ed. D.R. Maidment.L.:McGraw-Hill, 1992. 507p.

78. Hosking J.R.M. L-moments: analysis and estimation of distributions using linear combinations of order statistics. J.R. Statist. Soc.(1990), 52, № 1, p. 105-124.

79. Gottshalk L. Regional Exceedance Probabilities // Nordic Hydrology, 20, 1989. p. 201-214.

80. Lim Y.H., Lye L. M. Regional flood estimation for unguaged basins in Sarawak, Malaysia// Hydrological Sciences Jomal, №48,2003, p. 79-94.

81. Moon Y., Lall U., Bosworth K. A comparision of tail probability estimators for flood frequency analysis.//J. of Hydrology, №151,1993, p.343-363.

82. Naghettini M., Kenneth W. Potter, Illangasekare T. Estimating the upper tail of flood- peak frequency distributions using hydrometeorological information. // Waterresources research. 1996, vol.32, №6, p. 1729-1740.

83. Nathan P.J.,. McMahon T.A. Identification of homogeneous regions for the purposes of regionalisation// J. of Hydrology, 1990, №121. C.217-238

84. Singh V.P., Guo H. Parameter estimation for 3-parameter generalized pareto distribution by the principle of maximum entropy (POME)// Hydrological SciencesJomal. 1995. № 40. p.165-180.

85. Swain R.E., Bowles D., Ostenaa D. A framework for characterization of extreme floods for dam safety risk assessments// USCOLD Annual Lecture. New York. 1998.P.I 1-23.113