本发明涉及一种适应环境变化需求的工程设计洪水复核方法，尤其涉及一种基于变参数概率分布函数模型和等效风险水平概念的变化环境条件下的工程设计洪水复核方法。
背景技术：
在水利工程运行期间，根据不断积累的实测洪水资料，对工程原有的设计洪水进行复核，是保证工程安全运行的基础工作。目前的设计洪水复核方法应用的前提条件是洪水极值样本系列需满足平稳性假定。然而，由于气候变化及人类活动的影响，洪水极值系列常发生趋势性或跳跃性变异，而不再满足平稳性要求。对于不满足平稳性要求的非平稳性洪水极值系列，若采用现行平稳性框架下的设计洪水复核方法进行设计洪水的复核计算，其结果的可靠性必将受到质疑，将此复核成果应用于实际工程，无疑将增加工程的水文设计风险。
技术实现要素：
为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种适应环境变化需求的工程设计洪水复核方法，克服了目前基于平稳性假定的洪水复核方法无法应用于变化环境下非平稳情景的不足，解决了变化环境下已建工程的设计洪水复核问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种适应环境变化需求的工程设计洪水复核方法，包括如下步骤：
(1)洪水极值样本选取：根据工程设计洪水时采用的洪水极值变量，从历史观测洪水过程中，选取符合要求的洪水极值样本系列；
(2)洪水极值变异性检验：采用常用的趋势性或跳跃性检验方法，对步骤(1)中的洪水极值系列的变异性进行检验，包括变异类型、变异是否显著性；
(3)洪水极值的概率分布描述：根据步骤(2)的变异性检验结果，构建两个以上不同的趋势性或跳跃性的变参数概率分布函数模型，描述变化环境下非平稳性洪水极值变量的统计分布特征；
(4)最优模型选取：基于拟合优度评估指标，评估步骤(3)中构建的不同变参数联合概率分布函数模型对洪水极值系列的拟合效果，并选取拟合最优的模型ft(x)作为最终采用的变参数分布函数模型；
(5)工程的水文设计风险水平计算：根据工程在设计阶段的设计指标，包括工程的设计寿命l和工程的设计标准t，计算工程的水文设计风险水平值rl，
(6)工程的洪水设计值复核调整：假定工程在运行t0年后，系列受环境变化的影响呈减少趋势，采用步骤(4)中最优的变参数分布模型ft(x)对第t0+1年到第l年的极值分布进行描述(附图1)：在第1年到第t0年这一时期，由于工程是在平稳性境下运行，所以，每一年的洪水事件超过设计值xt,s的概率为
根据等效风险水平概念，即，经调整水文设计值后，工程在整个设计周期内面临的风险水平应与当初规划建设时要求的风险水平一致，也即rlns＝rl，
可以求出调整后的洪水设计值xt,ns，也即，采用调整后的设计值xt,ns，可保证已建工程在其整个设计使用寿命期内的风险水平rlns与其在设计规划阶段的风险水平rl相同；
(7)工程的设计洪水过程线调整：根据步骤(2)-(6)，对工程原有的洪峰及不同时段洪量的设计值进行调整，基于工程设计时期选取的典型洪水过程，通过同倍比或同频率放大法进行放大，推求经复核调整后的设计洪水过程。
为了提高复合的准确性，所述步骤(3)中，基于广义加法模型建立概率分布函数中的参数与时间或降雨间的线性/非线性驱动关系，构建变参数概率分布函数模型，模型中的参数采用贝叶斯方法估计。也即，步骤(3)中变参数概率分布函数模型中的参数随着时间或降雨等协变量线性/非线性变化，不是常数。
为了提高复合的准确性，所述步骤(5)-(6)中，采用等效风险水平概念，建立平稳性条件下和非平稳性条件下，工程设计标准和水文设计风险水平之间的联系。
上述步骤(1)中洪水极值变量包括洪峰、3日洪量和5日洪量等。步骤(2)中变异类型为趋势变异和跳跃变异。步骤(4)中拟合优度评估指标包括aic和bic等。
进一步，上述适应环境变化需求的工程设计洪水复核方法，包括如下步骤：
(1)根据工程设计时期关注的洪水极值变量从历史观测期的n年实际洪水过程，按照最大值选样原理，选取年最大洪水极值样本系列；
上述洪水极值变量为洪峰、3日洪量、5日洪量等；
(2)采用线性相关系数法和mann–kendall对步骤(1)中的洪水极值系列进行趋势性检验；
(3)采用pettitt检验法和滑动秩和检验法对步骤(1)中的洪水极值系列进行跳跃性检验；
(4)进一步分析步骤(2)-(3)的检验结果，若检验出系列同时发生趋势性和跳跃性变异，则采用效率系数法，并结合流域的实际调查，确定最终的变异类型；
上述实际调查为工程建设、下垫面等要素的改变；
(5)根据步骤(4)的最终变异性诊断结果，基于广义加法模型，建立分布函数中的参数θ与时间t或降雨p因子间的线性/非线性驱动关系，如θt＝f(t,p)，进而构建描述极值系列变异特征的变参数概率分布函数模型，在趋势性模型中，参数随着协变量连续变化，在跳跃性模型中，变异点前后，采用不同的驱动关系，构建两个以上不同的变参数概率分布函数模型，模型中的参数采用贝叶斯理论并结合mcmc抽样方法进行估计；
(6)采用aic、bic和worm图拟合优度评估指标，评估步骤(5)中构建的不同变参数联合概率分布函数模型对洪水极值系列的拟合效果，并选取拟合最优的模型ft(x)作为最终采用的分布函数模型；
(7)根据工程的设计参数，包括工程的设计寿命l和工程的设计标准t，计算工程的水文设计风险水平值rl，
(8)根据步骤(6)中构建的最优变参数概率分布函数模型ft(x)，计算在考虑环境变化影响下，整个工程在l年设计使用年限内的设计风险水平值rlns：
(9)根据等效风险水平概念，即经调整水文设计值后，工程在整个设计周期内具有的风险水平与当初规划建设时要求的风险水平一致，可得下式等式，
(10)通过数值求解步骤(9)中的等式，计算经复核调整后的设计值xt,ns；
(11)重复上述步骤(2)-(10)，对工程原有的洪峰及不同时段洪量的设计值进行调整，获得经复核调整后的洪峰及不同时段洪量的设计值；
(12)根据工程设计时期的典型洪水过程及典型洪水的放大方法，对步骤(11)中获得的调整后的洪峰、时段洪量进行放大，获得经复核调整后的工程设计洪水过程。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明适应环境变化需求的工程设计洪水复核方法，克服了目前基于平稳性假定的洪水复核方法无法应用于变化环境下非平稳情景的不足，解决了变化环境下已建工程的设计洪水复核问题。在变化环境下的工程水文计算领域，具有较好地应用前景。
附图说明
图1为已建工程设计洪水复核示意图；
图中：l是工程的设计寿命，xt,s是工程原有洪水设计值，xt,ns是经复核调整后的洪水设计值，qi,i＝1,2,…,l是不超过设计值xt,s或xt,ns的概率值，pi,i＝1,2,…,l是超过设计值xt,s或xt,ns的概率值，t0是分割点，在t0之前时期，洪水极值系列平稳，在t0之后时期，洪水极值系列非平稳。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种适应环境变化需求的工程设计洪水复核方法，包括如下步骤：
(1)根据工程设计时期关注的洪水极值变量(如洪峰、3日洪量、5日洪量等)，从历史观测期的n年实际洪水过程，按照最大值选样原理，选取年最大洪水极值样本系列(如洪峰、年最大3日洪量、年最大5日洪量等)；
(2)采用线性相关系数法和mann–kendall对步骤(1)中的洪水极值系列进行趋势性检验；
(3)采用pettitt检验法和滑动秩和检验法对步骤(1)中的洪水极值系列进行跳跃性检验；
(4)进一步分析步骤(2)-(3)的检验结果，若检验出系列同时发生趋势性和跳跃性变异，则采用效率系数法，并结合流域的实际调查(如工程建设、下垫面等要素的改变)，确定最终的变异类型；
(5)根据步骤(4)的最终变异性诊断结果，基于广义加法模型，建立分布函数中的参数θ与时间t或降雨p因子间的线性/非线性驱动关系，如θt＝f(t,p)，进而构建描述极值系列变异特征的变参数概率分布函数模型。在趋势性模型中，参数随着协变量连续变化，在跳跃性模型中，变异点前后，采用不同的驱动关系。构建多个不同的变参数概率分布函数模型，模型中的参数采用贝叶斯理论并结合mcmc抽样方法进行估计；
(6)采用aic、bic和worm图等拟合优度评估指标，评估步骤(5)中构建的不同变参数联合概率分布函数模型对洪水极值系列的拟合效果，并选取拟合最优的模型ft(x)作为最终采用的分布函数模型；
(7)根据工程的设计参数，包括工程的设计寿命l和工程的设计标准t，计算工程的水文设计风险水平值rl，
(8)根据步骤(6)中构建的最优变参数概率分布函数模型ft(x)，计算在考虑环境变化影响下，整个工程在l年设计使用年限内的设计风险水平值rlns(附图1)：
(9)根据等效风险水平概念，即经调整水文设计值后，工程在整个设计周期内具有的风险水平与当初规划建设时要求的风险水平一致，可得下式等式，
(10)通过数值求解步骤(9)中的等式，计算经复核调整后的设计值xt,ns；
(11)重复上述步骤(2)-(10)，对工程原有的洪峰及不同时段洪量的设计值进行调整，获得经复核调整后的洪峰及不同时段洪量的设计值；
(12)根据工程设计时期的典型洪水过程及典型洪水的放大方法，对步骤(11)中获得的调整后的洪峰、时段洪量进行放大，获得经复核调整后的工程设计洪水过程。
本发明适应环境变化需求的工程设计洪水复核方法，克服了目前基于平稳性假定的洪水复核方法无法应用于变化环境下非平稳情景的不足，解决了变化环境下已建工程的设计洪水复核问题；在变化环境下的工程水文计算领域，具有较好地应用前景。
上例基于变参数概率分布函数模型和等效风险水平概念，提出了一种适应环境变化需求的工程设计洪水复核方法，解决了变化环境下已建工程的设计洪水复核及安全性评估问题。