[科普中國(guó)]-最高水位頻率

最高水位頻率是指河水高水位相應(yīng)出現(xiàn)的幾率。為防比洪水對(duì)取水工程及洪泛區(qū)內(nèi)構(gòu)筑物造成危害，根據(jù)水文資料推算工程所在位置的高水位及其各年間的變動(dòng)，直接關(guān)系到構(gòu)筑物的安全。它是根據(jù)工程的重要程度及高水位對(duì)工程的危害程度擇定的。是工程設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)之一。

簡(jiǎn)介我國(guó)海岸線曲折綿長(zhǎng)。是世界上海洋災(zāi)害最為嚴(yán)重的少數(shù)國(guó)家之一，其中風(fēng)暴潮災(zāi)害頻繁，是影響我國(guó)沿海地區(qū)最為嚴(yán)重的海洋災(zāi)害。福建省是我國(guó)風(fēng)暴潮災(zāi)害較多的省份，風(fēng)暴潮災(zāi)害在一定程度上成為制約福建省濱江臨海地區(qū)經(jīng)濟(jì)持續(xù)、穩(wěn)定、健康發(fā)展的因素之一。對(duì)于風(fēng)暴潮引起的極端水位的預(yù)測(cè)對(duì)于工程建設(shè)及海岸防護(hù)有著極其重要的作用。工程設(shè)計(jì)中對(duì)于堤防和洪水位有著不同的標(biāo)準(zhǔn)。最為常用的是100年一遇的極端高水位．在一些重要的大型城市的重現(xiàn)期要求更高，有的達(dá)到200年甚至更高的1000年一遇。如果計(jì)算中低估了極端高水位值將危及到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。在擁有長(zhǎng)期水位數(shù)據(jù)的情況下，頻率分析方法以其計(jì)算快捷和易驗(yàn)證的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于極端水位的估計(jì)，以Gumbel，Lognormal和Weibull為代表的頻率分析方法在不同站點(diǎn)都有過(guò)成功的應(yīng)用，而現(xiàn)有的頻率分析方法可能還缺少在福建沿海的系統(tǒng)比較1。

頻率分析方法對(duì)于百年一遇的極端高水位的計(jì)算分析方法是利用已有站點(diǎn)的長(zhǎng)期年最高值水位，選用合適的概率分布函數(shù)進(jìn)行頻率分析推求不同重現(xiàn)期的極端高水位。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)記載，相關(guān)研究者從1914年開始使用適線法進(jìn)行水文資料的頻率分析。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算量?。容^容易通過(guò)已有的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，因而在我國(guó)沿海地帶被大量采用。在有長(zhǎng)期數(shù)據(jù)的情況下，這種分析方法常被使用。

在我國(guó)東南沿海地區(qū)主要以Gumbel和Weibull模型為主，然而在已有研究中還缺少在福建海岸帶對(duì)這幾種方法的系統(tǒng)比較，因此就各種頻率分析方法的選擇比較以及進(jìn)一步研究有著重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值2。

頻率分析計(jì)算方法1.方法介紹

Sobey等人于2005年在美國(guó)太平洋海岸帶的極端水位研究中發(fā)現(xiàn)Lognorma和Weibull模型在極端水位估計(jì)中表現(xiàn)的較好，而Frechet模型則表現(xiàn)較差。在我國(guó)對(duì)于極端高水位的分析當(dāng)中，Gumbel方法被廣泛采用，也取得了很多成功的應(yīng)用。

福建省沙埕站作為福建海岸帶的代表站點(diǎn)，其年極值水位數(shù)據(jù)用于此次研究中來(lái)比較各種方法的表現(xiàn)。按照各種方法的應(yīng)用程序，將各種方法應(yīng)用于沙埕站點(diǎn)的年最高水位數(shù)據(jù)系列，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為50年。

2.參數(shù)估計(jì)方法

對(duì)于Weibull、Lognormal、Gumbe1分布模型的參數(shù)估計(jì)選用最大似然估計(jì)(MLE)。因?yàn)樗ǔＥc其他方法相比無(wú)偏性更好，更加穩(wěn)定并且精度高。最大似然法的基本思想是，尋找估計(jì)值使這個(gè)采樣的“可能性”最大化。由于對(duì)數(shù)是單調(diào)函數(shù)，這相當(dāng)于對(duì)數(shù)最大化的可能性。

這些方法的另一主要區(qū)別在于對(duì)高端水位的擬合。最大的估計(jì)誤差出現(xiàn)在對(duì)最高歷史水位的預(yù)測(cè)上。對(duì)于沙埕站，回歸年為51年的最高歷史觀測(cè)水位是1.91m，而由Lognormal、Gumbel和Weibull模型的估計(jì)值分別為1.70m、1.64m和1.39m。

Lognormal相對(duì)于Gumbel略好，但是如果分別用這些方法推求100年，200年和1000年一遇的高水位那么差別會(huì)更大，其中在200年和1000年一遇的極端水位估計(jì)中，Lognormal模型會(huì)比Gumbel模型分別低估0.08m和0.13m。

從各種方法與實(shí)測(cè)值的比較中可以看到，Log—normal方法是表現(xiàn)最好的，與實(shí)測(cè)值相比擁有最大的相關(guān)性和最小的均方根誤差，對(duì)歷史最高值最小的估計(jì)誤差，相對(duì)于其他傳統(tǒng)方法更安全?？梢酝扑]為研究地點(diǎn)的頻率分析方法2。

總結(jié)福建省是我國(guó)遭受臺(tái)風(fēng)影響較嚴(yán)重的省份，對(duì)于風(fēng)暴潮位的重現(xiàn)期的研究對(duì)評(píng)價(jià)海塘防御能力具有重要的意義。

1．通過(guò)模型適線與兩個(gè)研究站點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比較，Lognormal方法在對(duì)極端水位估計(jì)中，其表現(xiàn)優(yōu)于其他方法，具有最好的相關(guān)系數(shù)和最小的均方根差，同時(shí)對(duì)歷史最高水位的估計(jì)中擁有最小的絕對(duì)誤差。

2．各種方法對(duì)歷史年最高水位數(shù)據(jù)的高端水位的估計(jì)中偏低，這有可能會(huì)帶來(lái)對(duì)極端水位的偏低估計(jì)，因此在這一點(diǎn)上，Lognormal方法是相對(duì)其他方法偏安全的，得出的結(jié)論對(duì)工程應(yīng)用也有實(shí)際的借鑒價(jià)值3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)