本發(fā)明涉及水庫供水安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究領(lǐng)域，具體涉及一種基于入庫流量和水質(zhì)聯(lián)合概率分析的水庫供水安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，為水庫的綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。
背景技術(shù)：
：水庫作為具有供水、灌概等多種功能的水體，與人類生產(chǎn)與生活息息相關(guān)，長期以來水庫水質(zhì)和水量變化趨勢(shì)和規(guī)律研究受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。由于水庫受人類活動(dòng)影響較大，污染來源廣、途徑多、種類復(fù)雜，水庫的水質(zhì)、水量狀況直接關(guān)系到整個(gè)城市的供水安全。水庫供水安全風(fēng)險(xiǎn)是指水庫水質(zhì)、水量低于一定標(biāo)準(zhǔn)的概率。使用合理的水庫供水安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)城市供水安全有著極其重要的意義。目前水庫供水安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要是對(duì)水庫或入庫支流的水量或水質(zhì)單一指標(biāo)分別進(jìn)行控制，沒有考慮水量、水質(zhì)多變量共同作用對(duì)水庫供水安全的影響。如針對(duì)水量的供水安全評(píng)估，裴金萍和馬新萍[1]采用Kendall秩相關(guān)系數(shù)、R/S方法分析了渭河干流中游的四季徑流變化趨勢(shì)；蘇賀等[2]運(yùn)用累計(jì)距平法和Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法分析1954年到2009年間溫家川水文站以上窟野河流域降雨與徑流的變化特征，并通過徑流與降雨趨勢(shì)變化的比較，推斷人類工程活動(dòng)的影響是引發(fā)徑流趨勢(shì)變化的主要原因；Bae等[3]利用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法和回歸分析法探究韓國境內(nèi)徑流與降雨在年尺度、季尺度與月尺度的趨勢(shì)變化規(guī)律，并以此為區(qū)域防洪防旱提供指導(dǎo)和建議。同樣針對(duì)水質(zhì)供水安全的分析方法應(yīng)用也十分普遍，如Boyacioglu[4]基于包括硝態(tài)氮、硫酸鹽、Na+等水化學(xué)參數(shù)的多維數(shù)據(jù)資料，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法和斜率估計(jì)法對(duì)土耳其Tahtali河流域的水質(zhì)變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析；吳濤等[5]采用Danid趨勢(shì)檢驗(yàn)衡量黃河徐州市區(qū)段2004年到2008年其間水質(zhì)污染變化趨勢(shì)的顯著性；李彥平等[6]選取運(yùn)城境內(nèi)汾河和沫水河的3個(gè)重要斷面為研究區(qū)，以CODCr指標(biāo)作為研究參數(shù)，運(yùn)用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法對(duì)其2002年到2008年的變化趨勢(shì)進(jìn)行了定量分析，并據(jù)此對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的改善提出建議。綜上所述，目前水庫供水安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究多是針對(duì)水量或水質(zhì)單一指標(biāo)分別進(jìn)行控制，綜合考慮水量、水質(zhì)多變量共同作用對(duì)水庫供水安全影響的研究較少。目前基于多變量聯(lián)合分布的概率分析方法目前在多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用。如陳子燊等[7]構(gòu)建了不同區(qū)域最高增水高度和相應(yīng)風(fēng)速之間聯(lián)合概率分布模型，用于海域歷年最高增水高度與相應(yīng)風(fēng)速的遭遇研究和臺(tái)風(fēng)浪與風(fēng)暴增水值的模擬，并以此用于指導(dǎo)海洋工程設(shè)計(jì)工作；在環(huán)境方面，Wang等[8]對(duì)不同水質(zhì)指標(biāo)建立多維聯(lián)合概率分布，用以進(jìn)行超標(biāo)組合風(fēng)險(xiǎn)定量分析和相關(guān)性分析；張翔等[9]對(duì)淮河水質(zhì)與水量建立聯(lián)合概率分布，并應(yīng)用于水量水質(zhì)綜合管理之中。綜上所述，雖然多變量的聯(lián)合分布概率分析方法已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用并取得了較好的成果，但目前并沒有將其用于評(píng)估水庫的供水安全風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述，由于入庫支流的水量水質(zhì)變化情況對(duì)水庫的供水安全至關(guān)重要，因此本專利以入庫支流作為研究對(duì)象。依據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，同時(shí)考慮入庫河流流量與水質(zhì)共同作用對(duì)水庫供水安全風(fēng)險(xiǎn)的影響。此外，如何在水庫供水安全目標(biāo)下，給出入庫流量和水質(zhì)的聯(lián)合概率分布區(qū)間，直接服務(wù)于區(qū)域水資源保護(hù)和管理決策，雖然是水資源和水環(huán)境科學(xué)管理的趨勢(shì)，但當(dāng)前的研究還尚未涉及。本發(fā)明涉及的參考文獻(xiàn)如下：[1]裴金萍，馬新萍.近50年來渭河干流中段徑流變化特征研究.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2013，31(6)：214-219.[2]蘇賀，康衛(wèi)東，曹珍珍，朱亮.1954—2009年窟野河流域降水與徑流變化趨勢(shì)分析.地下水，2013，35(6)：14-17.[3]BaeD.H.,JungI.W.,ChangH.Long-termtrendofprecipitationandrunoffinKoreanriverbasins.HydrologicalProcesses,2008,22(14):2644-2656.[4]BoyaciogluH.,BoyaciogluH.WaterpollutionsourcesassessmentbymultivariatestatisticalmethodsintheTahtaliBasin,Turkey.EnvironmentalGeology,2008,54(2):275-282.[5]吳濤等.故黃河徐州市區(qū)段水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及污染變化趨勢(shì)分析.中國資源綜合利用，2009，27(12)：24-26.[6]李彥平等.汾河和諫水河運(yùn)城境內(nèi)水質(zhì)環(huán)境指標(biāo)變化趨勢(shì)分析及對(duì)策.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2010，30：160-162.[7]陳子燊等.基于Copula函數(shù)的海岸增水高度與相應(yīng)風(fēng)速的遭遇概率分析，海洋學(xué)報(bào)，2012，34(6)：11-18.[8]WangY.K.,MaH.Q.,ShengD.,WangD.AssessingtheinteractionsbetweenchlorophyllaandenvironmentalvariablesusingCopulamethod.JournalofHydrologicEngineering,2012,17(4):495-506.[9]張翔等.基于Copula函數(shù)的水量水質(zhì)聯(lián)合分布函數(shù).水利學(xué)報(bào)，2011，42(4)：483-189.技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：以往的水庫供水管理僅對(duì)水量或水質(zhì)單一指標(biāo)進(jìn)行控制，未能考慮多變量共同作用下，如入庫流量和水質(zhì)的聯(lián)合概率分布區(qū)間對(duì)水庫水資源的影響，從而不能合理地評(píng)估供水安全風(fēng)險(xiǎn)和入庫流量、水質(zhì)之間關(guān)聯(lián)，影響了決策的有效性；同時(shí)由于入庫的水量水質(zhì)變化情況對(duì)水庫的供水安全起到至關(guān)重要的作用，因此本發(fā)明提出一種基于入庫流量和水質(zhì)聯(lián)合概率分析方法，以入庫支流作為關(guān)注對(duì)象，在保證水庫一定供水安全(即保證水庫一定水質(zhì)水量)的目標(biāo)下，確定入庫水質(zhì)水量典型季節(jié)不利情景發(fā)生的概率，實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫供水安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為解決水庫水資源水環(huán)境問題提供科學(xué)依據(jù)。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于入庫流量和水質(zhì)聯(lián)合概率分析的水庫供水安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，其特征在于包括以下步驟：S1，獲取入庫流量以及水質(zhì)的多年數(shù)據(jù)，利用Mann-Kendall模型分別對(duì)水質(zhì)、水量指標(biāo)進(jìn)行趨勢(shì)分析，確定水庫入庫的主要污染物質(zhì)以及水量變化的典型季節(jié)；S2，采用FrankCopula模型確定入庫水質(zhì)水量聯(lián)合概率函數(shù)；S3，依據(jù)地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及水庫供水量等參數(shù)對(duì)入庫各斷面水質(zhì)、水量進(jìn)行情景設(shè)置，利用所建立的入庫水質(zhì)水量聯(lián)合概率函數(shù)，利用聯(lián)合概率函數(shù)計(jì)算典型季節(jié)不利情景發(fā)生概率，據(jù)此劃分水庫供水安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫供水安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。其中步驟S2利用Copula模型確定入庫水質(zhì)水量聯(lián)合概率函數(shù)，確定入庫水質(zhì)水量變化趨勢(shì)及概率，包括以下步驟：S21，采用皮爾遜Ⅲ(P–Ⅲ)型分布曲線，確定入庫流量邊緣概率；S22，對(duì)比正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、韋伯分布、伽瑪分布四種分布類型，并進(jìn)行擬合度優(yōu)度評(píng)價(jià)，選出適合入庫水質(zhì)的概率分布類型。S23，根據(jù)入庫水質(zhì)水量邊緣概率，采用FrankCopula模型確定入庫水質(zhì)水量聯(lián)合概率函數(shù)。其中步驟S3，依據(jù)地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及水庫供水量等參數(shù)對(duì)入庫各斷面水質(zhì)、水量進(jìn)行情景設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，包括以下步驟：S31，依據(jù)地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(五類)標(biāo)準(zhǔn)限值設(shè)置入庫斷面水質(zhì)情景；依據(jù)水庫的供水量、蒸發(fā)量和降雨量設(shè)置入庫斷面水量情景；S32，利用已建立的入庫水質(zhì)水量聯(lián)合概率函數(shù)，計(jì)算典型季節(jié)不利情景的發(fā)生概率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫供水安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。為掌握水庫水質(zhì)水量的變化，了解入庫各支流的水量水質(zhì)變化情況至關(guān)重要。本發(fā)明采用Copula聯(lián)合概率模型，計(jì)算典型季節(jié)不利情景發(fā)生的概率，為水庫的水質(zhì)保護(hù)與管理提供建議。附圖說明圖1是本發(fā)明基于入庫流量和水質(zhì)聯(lián)合概率分析的水庫供水安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法；圖2是本發(fā)明基于入庫流量和水質(zhì)聯(lián)合概率分析的水庫供水安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的具體評(píng)估流程圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合圖1，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。圖1是本發(fā)明進(jìn)行基于入庫流量和水質(zhì)聯(lián)合概率分析的水庫供水安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的流程圖。如圖1所示，本發(fā)明包括以下步驟：S1，獲取入庫流量以及水質(zhì)的多年數(shù)據(jù)，利用Mann-Kendall模型分別對(duì)水質(zhì)水量指標(biāo)進(jìn)行趨勢(shì)分析，確定水庫入庫的主要污染物質(zhì)以及水量變化的典型季節(jié)。根據(jù)所獲取的多年入庫河流的流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行水庫入庫流量和水質(zhì)的變化分析。采用Mann-Kendall方法對(duì)水庫上游入庫支流多年的實(shí)測(cè)流量水質(zhì)資料進(jìn)行月尺度與季尺度的趨勢(shì)分析。根據(jù)入庫水量趨勢(shì)變化結(jié)果確定水量變化的典型季節(jié)，根據(jù)水質(zhì)趨勢(shì)變化結(jié)果尋找對(duì)水質(zhì)降低貢獻(xiàn)較大的水質(zhì)指標(biāo)，將其作為該水庫主要污染物質(zhì)。S2，采用Copula模型確定入庫水質(zhì)水量聯(lián)合概率函數(shù)，確定水質(zhì)變化趨勢(shì)及概率。S21，入庫流量邊緣概率分布的確定。入庫流量概率分布的選擇采用P-Ⅲ型分布曲線。采用矩法初步估計(jì)入庫支流流量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)：Cy、Cs，采用適線法進(jìn)行調(diào)整確定最終的分布曲線的參數(shù)。皮爾遜Ⅲ：式中，α、β和b分別表示分布的形狀、尺度和位置參數(shù)，其中α，β≥0，-∞＜b＜+∞；Γ(α)為伽瑪函數(shù)。S22，入庫水質(zhì)邊緣概率分布的確定。入庫水質(zhì)概率分布的選擇是通過對(duì)比正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、韋伯分布、伽瑪分布四種分布類型進(jìn)行比較分析，并進(jìn)行擬合度優(yōu)度評(píng)價(jià)，最終選出適合入庫水質(zhì)的概率分布類型。四種概率分布函數(shù)如下：(1)正態(tài)分布：式中，μ為隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望，σ為隨機(jī)變量的標(biāo)準(zhǔn)差。(2)對(duì)數(shù)正態(tài)分布：式中，μ與σ分別為隨機(jī)變量x的對(duì)數(shù)均值與對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。(3)韋伯分布：式中，k與λ分別為比例參數(shù)與形狀參數(shù)。(4)伽瑪分布：式中，α、β分別表示分布的形狀、尺度，其中α，β≥0；Γ(α)為伽瑪函數(shù)。S23，入庫水質(zhì)水量的聯(lián)合概率分布函數(shù)的確定。選擇FrankCopula函數(shù)作為計(jì)算入庫流量與水質(zhì)的聯(lián)合概率分布的Copula函數(shù)。采用相關(guān)性指標(biāo)法進(jìn)行FrankCopula的參數(shù)估計(jì)，按下式求解得到FrankCopula的參數(shù)，確定入庫河流的流量與水質(zhì)的聯(lián)合概率分布函數(shù)。FrankCopula函數(shù)：式中，C(u1，u2)為二維Copula函數(shù)，u1,u2為邊緣概率分布，即u1＝F1(X1)，u2＝F2(X2)，θ為Copula函數(shù)的參數(shù)。S3，對(duì)入庫流量與水質(zhì)的情景進(jìn)行設(shè)置，并采用聯(lián)合概率函數(shù)計(jì)算發(fā)生不利情景的概率，并劃分水庫供水安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫供水安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。S31，情景設(shè)置。(1)水質(zhì)情景設(shè)置依據(jù)地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)對(duì)入庫各斷面水質(zhì)情景進(jìn)行設(shè)置，以N、P為例進(jìn)行情景設(shè)置(參見表1)。表1水質(zhì)情景設(shè)置(部分)(2)水量情景設(shè)置依據(jù)S1中確定的典型季節(jié)，利用該季節(jié)的月平均供水量、月平均蒸發(fā)量、月平均降雨量計(jì)算該季節(jié)的斷面水量標(biāo)準(zhǔn)值(參見下式)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)典型季節(jié)的水量情景進(jìn)行設(shè)置(參見表2)。B＝(G+Z-J)/(K*N)式中：B為季節(jié)性水量標(biāo)準(zhǔn)值m3/s；G月平均供水量m3；Z月平均蒸發(fā)量m3；J月平均降雨量m3；K為轉(zhuǎn)換系數(shù)2.59*106；N為入庫支流數(shù)量。表2水量情景設(shè)置S32，水質(zhì)水量聯(lián)合概率分析。將S31各情景組合分為有利情景、中等情景、不利情景。其中有利情景認(rèn)為是水質(zhì)類別屬于Ⅰ類或Ⅱ類水(C1、C2)，同時(shí)流量屬于中高流量或高流量(Q4、Q5)；不利情況認(rèn)為是水質(zhì)類別屬于Ⅳ類或Ⅴ類水(C4、C5)，同時(shí)流量屬于次低流量之下(Q1、Q2)；其它組合情況則認(rèn)為是中等狀況。利用S2建立的流量與水質(zhì)的聯(lián)合分布函數(shù)，計(jì)算三種組合狀況(有利、中等和不利)的發(fā)生概率值，并依據(jù)本發(fā)明對(duì)水庫供水安全風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別的劃定(參見表3)，判斷水庫供水安全的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別(五級(jí))。表3水庫供水安全風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別劃分有利情景發(fā)生概率大于70％大于70％大于50％大于50％小于50％不利情景發(fā)生概率小于15％大于15％小于25％大于25％——風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別ⅤⅣⅢⅡⅠ綜上，本發(fā)明為合理地評(píng)估水庫供水安全風(fēng)險(xiǎn)和流量、水質(zhì)之間關(guān)聯(lián)，提出通過Coupla函數(shù)構(gòu)建入庫流量水質(zhì)聯(lián)合概率函數(shù)，并對(duì)入庫流量與水質(zhì)不同情景組合的聯(lián)合概率進(jìn)行計(jì)算分析，確定典型季節(jié)不利情景的發(fā)生概率，實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫的供水安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為解決水庫供水安全這個(gè)全球性的水環(huán)境問題提供科學(xué)依據(jù)。當(dāng)前第1頁1 2 3