[水文]重現(xiàn)期簡介

中文名稱

[水文]重現(xiàn)期

英文名稱

recurrence interval;return period

定　　義

指某水文變量X大于或等于一定數(shù)值Xm(即X≥Xm)在很長時期內(nèi)平均多少年出現(xiàn)一次。

應(yīng)用學(xué)科

水利科技（一級學(xué)科），水文、水資源（二級學(xué)科），應(yīng)用水文學(xué)（水利）（三級學(xué)科）

指某水文變量的取值 (x≥xm）在很長時期內(nèi)平均多少年出現(xiàn)一次。重現(xiàn)期（T）與頻率(P）的關(guān)系對下列兩種情況有不同的表示方法：①當(dāng)研究防洪治澇的暴雨、洪水時，采用設(shè)計頻率P<50%，則T=1/P（年）。例如，當(dāng)P=1%時，得T=100年，稱為百年一遇的暴雨或洪水。②當(dāng)考慮興利或枯水問題時，采用設(shè)計頻率P>50%，則T=1/（1-P）（年）。例如，當(dāng)灌溉的設(shè)計頻率P=80%時，得T=5年，稱為5年一遇的枯水。象暴雨或洪水那樣的水文現(xiàn)象并無固定的周期，所謂百年一遇是指大于或等于這樣的洪水在很長時期內(nèi)平均每百年出現(xiàn)一次，而不能理解為恰好每隔百年出現(xiàn)一次。對于具體的 100年來說，超過這種洪水可能不止一次，也可能一次都不出現(xiàn)，而只是說明長時期內(nèi)平均每年出現(xiàn)的可能性為1%。

重現(xiàn)期已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工程規(guī)劃、設(shè)計、運行和管理中，而在水文頻率分析計算中，重現(xiàn)期的計算一直以一致性為基礎(chǔ)。近百年來，氣候變化和人類活動已經(jīng)引起全球環(huán)境發(fā)生了十分劇烈的變化，而這種劇烈變化導(dǎo)致的水文情勢演變顛覆了工程水文頻率分析計算的一致性前提。Milly等 也在《Science》雜志上指出，在氣候變化和人類活動的影響下，基于一致性假設(shè)的水文概率分布估計理論和方法已經(jīng)無法幫助人們正確揭示變化環(huán)境下水資源和洪水演變的長期規(guī)律，若繼續(xù)采用現(xiàn)有的工程水文分析方法制定流域開發(fā)利用工程方案、防洪和抗旱工程的運行調(diào)度方案等，將面臨由變化環(huán)境帶來的風(fēng)險。因此，如何建立變化環(huán)境引起的非一致性條件下重現(xiàn)期的計算方法對評估風(fēng)險和工程風(fēng)險管理具有十分重要的理論與實際意義。本文將從重現(xiàn)期的定義出發(fā)，在總結(jié)一致性條件下重現(xiàn)期計算方法的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出非一致性條件下的重現(xiàn)期計算公式，并指出非一致性條件下重現(xiàn)期計算面臨的主要問題。

水文要素重現(xiàn)期的定義

重現(xiàn)期通常有兩種定義。第一種定義為：隨機(jī)試驗中，發(fā)生在第一次遇到某一關(guān)注事件（D≥D₀，D₀為一個臨界值或設(shè)計值）之前平均隨機(jī)試驗次數(shù)；例如，若D₀為某一設(shè)計洪峰值，若在某工程運行之前已發(fā)生過大于D₀洪水事件，且距運行時刻為有限的τ（τ=0,1，…）個時段，那么工程開始運行后，第一次將會遇到大于這一設(shè)計洪峰所需要的平均時段數(shù)N（即為重現(xiàn)期）。第二種定義為：某一關(guān)注事件（D≥D₀）相繼發(fā)生之間的平均時段數(shù)W。以上兩種定義可用圖1進(jìn)一步說明。第二種定義中關(guān)注的是隨機(jī)事件（D≥D₀）的平均重現(xiàn)間隔時間，即該事件平均間隔多少時間出現(xiàn)一次，也是通常所說的多少時間遇到一次，而第一種定義中強(qiáng)調(diào)工程第一次遭遇該隨機(jī)事件（D≥D₀）需要的時段數(shù)。若在工程剛開始運行時刻發(fā)生了隨機(jī)事件（D≥D₀）即τ=0（見圖1），此時隨機(jī)變量N與隨機(jī)變量W取值相同，則第一種定義與第二種定義所表達(dá)的重現(xiàn)期大小相同。由于水文頻率分析計算中，采樣方法通常采用某一個時段內(nèi)最大值，樣本獨立性較容易滿足，故本文主要研究在一致性與非一致性條件下的重現(xiàn)期計算問題。

水文要素一致性條件下重現(xiàn)期的計算方法

根據(jù)重現(xiàn)期的第一種定義，其重現(xiàn)期的計算可采用以下公式：

水文要素研究結(jié)論

由于氣候變化和人類活動影響的加強(qiáng)，傳統(tǒng)水文頻率分析計算中的一致性遭到破壞，使得以一致性為基礎(chǔ)的重現(xiàn)期計算公式不再適用，而非一致性的水文頻率分析計算中對重現(xiàn)期的計算還未引起足夠的重視。本文在介紹了重現(xiàn)期兩種不同定義的前提下，總結(jié)和推導(dǎo)了一致性和非一致性條件下重現(xiàn)期的計算方法，并以廣東省龍川站1956~2009年的年最大洪峰系列資料為例，對比分析了各個不同條件下的重現(xiàn)期計算問題。

（1）由于龍川站年最大洪峰系列樣本存在顯著性的下降趨勢，若假定序列仍滿足一致性，計算所得到不同定義下的重現(xiàn)期均大于考慮了下降趨勢性的非一致性條件下重現(xiàn)期。

（2）重現(xiàn)期存在兩種不同的定義，第一種定義下的重現(xiàn)期由于是考慮了已經(jīng)過去τ時段內(nèi)尚未發(fā)生某一特定的隨機(jī)事件，所以計算剩下時段內(nèi)發(fā)生該事件的可能性增加，重現(xiàn)期則減??；而由于實例中所采用的龍川站洪峰系列具有下降趨勢，非一致性條件下重現(xiàn)期遠(yuǎn)大于一致性條件下的重現(xiàn)期。

（3）盡管基于時變矩的水文頻率分析法考慮了洪峰系列的非一致性，且以時間為變量，但由于洪峰系列不可能無窮的保持某一固定下降趨勢，所以不能求算以后相當(dāng)時段內(nèi)洪峰事件發(fā)生的頻率，所以非一致性重現(xiàn)期計算公式中i的取值不能趨近于無窮大。這也是基于時變矩的非一致性水文頻率分析法中面臨的主要問題，即用時間作為變量去擬合均值和方差變化趨勢時，將時間變量在外延時將會發(fā)生與實際不符合的情況如，下降趨勢可導(dǎo)致參數(shù)為負(fù)值，而上升趨勢則可使得參數(shù)趨于無窮，因此，用此法計算非一致性條件下重現(xiàn)期時，計算結(jié)果會有所偏差，還需研究出更合理的非一致性水文頻率分析計算方法，這也是水文頻率分析與計算領(lǐng)域中面臨的主要挑戰(zhàn)。 2100433B

頻率和重現(xiàn)期：用來表示某種洪水、暴雨或水位可能出現(xiàn)的機(jī)遇，叫做“頻率”。頻率以百分?jǐn)?shù)表示，重現(xiàn)期一般以年表示。

如在某一條河流上，發(fā)生7000立方米/秒的洪峰流量在50年中可能出現(xiàn)一次，則其頻率為2%，其重現(xiàn)期為50年。又稱為50年一遇的洪水。頻率是根據(jù)某一個地方多年觀測的成果，然后計算出來的。2100433B