热带气旋影响下风雨联合概率模型构建及防洪优化调度研究--以广西钦州市为例

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全球气候变化导致局地气候条件剧烈变化,滨海城市因其独特地理位置,受热带气旋(Tropical Cyclone,TC)及其次生灾害影响巨大。在此前提下细致分析TC活动特征,能够对TC降雨进行有效预测,并在滨海城市中小入海河流构建TC影响下流域防洪优化调度模型,最大限度利用已有水利工程,弥补滨海城市防洪能力短板,是值得深入研究的现实问题。文章以广西滨海城市——钦州市为例,首先深入分析影响北部湾TC(Totally TC,TTC)活动特征,掌握其活动变化及未来趋势;其次构建引起钦州降雨的TC(Tropical cyclone-Induced Rainfalls,RTC)风雨联合概率分布模型,分析风雨联合同现重现期;最后以钦江青年水闸以上流域具有防能力的水库为研究对象,选择不同风雨联合同现重现期且对钦州市极具破坏力的TC,构建其影响下的水库群联合防洪优化调度,探究水库群的防洪能力,以期为后续的更加完善的复杂的防洪系统提供科学依据。  根据1956-2016年302场TTC最佳路径,提取TC频次、源地位置、强度、TC(北部湾)最大风速与最大平均风速、登陆位置及风速、初旋、终旋、活动轨迹共10组关键指标,结合Nino3.4/4区SST、ENSO、PDO、WP资料,分析其与TC指标间的内在联系及年月迹活动规律,构建北部湾TC影响区详细的气候学模型。Pearson相关分析表明,Nino4区SST是TTC活动的主要模式,其次为ENSO与PDO,且TC频次特少(多)年主要集中于El Ni(n)o(La Ni(n)a)年。累积距平、Mann-Kendall、滑动T检验法结果表明TTC频次于1996年发生突变,且SST显著升高加剧了TTC与CLTC频次未来显著下降的趋势,但TC风速则显著增强。Morlet小波分析表明TTC存在26a左右的周期交替模式,并预测2019~2024年为TC高频期,2025~2027年为低频期。随Nino4区SST升高(降低),初旋偏晚(早),频次偏少(多)、活动期偏短(长)、生命期偏短(长)、最大年均风速及影响北部湾风速偏大(小),且TC活动期整体往后推延。TC月迹变化明显,94.4%生成于活跃期(6~10月),5.6%生成于非活跃期(4、5、11月),空窗期为(12~次年3月),其中11月CLTC生成STY及SuperTY几率明显上升。TC登陆月迹变化具有北部湾→广东→北部湾的回折路径特征,在La Ni(n)a(El Ni(n)o)月,TC于111.781°E以东(西)登陆,且登陆风速偏大(小);  研究发现所采用的Gumbel分布、Frechet分布、Weibull分布、Gamma分布、GEV、布尔(Burr)分布共6类7种概率分布模型中,适合引起钦州市降雨TC最大分许的概率模型为Burr分布,适合最大1h雨量的概率模型为GEV分布,适合最大3、6、12、24h雨量及累积降雨量的概率分布模型为Weibull(3P)分布;GH、Frank、Clyton及AMH四种常见的Archimedean Copula模型中,适合最大风速与最大1h雨量的联合概率模型为Frank Copula,其他则为GH Copula。根据1971~2016年间影响钦州市降雨的125场次RTC,计算风雨两盒同现重现期,发现降雨为影响同现重现期的主要影响因子,风速则为次要因子。  根据近10年钦州市具体洪灾损失情况,选择风雨联合重现期为425.9年的2008年第14号TC Nesat引发的20080924场次洪水,4.7年的2013年第6号TC Rumbia引发的20130702场次洪水,358.4年的2014年第9号TC Rammasun引发的20140718场次洪水,分析计算钦江青年水闸以上流域洪水河道演算及地区组成。基于水库群防洪优化调度系统,采用DPSA算法求解联合防洪优化调度模型,对钦江青年水闸以上流域在TC影响下进行联合防洪优化调度。并联水库群联合防洪优化调度结果表明:当钦江青年水闸以上流域遭遇TC强降雨而导致各场次致灾洪水时,因灵东水库为大型水库,且距离防护目标灵山县城距离较近的优点,能够对灵山县城断面进行良好的削锋与错峰。灵东水库因控制研究区域面积仅为7.2%,其他92.8%的未控制区域区间流量大,而仅存在两座位于支流上游且控制面积较小的中型水库以及依靠西干渠分流的大马鞍水库,水库群对陆屋水文站及青年水闸控制断面洪水的削锋作用有限,因此在本研究中现阶段水库群较难保障位于青年水闸下游的钦南区的防洪安全。
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