基于Copula函数的灌区水资源短缺风险分析

发布时间：2018-05-09 15:25

  本文选题：Copula函数 + 降雨量　； 参考：《郑州大学》2017年硕士论文

【摘要】：以河南省陆浑灌区为研究区,以提升灌区用水安全为目的,结合变化环境下的灌区水资源供给与需求,从灌区水资源供需不匹配而造成水资源短缺的角度,构建并应用灌区水资源供需联合分布模型,分析灌区水资源短缺风险,对灌区的抗旱减灾以及需水结构优化布局等活动提供重要的理论价值和实践指导。根据陆浑灌区历史观测数据得到1970~2013年的降雨量、灌溉用水量、参考作物腾发量(ET0),量化三变量间的相关性,应用水文统计分析方法,分别分析降雨量、灌溉用水量、ET0的概率分布特性;基于Copula方法构建降雨量-ET0、灌溉用水量-ET0、降雨量-灌溉用水量-ET0的灌区水资源供需联合分布模型,分别应用模型分析自然降雨条件下、人工灌溉条件下、自然降雨和灌溉用水量组合来水条件下的灌区水资源供需的丰枯遭遇频率、条件概率和条件重现期。主要得到如下结论:(1)对假定的边缘分布模型进行Kolmogorov-Smirnov(K-S)检验,结果表明:陆浑灌区年降雨量和灌溉用水量均服从正态分布,ET0服从广义极值分布。(2)陆浑灌区年降雨量与年ET0间、年降雨量与年灌溉用水量间均存在负相关性,年ET0与年灌溉用水量间具有正相关性。采用相关性指标法对五种二维Copula函数进行参数估计,采用极大似然法对五种三维Copula函数进行参数估计,通过K-S拟合检验,并以OLS、AIC作为拟合优度评价指标,结果表明:Student t Copula函数在模拟降雨量和ET0、灌溉用水量和ET0以及三变量的联合分布函数的理论分布与经验分布时,拟合效果最优。(3)运用降雨量-ET0、灌溉用水量-ET0的联合分布模型,对降雨量和ET0、灌溉用水量和ET0遭遇组合的二维联合分布概率、自然降雨条件下灌区供水(降雨量)和需水(ET0)的遭遇频率以及降雨量和ET0的条件概率和条件重现期,人工灌溉条件下灌区供水(灌溉用水量)和需水(ET0)的遭遇频率以及灌溉用水量和ET0的条件概率和条件重现期进行计算和分析。结果表明:(1)不同量级的降雨量和ET0、灌溉用水量和ET0存在多种遭遇组合,其二维联合分布概率中,同一联合分布概率可以对应不同的量级组合事件。(2)降雨量和ET0、灌溉用水量和ET0的丰枯遭遇频率中,丰枯异步频率大于同步频率。(3)自然降雨条件下,在降雨量处于枯态或ET0处于丰态时,相应的条件概率高于其他条件下的概率,条件重现期则小于其他条件下的重现期。(4)人工灌溉条件下,在灌溉用水量处于丰态或ET0处于枯态时,相应的条件概率高于其他条件下的概率,条件重现期则小于其他条件下的重现期。(4)运用降雨量-ET0-灌溉用水量的联合分布模型,对降雨量、灌溉用水量和ET0遭遇组合的三维联合分布概率、自然降雨和灌溉用水量组合来水条件下灌区供水(降雨量和灌溉用水量)和需水(ET0)的遭遇频率以及三种二维条件概率、十种一维条件概率和其相应的条件重现期进行计算和分析。结果表明:(1)不同量级的降雨量、灌溉用水量和ET0存在多种遭遇组合,其三维联合分布概率中,同一联合分布概率可以对应不同的量级组合事件。(2)降雨量、ET0和灌溉用水量的丰枯遭遇频率中,丰枯异步频率大于丰枯同步频率。(3)不同灌区缺水情况下的二维条件概率和相应的条件重现期可给出特定条件下的不同量级的年降雨量与年ET0(或年灌溉用水量和年ET0,或年降雨量和年灌溉用水量)的遭遇组合事件发生的可能性;在十种不同缺水条件下的降雨量、ET0和灌溉用水量的一维条件概率和相应的条件重现期中,极端缺水事件(降雨量、灌溉用水量处于枯态,ET0处于丰态)的条件概率很小,相应的条件重现期很长。
[Abstract]:Taking Henan Lu Hun irrigation area as the research area, in order to improve the water safety in irrigation area, combined with the supply and demand of water resources in the irrigation area under the changing environment, the water resources supply and demand joint distribution model of irrigation area is constructed and applied in the angle of water resource shortage in the irrigation area, and the risk of water resource shortage in irrigation area is analyzed and the irrigation area is analyzed. According to the historical observation data of Lu Hun irrigation area, the rainfall, irrigation water, reference crop evapotranspiration (ET0), the correlation between the three variables are quantified, and the rainfall and irrigation are analyzed by the method of hydrological statistics and analysis. The probability distribution characteristics of water quantity and ET0; based on Copula method, a joint distribution model of water resources supply and demand in irrigation area of irrigation area, -ET0, irrigation water consumption -ET0 and rainfall irrigation water consumption -ET0 is constructed. Under natural rainfall conditions, under artificial irrigation conditions, natural rainfall and irrigation water use water resources under the condition of combined water resources under the conditions of artificial irrigation, respectively. The frequency, the condition probability and the condition recurrence period of the supply and demand are mainly obtained as follows: (1) the Kolmogorov-Smirnov (K-S) test of the assumed marginal distribution model has been carried out. The results show that the annual rainfall and the irrigation water use in Lu Hun irrigation area obey the normal distribution, the ET0 clothing is from the generalized extreme value distribution. (2) the annual rainfall of the land muddy irrigation area is between the annual ET0, There is a negative correlation between annual rainfall and annual irrigation water consumption, and there is a positive correlation between annual ET0 and annual irrigation water consumption. Using the correlation index method to estimate the parameters of five two-dimensional Copula functions, using the maximum likelihood method to estimate the parameters of the five Copula functions, pass through the K-S fitting test, and use OLS and AIC as the goodness of fit. The results show that the fitting effect of Student t Copula function is optimal in the theoretical distribution and empirical distribution of simulated rainfall and ET0, irrigation water consumption and ET0 and three variable joint distribution functions. (3) a combined distribution model of rainfall, -ET0, irrigation water -ET0, and the combination of rainfall and ET0, irrigation water use and ET0. The two dimensional joint distribution probability, the frequency of water supply (rainfall) and water demand (ET0) under natural rainfall, the condition probability and condition recurrence period of rainfall and ET0, the frequency of water supply (irrigation water use) and water demand (ET0) under artificial irrigation, and the condition probability and condition recurrence period of irrigation water use and ET0 The results show that: (1) there are many kinds of combination of rainfall and ET0, irrigation water consumption and ET0, in the two dimensional joint distribution probability, the same joint distribution probability can correspond to different magnitude combination events. (2) rainfall and ET0, irrigation water use and ET0 in the frequency of dry and dry encounter, the frequency of dry and dry asynchronous frequency is greater than the same Step frequency. (3) under natural rainfall conditions, when the rainfall is in the dry state or the ET0 is in the rich state, the corresponding conditional probability is higher than the other conditions, and the condition recurrence period is less than the recurrence period under other conditions. (4) under the artificial irrigation conditions, the corresponding conditional probability is higher than the other conditions when the irrigation water is in the abundant state or the ET0 is in the dry state. The probability of the condition is less than the recurrence period under other conditions. (4) a joint distribution model of rainfall -ET0- irrigation water use is used to combine the three dimensional distribution probability of rainfall, irrigation water consumption and ET0, and the combination of natural and irrigation water uses to water supply (rainfall and irrigation water) under water conditions. The frequency of water demand (ET0), three kinds of two-dimensional conditional probability, ten one-dimensional conditional probability and its corresponding condition recurrence period are calculated and analyzed. The results show that (1) there are many kinds of encounter combinations in different magnitude of rainfall, irrigation water consumption and ET0, and the same joint distribution probability can correspond to different quantities in the three dimensional joint distribution probability. (2) in the frequency of rainfall, ET0 and irrigation water consumption, the frequency of dry and dry asynchronous frequency is greater than that of wet and dry synchronous frequency. (3) the two dimensional condition probability and the corresponding reappearance period under the water shortage in different irrigation areas can give the annual rainfall and annual ET0 (or annual irrigation water consumption and year ET0, or year) under specific conditions. The probability of occurrence of a combination event of rainfall and annual irrigation water use; rainfall in ten different water shortage conditions, one dimensional condition probability of ET0 and irrigation water use and the corresponding period of reappearance of conditions, the condition probability of extreme water shortage (rainfall, irrigation water in dry state, ET0 in abundance) is very small, and the corresponding conditions are very small. The recurrence period is very long.

【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S273

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本文编号：1866544