西浦学者提出更有效的洪水预测方法
2023年01月17日
近几十年来，由于气候变化、土地使用、基础设施建设和人口增长等诸多因素，越来越多的人面临着洪水的威胁。因此，准确预测洪水频率和严重程度，对减少物质和经济损失至关重要。
（英国坎布里亚郡凯西克镇，被洪水淹没的湖边小屋）
传统的洪水频率分析默认洪水遵循历史规律，所使用的方法也通常不考虑诸如气候变化、河流治理、土地覆盖变化等动态的条件，因此更容易低估洪水的频率和严重性，导致基础设施设计更为脆弱，引发更大的风险。
近日，西交利物浦大学、韩国中央大学和利物浦大学的学者联合在《水文学杂志》上发表了研究，提出了更适合在变化的环境下分析洪水频率的新方法。
研究团队提出了一种非平稳洪水频率分析模型。该模型考虑了影响洪水因素的变化，能在建设水利设施和防治洪水时，提供更为可靠的预估。
不过，尽管非平稳洪水频率分析已是学术研究领域的热门话题，但学界还未对最合适的分析方法达成共识。现有的模型不是太复杂，就是成本太高，不利于工程师或水文学者的实际应用。
西浦土木工程系的博士生陈梦竹是论文的第一作者。她在2021年发表的论文中使用了另一种模型，进行全英国范围内的非平稳洪水频率分析。但她发现，在工程设计和水利设施设计等实践中应用这一方法有所局限。
“当时我们无法用简单的数学方程式呈现模型，因此解读和计算就比较困难。所以我们想要找到一个更适合的模型。”陈梦竹说。
在本次研究中，为了评估比对不同建模方法的利弊，研究人员分析了全英161个汇水区的历史洪水数据。汇水区也称为分水岭或流域盆地，拥有如山脊、山丘或山脉的自然界限，所有的地表水都汇集到一个共同的渠道，从而形成河流小溪。
（a）研究中161个汇水区的地理位置 （b）汇水区面积统计 （c）可用记录的时间跨度
在各类模型中，研究人员发现，“分数多项式回归”模型最为灵活、有效、用户友好。这一建模方法在医学统计、临床研究等应用领域逐渐兴起，但目前在水文领域应用较少。
弥合差距
陈梦竹说：“目前，水利研究和实践之间存在着差距。虽然非平稳模型在学界已经逐渐兴起，但大多数从业者都对它不甚了解。”
“我们的研究成果可以帮助水文学家和工程师在现有分析模型中做出更优选择。”
“我们在论文中提出的分数多项式回归模型，为从业者的实践提供了有价值的新工具。它可以用数学方程式来呈现，对使用者更加友好。
“毕竟，非平稳洪水频率分析的最主要目的就是为设计、建造、管理水利基础设施提供参考。”
“不过，要想在实践中广泛应用非平稳分析方法，还有很长的路要走。未来，我们还需探索出更加用户友好、简单直接、且获得广泛认同的非平稳洪水频率分析方法。”陈梦竹说。
（英国161个汇水区的量化季节性指数（季节性洪峰变化）。指数越高，汇水区的洪水可变性越高；意味着雨季会更涝，旱季会更旱）
“为了应对未来的极端天气，我们也需要进一步调查影响洪水频率的复杂潜在因素。”她补充道。
研究团队由来自西浦的陈梦竹、Konstantinos Papadikis教授，中央大学的Changhyun Jun博士和利物浦大学的Neil Macdonald教授组成。
点击此处在线阅读论文《非平稳洪水频率分析的线性、非线性、参数、非参数回归模型》。
（记者：钱懿 翻译：韩香音 中文编辑：张蔚）
2023年01月17日