[科普中国]-最高水位频率

最高水位频率是指河水高水位相应出现的几率。为防比洪水对取水工程及洪泛区内构筑物造成危害，根据水文资料推算工程所在位置的高水位及其各年间的变动，直接关系到构筑物的安全。它是根据工程的重要程度及高水位对工程的危害程度择定的。是工程设计防洪标准之一。

简介我国海岸线曲折绵长。是世界上海洋灾害最为严重的少数国家之一，其中风暴潮灾害频繁，是影响我国沿海地区最为严重的海洋灾害。福建省是我国风暴潮灾害较多的省份，风暴潮灾害在一定程度上成为制约福建省滨江临海地区经济持续、稳定、健康发展的因素之一。对于风暴潮引起的极端水位的预测对于工程建设及海岸防护有着极其重要的作用。工程设计中对于堤防和洪水位有着不同的标准。最为常用的是100年一遇的极端高水位．在一些重要的大型城市的重现期要求更高，有的达到200年甚至更高的1000年一遇。如果计算中低估了极端高水位值将危及到人民的生命财产安全。在拥有长期水位数据的情况下，频率分析方法以其计算快捷和易验证的优点而被广泛用于极端水位的估计，以Gumbel，Lognormal和Weibull为代表的频率分析方法在不同站点都有过成功的应用，而现有的频率分析方法可能还缺少在福建沿海的系统比较1。

频率分析方法对于百年一遇的极端高水位的计算分析方法是利用已有站点的长期年最高值水位，选用合适的概率分布函数进行频率分析推求不同重现期的极端高水位。据有关文献记载，相关研究者从1914年开始使用适线法进行水文资料的频率分析。这种方法的优点在于计算量小．比较容易通过已有的长期数据进行验证，因而在我国沿海地带被大量采用。在有长期数据的情况下，这种分析方法常被使用。

在我国东南沿海地区主要以Gumbel和Weibull模型为主，然而在已有研究中还缺少在福建海岸带对这几种方法的系统比较，因此就各种频率分析方法的选择比较以及进一步研究有着重要的理论意义和现实价值2。

频率分析计算方法1.方法介绍

Sobey等人于2005年在美国太平洋海岸带的极端水位研究中发现Lognorma和Weibull模型在极端水位估计中表现的较好，而Frechet模型则表现较差。在我国对于极端高水位的分析当中，Gumbel方法被广泛采用，也取得了很多成功的应用。

福建省沙埕站作为福建海岸带的代表站点，其年极值水位数据用于此次研究中来比较各种方法的表现。按照各种方法的应用程序，将各种方法应用于沙埕站点的年最高水位数据系列，数据长度为50年。

2.参数估计方法

对于Weibull、Lognormal、Gumbe1分布模型的参数估计选用最大似然估计(MLE)。因为它通常与其他方法相比无偏性更好，更加稳定并且精度高。最大似然法的基本思想是，寻找估计值使这个采样的“可能性”最大化。由于对数是单调函数，这相当于对数最大化的可能性。

这些方法的另一主要区别在于对高端水位的拟合。最大的估计误差出现在对最高历史水位的预测上。对于沙埕站，回归年为51年的最高历史观测水位是1.91m，而由Lognormal、Gumbel和Weibull模型的估计值分别为1.70m、1.64m和1.39m。

Lognormal相对于Gumbel略好，但是如果分别用这些方法推求100年，200年和1000年一遇的高水位那么差别会更大，其中在200年和1000年一遇的极端水位估计中，Lognormal模型会比Gumbel模型分别低估0.08m和0.13m。

从各种方法与实测值的比较中可以看到，Log—normal方法是表现最好的，与实测值相比拥有最大的相关性和最小的均方根误差，对历史最高值最小的估计误差，相对于其他传统方法更安全。可以推荐为研究地点的频率分析方法2。

总结福建省是我国遭受台风影响较严重的省份，对于风暴潮位的重现期的研究对评价海塘防御能力具有重要的意义。

1．通过模型适线与两个研究站点的实测数据相比较，Lognormal方法在对极端水位估计中，其表现优于其他方法，具有最好的相关系数和最小的均方根差，同时对历史最高水位的估计中拥有最小的绝对误差。

2．各种方法对历史年最高水位数据的高端水位的估计中偏低，这有可能会带来对极端水位的偏低估计，因此在这一点上，Lognormal方法是相对其他方法偏安全的，得出的结论对工程应用也有实际的借鉴价值3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学