20世纪90年代以来，小概率洪水事件时有发生，大洪水成为“访问”流域的常客，这一现象引起了全世界各国学者的广泛关注。究竟环境的变化导致洪水特性发生异变?还是环境的变化，频率计算方法没有及时更新?抑或是洪水特征量需要重构?在当今气候变化和人类活动剧烈影响的环境变化大背景之下，构建新的、符合变化环境下的洪水频率计算的方法成为亟待解决的课题。这不仅涉及到理论的探索，也包括对问题本质的探究，解析洪水时间序列的特性、异变性，以及探索变化环境下的洪水特征量重构模型，进而解读变化环境下的洪水重现期，并根据特征量重构思想解答人们对洪水关心的本质性问题——这不仅具有重要的理论意义，而且具有重要的实践意义。本文针对这样一个背景，对上述问题采用相应的研究方法进行深入的分析、研究和探索。 本文以武江作为研究对象，在考虑洪水时间序列自身特性的基础上，利用复杂性理论、小波分析、时-频分析等方法，解读了洪水时间序列的特性，表明洪水时间序列具有混沌性、分形性和长程相关性；结合洪水时间序列与水文时间序列的共性，提出了解析洪水异变性的思路和方法；由轮次分析法得出武江流域的年洪峰流量不具有独立性，可能是导致P-Ⅲ型分布结果出现较大偏差的原因，为以后的洪水频率计算提供一定的铺垫工作，根据2-copula理论进一步解答了武江流域洪水的真实重现期；并探讨环境异变下的特征量重构理论、建立了相应的重构模型，破除了传统思想的束缚，从多科学角度综合度量洪水频率，并丰富了洪水重现期的物理意义。本论文取得的研究成果主要有： (1)采用HHT、Wigner-Ville和Morlet小波的时-频分析方法，分析了武江流域洪水过程的时频特性。结果表明：采用Morelt小波变换时-频分析的结果，相比采用HHT分析方法和Wigner-Ville分布的时-频分析更为合理；53场洪水的峰现时间大部分都较早，且基本上都属于主峰靠前的洪水过程；武江流域洪水能量均集中在低频区，其范围为0.01-0.1Hz之间，洪峰的涨落在频域范围内能量集中的时间均不超过100h。 (2)分析了武江流域洪水在变化环境下所表现出的特性：根据混沌理论、相空间重构原理，并结合R/S分析方法和多重分形方法，解读了武江流域1955-2007年53场洪水的动力学特性。结果表明：武江流域历年洪峰流量和53场洪水过程均存在混沌性，具有多重分形的特征，且多重分形谱的参数变化较准确、精细地揭示了，武江流域洪水时间序列分形结构复杂的动力学特征。 (3)全面揭示了武江流域洪水的异变性：Ⅰ)本文创建了人工鱼群优化的模糊C均值模型，对武江流域1955-2007年的53场洪水强度进行分类。结果表明：武江流域洪水强度未有异变现象，但武江流域出现大洪水的几率较大，武江流域的洪水情况不容轻视。Ⅱ)制定了洪水形态特征指标选择、提取原则。根据本文提出的蚁群算法优化的改进的投影寻踪模型，对53场洪水进行形态分类，结果表明：53场洪水从形态上可以分为4类。Ⅲ)结合武江流域洪水强度大小、形态分类和各场洪水的洪水历时，分析了武江流域洪水历时的异变性：由于武江流域河床升高、河道变窄，武江流域洪水历时总体上以减少为主要趋势。Ⅳ)根据Pettitt法和启发式分割算法的检测结果：53场洪水的年洪峰流量在1994年发生较为显著的突变，最大3天流量和洪水总量的显著突变时间均为1993年。 (4)根据Gumbel-logistic模型，解答了武江流域洪水的频率/重现期，其中，2006年洪峰流量为8800m3/s的洪水为158年一遇的洪水。最后以特征量重构思想为基础，结合多门学科，提出并构建特征量重构理论和模型，丰富并完善了洪水频率的内涵，根据特征量重构模型得出武江流域乐昌市8年遭遇超3590m3/s的风险率近100％，表明乐昌市遭受洪水袭击的风险性较高。这不仅解答了人们对洪水关心的本质性问题，更为城市/区域防洪、减灾提供有意义的研究结果。 总之，本文以武江流域为例，揭示了洪水时间序列的特性、洪水异变性；解读了变化环境下洪水时间序列的真实频率/重现期；并采用特征量重构思想丰富和搭建了洪水频率的内涵及相关模型，不仅是现有的洪水频率计算方法的有益补充和完善，还为特征量重构提供了开辟性的思路，也为城市/区域防洪、减灾提供理论基础，具有一定的理论和实践意义。
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