基于CMADS和流域相似理论的无资料地区水文模拟——以元江-红河流域为例

无水文资料地区,水文模型的参数难以确定。基于此,提出一套无资料地区水文模拟的方法体系,首先利用开源再分析数据驱动水文模型,然后基于流域相似性理论进行模型参数移植,完成无资料地区水文模拟。以元江-红河多国跨界流域为例,将流域划分成123个子流域,基于根据高程、坡度、形状系数、森林覆盖率、降水与蒸散发等指标,利用主成分分析和流域相似度计算对123个子流域进行相似性分析;再基于水文资料和相似性结果,将7个有流量资料的子流域划分出4组相似流域;对有资料流域进行参数率定和验证,模拟结果良好,经过参数移植后,无资料流域的模拟结果均得到了提高。基于流域相似性的参数区域化和开源再分析数据的无资料地区水文模拟方法,可以为无资料地区的水文模拟与水资源管理带来更多可能。

基于不同相似度方法的秦岭北麓典型流域相似度研究

为了更准确地进行流域相似识别,为无资料流域寻找合适的参证流域来估算其水资源状况。以陕西省西安市秦岭北麓5个典型流域为研究对象,通过提取其气候、下垫面和径流三方面的9个特征因子,结合变异系数法赋权,采用加权余弦相似度和加权欧氏距离相似度分别计算流域之间的相似度,再采用新安江模型进行参数移植验证。结果表明:加权余弦相似度准确性优于加权欧氏距离相似度,较适宜于研究流域的相似度计算。研究成果可为该地区的径流量估算和水资源开发利用等提供科学参考。

投影寻踪分类模型评定相似流域

简要介绍了基于遗传算法的投影寻踪分类模型，并将其首次用于水文计算中相似流域的选择。对一个实例的应用研究表明，此模型能给出一个综合考虑流域中多指标间复杂关系的特征指标，利用这个指标取得合理的评定结果，且新模型计算过程简单，结果直观，为水文计算中水文比拟法提供了新思路。

基于集对分析的相似流域选择方法

集对分析(SPA)是处理不确定性问题的一种新理念,认为在一个系统中确定性与不确定性相互联系、影响、制约,并在一定条件下相互转化,用联系度来描述系统的各种不确定性,由此实现对系统的决策。为了改进水文计算中选择相似流域的经验性方法,首次提出了水文计算中相似流域选择的集对分析方法,用联系度来描述设计流域与参证流域的同异反程度。与其他方法相比,该方法具有概念明确、计算简便和实用的特点。

基于非平权距离系数法的相似流域研究

简要介绍了系统相似性度量中的非平权距离系数法,并将其应用于水文计算中相似流域的选择。应用实例表明,该方法综合考虑流域中多个特征属性的复杂关系,具有较好的实用性,运算简单,易于操作;实际应用效果证明是可行的。

基于聚类分析的水文相似流域研究

在洪水预警预报中,一些中小流域常常由于水文资料短缺造成分析计算困难。随着流域下垫面地形、植被、土壤等数据的大量获取和数据挖掘技术的不断发展,应用聚类分析等无指导学习方法对流域下垫面大量数据进行分析,根据对象之间距离最近的原则对流域进行分组,得到水文相似流域,从而将有水文资料流域的水文参数应用于水文资料短缺的相似流域,使洪水预报得以实现。选取浙江省118个具有20年以上雨水情资料的流域进行研究,采用流域长度、流域宽度、河长、河流比降、流域平均坡度、流域形状系数、多年平均1,3,6和12 h面最大降水等10个指标,应用主成分分析对数据进行降维,进而对流域进行聚类分析,将浙江省流域分为23个相似组。在分组基础上,选取其中两组中径流资料大于20年的站点进行多年平均最大洪峰、洪量比对,验证水文相似流域分类合理性。结果表明相似流域组内年最大洪峰、年最大平均1,3,6和12 h洪量具有较大相似性,分类较为合理,从统计学角度为浙江省的洪水预警预报提供新的理论与思路。

水文相似流域最大熵优选模型研究

在分析相似流域优选的常见方法基础上,提出综合考虑各指标权重的不确定性和综合值的可区分性,建立最大熵优选模型,包括样本数据特征值的预处理,目标函数的构建与求解,优选评价模型的建立等步骤。实例研究结果显示:最大熵优选模型可根据各流域指标特征值的综合值,准确地将包括设计流域在内的各个流域进行分组,优选出可作为参证的流域进行水文分析。最大熵模型优选结果与其他方法结论一致,在综合值的可区分性上明显优于其他方法,分组结果更加准确可靠。

相似流域选择的模糊集模型与方法

提出水文计算中相似流域选择的模糊集模型与方法,以改进水文计算中选择相似流域的经验性方法。原则上模型也可用于其他水文相似问题。

基于PCA和聚类分析的相似流域选择方法

本文以实例介绍了主分量分析(PCA)和聚类分析相结合对相似流域进行选择的方法,结果表明,该方法是一种很好的定量分析工具,具有良好的实用性,使相似流域的选择建立在科学、合理的基础上。

无资料嵌套流域水文相似性及参数移植研究

以江西赣江的虎山流域(嵌套香屯、婺源和德兴流域)和南城流域(嵌套南丰和沙子岭流域)两组嵌套流域为研究区域,对比基于嵌套的参数移植方法与基于相似的参数移植方法;采用相似性指标排列组合法识别在相似性判断中起主要作用的指标;并初步探究了参数移植的方向性问题。结果表明基于嵌套的参数移植与基于相似的参数移植效果均较好;地形指标和土地利用/覆盖在判断流域相似性时起主要作用,采用它们作为相似性指标开展参数移植效果最优;基于嵌套的参数移植与基于相似的参数移植均不能避免参数移植方向性问题,基于地形指标和土地利用/覆盖作为相似性指标的参数移植可降低参数移植方向性的影响;此外研究发现,采用不同相似性指标排列组合开展参数移植方向性问题研究是一条值得进一步探索的途径。

基于相似流域法的SWAT模型模拟黄河中游无资料地区径流

选用黄河中游两个小流域,基于相似流域法探求分布式水文模型SWAT在黄河中游小流域无资料地区径流模拟的适用性。通过距离、流域面积相近及属性相似的方法,用已知流域率定参数移植到无资料流域进行径流模拟。选取2009-2013年的日径流与月径流进行模型率定,以效率系数(NS)和决定系数(R2)为评价指标,率定出4个模型敏感系数,并用2014-2016年的日径流与月径流进行模型验证。结果显示:率定期月径流模拟的R2为0. 76,NS为0. 70;日径流模拟的R2为0. 70,NS为0. 64;验证期月径流模拟的R2为0. 82,NS为0. 74;日径流模拟的R2为0. 78,NS为0. 68。说明基于相似流域法的SWAT模型对于无资料的小流域月径流量模拟具有很好的适用性。

相似流域选择的随机分析方法

为了改进传统水文比拟法在相似流域选择上存在的不足,提出一种基于贝叶斯公式的随机分析方法。通过计算设计流域与备择参证流域对应的多个特征指标相似的加权概率,利用最大似然分类的原则,确定加权概率最大者对应的参证流域为所选择的相似流域。通过实例计算分析,并与灰关联分析法、模糊优选法进行比较验证,其结果有效地说明了该方法的可行性。

基于时变特征矩阵的相似流域识别方法研究

为了提升无径流资料区水文预报相似流域识别的可靠性,提出了一种相似流域识别方法,该方法通过引入流域时变特征信息,构建流域时变特征矩阵及其展布方法获取流域特征向量,并利用经典K-means聚类方法实现相似流域识别,并以江西省17个天然闭合流域为例,结合新安江模型,开展特征向量/矩阵构建、相似流域聚类识别、模型参数移用、水文预报结果对比分析等一系列研究。结果表明,提出的时变特征矩阵用于无径流资料区水文预报能取得较好的应用效果,与传统的仅基于时不变下垫面信息的相似流域识别方法相比,预报精度得到提升;基于时变综合要素获得的相似分组取得了最高的预报精度,基于时变气象要素获得的相似分组预报精度优于仅基于时不变下垫面要素获得的相似分组;与基于单一要素相似流域识别方法相比,基于综合要素获得的相似分组改善了参数移用的方向性问题,但尚不能完全消除方向性影响。

基于模糊加权识别模型的相似流域优选研究

传统水文比拟法在选择相似流域时存在主观性,再加上相似流域概念的模糊性,使无资料地区的水文模拟精度不高。以福建汀江流域灈田河陂下水库为例,选择了反映流域特征的4个指标和反映地区气象特征的7个指标,分析了各指标重要性差异,构建了相似流域模糊加权模式识别模型。采用可能度法确定了各指标权重,并根据相对优属度最大原则优选出相似流域。实例应用表明:该模式识别模型优选出的相似流域具有较好的可靠性,适合用于重要水利工程的设计。

基于灰加权关联度模型的相似流域优选

鉴于传统方法选择相似流域时的主观性及相似流域的相似与否属于灰色概念,综合考虑反映各流域特征指标重要性的差异,构建了相似流域灰加权关联度优选模型。采用层次分析法确定指标权重,根据灰关联度最大原则优选相似流域。该模型应用于汀江流域陂下水库相似流域优选,结果表明:相似流域灰加权关联度模型优选出的相似流域与实际情况相符,具有较高的可靠性,可以克服以经验分析为主的水文比拟法的不足。

文化算法与投影寻踪融合模型在相似流域优选中的应用

研究文化算法(CA)与投影寻踪(PP)融合模型应用于相似流域优选中的可行性和有效性。以12个小河站控制流域优选为例,建立CA-PP相似流域优选模型,并构建差分进化(DE)算法-PP、和声搜索(HS)算法-PP和粒子群优化(PSO)算法-PP作为对比模型,将优选结果与随机分析法、集对分析法、模糊分析法、灰色分析法的优选结果进行比较。结果表明:CA寻优PP目标函数获得的最优值、最劣值、平均值和标准差均优于DE、HS和PSO算法,具有较好的全局极值寻优能力和收敛稳定性能。CAPP模型对相似流域的优选结果与DE-PP、HS-PP和PSO-PP模型,以及随机分析法、集对分析法、模糊分析法、灰色分析法的优选结果相同,但在优选顺序上存在差异。CA-PP模型用于相似流域优选是可行和有效的,可为同类优选提供新的途径和方法。

相似小流域流量移用公式推求

相似流域是指在同一气候区内,流域下垫面条件相似,即流域植被、土壤、湖泊率、沼泽率相似的流域。在实际工作中,有些工程在设计流域往往碰到一点水文资料都没有,但又要进行水文分析计算,这时必须选择邻近的相似流域作为参证站,据以分析水文成果,然后移用至设计流域,作为工程设计的依据。本文即阐述这方面的问题,并提出一些移用的公式供有关同行参考使用,不妥之处,请予指正。

水文相似性研究进展

针对现有研究对水文事件相似性关注不多,且水文事件相似性缺乏统一概念的问题,从流域和水文事件两个层次阐述了水文相似性的概念,系统回顾了水文相似性在模型参数区域化研究、水文时间序列相似性分析等方面的最新进展,总结了研究中存在的问题并做出展望;指出水文相似研究应从加强内在机理性、提升水文模型参数区域化水平、强化水文事件相似性在实时预报调度中的应用等方面继续深入研究。

基于SWAT模型的辽西走廊海岸带无观测资料流域地表径流模拟

基于SWAT模型和流域水文相似性原理,采用模型参数移植法对辽西走廊海岸带无观测资料流域—狗河流域进行地表径流模拟,取得了良好的效果。该方法不仅有效地解决了水文模型在模型参数移植过程中的不确定性问题,而且为其他无观测资料流域的径流模拟提供了方法借鉴。

石羊河流域无观测资料地区径流模拟

基于水文模型管理和调配石羊河流域无资料地区的水资源,首先要解决模型的参数问题.为了使模拟结果更贴近实际观测值,基于变异系数法量化流域水文相似度,选取参证流域,构建SWAT水文模型,移植其模型参数进行水文模拟.以西营河为参证流域,将金塔河作为验证流域,移植参数进行径流模拟,结果表明模拟值与实测值平均相对误差、相关系数及效率系数分别为9.3%、0.80、0.78,其拟合精度满足模拟要求.在此基础上,构建无观测资料东大河流域的SWAT模型,移植西营河流域的模型参数进行径流模拟.结果表明,东大河多年平均径流量模拟值为3.345×108 m3,与实际观测值的平均相对误差为3.38%,可满足径流模拟的要求.有效地提高了西北内陆河流域无观测资料地区水文模拟精度,较好地解决了径流模拟中的不确定性问题.