基于CART算法的水文模型参数区域化研究
发布时间：2021-08-28 13:35
在全球气候变化的背景下,山洪灾害多发频发,破坏力极大,给我们的生命财产安全带来了严重的危害。水文模型可以成为预测这些事件并及时发布预报预警信息的有效工具,但是,水文模型的应用需要准确可靠的模型参数值给予支撑,以往的研究中,水文模型参数的确定都是基于大量的实测降雨径流数据。当前,中国大部分的山区丘陵地带是缺乏甚至是没有水文监测站点的,此外,随着人类活动的影响以及全球气候变化的加剧,流域的下垫面条件发生了巨大的变化,使得早期的水文观测资料不再适用,有监测站点的区域也变成了缺资料地区。基于以上背景,无资料流域的水文预报问题是当前水文界亟待解决的技术难题。目前,解决此问题的途径主要有两种:一是研发具有明确物理机制的分布式水文模型,降低水文模型的不确定性;二是寻求有效可行的无资料流域水文模型参数区域化方案。论文基于以上两点展开研究,主要研究内容如下:1)选取辽宁省、吉林省共13个中小流域为研究对象,遴选场次洪水共计93场。基于时空变源混合产流模型,采用SCE-UA全局搜索算法,对模型参数进行率定与验证,验证期和率定期的平均纳什系数为0.86和0.82,洪峰相对误差分别为5.8%和6.5%,表明时...
【文章来源】：华北水利水电大学河南省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
研究流域空间分布示意图
的新一代时空变源混合产流模型。此模型基于一维入渗理论和Van-Genuchten（VG）模型[59]建立了包气带非饱和土壤下渗计算方法，构建山坡地貌水文响应单元的非饱和土壤下渗过程，解析不同土壤类型的主要参数特征，建立平面、垂向、时段混合的时空变源混合产流模型，揭示山区小流域产流机制和规律。3.1.1平面混合产流模型结构平面混合产流基本理论是利用小流域下垫面数据和小流域划分数据进行小流域地貌水文响应单元划分。根据响应单元的产流机制，确定不同流域的产流模型算法，建立小流域平面混合产流模型，模型结构如图3-1。水文响应单元划分根据流域内不同区域的地形特征、土壤类型、土地利用和植被类型、雨量站点分布、温度站点分布和水文站点分布信息将流域划分为一个个单元，同一单元内的地形地貌特征通常类似，分别包括快速响应单元、慢速响应单元、滞后响应单元和贡献较小单元。对于不同的水文响应单元，有不同的主导产流机制与其对应。更接近于流域内的真实情况。利用全国山洪灾害调查评价成果中的基础地理信息数据，主要包括1:5万DEM数据，基于2.5m和30m遥感影像数据分类提取的土地利用与指标类型数据，1:20万-1:100万比例尺的土壤类型和土壤质地数据，通过查找文献和数值模拟方法，定性和定量描述各种类型土壤的下渗能力和对产流的影响，建立小流域地貌水文响应单元的划分标准。在土壤参数基础上，根据各类土地利用类型和植被类型的流速系数，对洪水汇流的影响按照流速系数从小到大排列，并分为快、中、慢，三个属性。将产流和汇流属性特征相结合，形成小流域地貌水文响应单元的产流响应单元表。各地貌水文响应单元对应的主导产流机制如下表3-1。图3-1时空变源平面混合产流示意图Fig.3-1Schematicdiagramofspatio-tempor
3模型及工具软件介绍173.1.2垂向混合产流模型结构图3-2为时空变源混合产流模型垂向模型结构示意图，图3-4为垂向变源混合产流模型计算示意图，混合产流的产流成分有超渗产流、蓄满产流、优先流、壤中流和基流五个成分，其中超渗地表产流包括不透水面积的直接超渗地表产流与透水面积在雨强大于下渗能力时的超渗产流，蓄满产流包括上层土壤优先蓄满得到的蓄满产流以及土壤深层蓄满后向上层土壤补给产生的蓄满径流两个部分，优先流为上层土壤的出流，壤中流为下层土壤的出流，基流为地下水水库的出流，各产流成分的计算公式见下文。图3-2垂向变源混合产流模型结构图Fig.3-2Structurediagramofverticalvariablesourcemixedrunoffmodel图3-3垂向变源混合产流模型计算示意图Fig.3-3Schematicdiagramofverticalvariablesourcemixedrunoffmodelcalculation
【参考文献】：
期刊论文
[1]小流域暴雨山洪水文模型与水动力学方法计算比较分析[J]. 刘昌军,文磊,周剑,赵悬涛,郭良,魏永强. 中国水利水电科学研究院学报. 2019(04)
[2]温德河流域暴雨洪水时空特征及模拟分析[J]. 马珊,刘昌军,何秉顺,张弛,王浩. 水利水电技术. 2019(06)
[3]API模型和新安江模型的参数区域化研究与应用[J]. 姚成,邱桢毅,李致家,胡维登,许洁. 河海大学学报(自然科学版). 2019(03)
[4]基于人工智能和大数据驱动的新一代水文模型及其在洪水预报预警中的应用[J]. 刘昌军. 中国防汛抗旱. 2019(05)
[5]基于运动波方程的地面集水时间计算及参数研究[J]. 任俊雯,梁小光,陶涛,信昆仑,颜合想. 中国给水排水. 2019(01)
[6]中国山洪灾害防御关键技术[J]. 郭良,丁留谦,孙东亚,刘昌军,何秉顺,刘荣华. 水利学报. 2018(09)
[7]无测站流域径流预测区域化方法研究进展[J]. 于瑞宏,张宇瑾,张笑欣,刘廷玺. 水利学报. 2016(12)
[8]参数区域化在乏资料地区水文预报中应用研究综述[J]. 毛能君,夏军,张利平,邹磊,石卫. 中国农村水利水电. 2016(12)
[9]稀缺资料流域水文计算若干研究:以青藏高原为例[J]. 刘昌明,白鹏,王中根,刘苏峡,刘小莽. 水利学报. 2016(03)
[10]缺资料流域水文模型参数区域化研究进展[J]. 李红霞,张新华,张永强,黎小东,敖天其. 水文. 2011(03)
博士论文
[1]基于数字化平台的分布式流域水文模型和流域汇流研究[D]. 孔凡哲.河海大学 2003
硕士论文
[1]无资料地区短期水文预报方法研究与应用[D]. 金倩芳.华中科技大学 2019
[2]河南省无资料地区产流特性及参数区域化研究[D]. 马珊.大连理工大学 2019
本文编号：3368610
【文章来源】：华北水利水电大学河南省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
研究流域空间分布示意图
的新一代时空变源混合产流模型。此模型基于一维入渗理论和Van-Genuchten（VG）模型[59]建立了包气带非饱和土壤下渗计算方法，构建山坡地貌水文响应单元的非饱和土壤下渗过程，解析不同土壤类型的主要参数特征，建立平面、垂向、时段混合的时空变源混合产流模型，揭示山区小流域产流机制和规律。3.1.1平面混合产流模型结构平面混合产流基本理论是利用小流域下垫面数据和小流域划分数据进行小流域地貌水文响应单元划分。根据响应单元的产流机制，确定不同流域的产流模型算法，建立小流域平面混合产流模型，模型结构如图3-1。水文响应单元划分根据流域内不同区域的地形特征、土壤类型、土地利用和植被类型、雨量站点分布、温度站点分布和水文站点分布信息将流域划分为一个个单元，同一单元内的地形地貌特征通常类似，分别包括快速响应单元、慢速响应单元、滞后响应单元和贡献较小单元。对于不同的水文响应单元，有不同的主导产流机制与其对应。更接近于流域内的真实情况。利用全国山洪灾害调查评价成果中的基础地理信息数据，主要包括1:5万DEM数据，基于2.5m和30m遥感影像数据分类提取的土地利用与指标类型数据，1:20万-1:100万比例尺的土壤类型和土壤质地数据，通过查找文献和数值模拟方法，定性和定量描述各种类型土壤的下渗能力和对产流的影响，建立小流域地貌水文响应单元的划分标准。在土壤参数基础上，根据各类土地利用类型和植被类型的流速系数，对洪水汇流的影响按照流速系数从小到大排列，并分为快、中、慢，三个属性。将产流和汇流属性特征相结合，形成小流域地貌水文响应单元的产流响应单元表。各地貌水文响应单元对应的主导产流机制如下表3-1。图3-1时空变源平面混合产流示意图Fig.3-1Schematicdiagramofspatio-tempor
3模型及工具软件介绍173.1.2垂向混合产流模型结构图3-2为时空变源混合产流模型垂向模型结构示意图，图3-4为垂向变源混合产流模型计算示意图，混合产流的产流成分有超渗产流、蓄满产流、优先流、壤中流和基流五个成分，其中超渗地表产流包括不透水面积的直接超渗地表产流与透水面积在雨强大于下渗能力时的超渗产流，蓄满产流包括上层土壤优先蓄满得到的蓄满产流以及土壤深层蓄满后向上层土壤补给产生的蓄满径流两个部分，优先流为上层土壤的出流，壤中流为下层土壤的出流，基流为地下水水库的出流，各产流成分的计算公式见下文。图3-2垂向变源混合产流模型结构图Fig.3-2Structurediagramofverticalvariablesourcemixedrunoffmodel图3-3垂向变源混合产流模型计算示意图Fig.3-3Schematicdiagramofverticalvariablesourcemixedrunoffmodelcalculation
【参考文献】：
期刊论文
[1]小流域暴雨山洪水文模型与水动力学方法计算比较分析[J]. 刘昌军,文磊,周剑,赵悬涛,郭良,魏永强. 中国水利水电科学研究院学报. 2019(04)
[2]温德河流域暴雨洪水时空特征及模拟分析[J]. 马珊,刘昌军,何秉顺,张弛,王浩. 水利水电技术. 2019(06)
[3]API模型和新安江模型的参数区域化研究与应用[J]. 姚成,邱桢毅,李致家,胡维登,许洁. 河海大学学报(自然科学版). 2019(03)
[4]基于人工智能和大数据驱动的新一代水文模型及其在洪水预报预警中的应用[J]. 刘昌军. 中国防汛抗旱. 2019(05)
[5]基于运动波方程的地面集水时间计算及参数研究[J]. 任俊雯,梁小光,陶涛,信昆仑,颜合想. 中国给水排水. 2019(01)
[6]中国山洪灾害防御关键技术[J]. 郭良,丁留谦,孙东亚,刘昌军,何秉顺,刘荣华. 水利学报. 2018(09)
[7]无测站流域径流预测区域化方法研究进展[J]. 于瑞宏,张宇瑾,张笑欣,刘廷玺. 水利学报. 2016(12)
[8]参数区域化在乏资料地区水文预报中应用研究综述[J]. 毛能君,夏军,张利平,邹磊,石卫. 中国农村水利水电. 2016(12)
[9]稀缺资料流域水文计算若干研究:以青藏高原为例[J]. 刘昌明,白鹏,王中根,刘苏峡,刘小莽. 水利学报. 2016(03)
[10]缺资料流域水文模型参数区域化研究进展[J]. 李红霞,张新华,张永强,黎小东,敖天其. 水文. 2011(03)
博士论文
[1]基于数字化平台的分布式流域水文模型和流域汇流研究[D]. 孔凡哲.河海大学 2003
硕士论文
[1]无资料地区短期水文预报方法研究与应用[D]. 金倩芳.华中科技大学 2019
[2]河南省无资料地区产流特性及参数区域化研究[D]. 马珊.大连理工大学 2019
本文编号：3368610
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