基于分数瞬时单位线的流域汇流模型研究
发布时间：2021-12-28 05:36
Nash瞬时单位线反映了流域汇流的短程记忆特性,水流的运动过程往往具有历史依赖性和路径依赖性,表现为长记忆性,而分数阶微积分非常适合刻画具有记忆和遗传性质的过程。将Nash汇流系统中微分方程的阶次由整数阶扩展为分数阶,借助拉普拉斯变换得出了分数瞬时单位线,用于描述流域汇流的长程记忆性;并选取可以忽略产流误差影响的试验数据对分数瞬时单位线进行验证后,进一步将分数瞬时单位线应用于新安江模型的地表产流计算。结果表明:该模型可以在一定程度上提高高水部分的模拟效果,从而提高整体的模拟精度,但可能受产流误差的影响,洪峰和径流总量的模拟效果并没有得到明显改善。
【文章来源】：人民长江. 2020,51(08)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图1 分数瞬时单位线与Nash瞬时单位线对比
为了验证基于分数瞬时单位线汇流模型的适用性,选用铁道科学研究院西南研究所曾经做过的一组降雨径流试验数据,该套试验装置排除了入渗的影响,得出了不同降雨强度组合下的径流过程,即地表汇流过程和地面净雨的响应过程。由于剔除了产流和地下汇流误差的影响,该组试验数据可以直接反映地表汇流模型的模拟精度。试验参数如下:流域面积A=170 m2,计算时段为5 s。共有2场降雨径流过程,分别是净雨强度按0.3,0.5,0.9 mm/min的顺序各降60 s产生的径流过程,以及净雨强度按0.9,0.5,0.3 mm/min的顺序各降60 s产生的径流过程,如图2所示。分别采用分数瞬时单位线和Nash瞬时单位线进行上述试验地表汇流的计算,并以均方根误差最小为目标函数,采用SCE-UA算法进行模型参数的优化率定,其中第一场进行率定,第二场用于检验。分数瞬时单位线的参数率定结果为N=8.78,K=0.59 s,α=0.79;Nash瞬时单位线的参数率定结果为N=1.35,K=7.91 s。两种模型的模拟结果如图2所示,进一步统计两种模型的洪峰模拟误差和确定性系数(见表1)。相比Nash瞬时单位线,采用分数瞬时单位线进行地表径流的汇流计算,洪峰相对误差率定期从-3.96%提高到-0.99%,检验期从15.20%提高到10.29%;确定性系数也从率定期的0.90提高到0.96,检验期的0.82提高到0.90。可见,无论是洪峰还是洪水过程的模拟,分数瞬时单位线都要优于Nash瞬时单位线,分数阶的引入提高了模型的适应性。
基于新安江模型(XAJ)的计算框架,将其中地表汇流模块改用分数瞬时单位线模型,建立了改进的新安江模型(FXAJ)。选取汉江上游坝河流域进行模型的应用,分析改进模型的应用效果。坝河流域属于半湿润地区,出口断面的控制水文站为桂花园站,流域面积1 275 km2,多年平均降雨量为946 mm。流域内共有八道、桂花园、界岭、金石、秋坪、平利、桃园和兴隆沙8个雨量站,分布情况如图3所示,采用泰森多边形进行流域面平均雨量的计算。根据收集到的1980～1990年的日降雨、径流和蒸发资料,进行坝河流域日尺度水文模型的建模,其中1980～1987年作为率定期,1988～1990年作为检验期。采用SCE-UA算法进行模型参数的优化率定,并分别统计每年的洪峰相对误差、径流总量相对误差以及确定性系数,结果如表 2所示。为进一步说明改进模型的优劣,将新安江模型的精度评价结果一并列于表中。可以看出,在率定期,FXAJ模型的洪峰误差和径流总量误差以及确定性系数均优于XAJ模型的模拟结果;在检验期,洪峰误差和径流总量误差要大于XAJ模型的模拟结果,确定性系数相比XAJ模型则略有提高,由0.81提高到0.82。总体而言,FXAJ模型在洪水过程的模拟上要优于XAJ模型,但可能受产流误差的影响,洪峰和径流总量模拟效果并没有明显的改善。
本文编号：3553506
【文章来源】：人民长江. 2020,51(08)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图1 分数瞬时单位线与Nash瞬时单位线对比
为了验证基于分数瞬时单位线汇流模型的适用性,选用铁道科学研究院西南研究所曾经做过的一组降雨径流试验数据,该套试验装置排除了入渗的影响,得出了不同降雨强度组合下的径流过程,即地表汇流过程和地面净雨的响应过程。由于剔除了产流和地下汇流误差的影响,该组试验数据可以直接反映地表汇流模型的模拟精度。试验参数如下:流域面积A=170 m2,计算时段为5 s。共有2场降雨径流过程,分别是净雨强度按0.3,0.5,0.9 mm/min的顺序各降60 s产生的径流过程,以及净雨强度按0.9,0.5,0.3 mm/min的顺序各降60 s产生的径流过程,如图2所示。分别采用分数瞬时单位线和Nash瞬时单位线进行上述试验地表汇流的计算,并以均方根误差最小为目标函数,采用SCE-UA算法进行模型参数的优化率定,其中第一场进行率定,第二场用于检验。分数瞬时单位线的参数率定结果为N=8.78,K=0.59 s,α=0.79;Nash瞬时单位线的参数率定结果为N=1.35,K=7.91 s。两种模型的模拟结果如图2所示,进一步统计两种模型的洪峰模拟误差和确定性系数(见表1)。相比Nash瞬时单位线,采用分数瞬时单位线进行地表径流的汇流计算,洪峰相对误差率定期从-3.96%提高到-0.99%,检验期从15.20%提高到10.29%;确定性系数也从率定期的0.90提高到0.96,检验期的0.82提高到0.90。可见,无论是洪峰还是洪水过程的模拟,分数瞬时单位线都要优于Nash瞬时单位线,分数阶的引入提高了模型的适应性。
基于新安江模型(XAJ)的计算框架,将其中地表汇流模块改用分数瞬时单位线模型,建立了改进的新安江模型(FXAJ)。选取汉江上游坝河流域进行模型的应用,分析改进模型的应用效果。坝河流域属于半湿润地区,出口断面的控制水文站为桂花园站,流域面积1 275 km2,多年平均降雨量为946 mm。流域内共有八道、桂花园、界岭、金石、秋坪、平利、桃园和兴隆沙8个雨量站,分布情况如图3所示,采用泰森多边形进行流域面平均雨量的计算。根据收集到的1980～1990年的日降雨、径流和蒸发资料,进行坝河流域日尺度水文模型的建模,其中1980～1987年作为率定期,1988～1990年作为检验期。采用SCE-UA算法进行模型参数的优化率定,并分别统计每年的洪峰相对误差、径流总量相对误差以及确定性系数,结果如表 2所示。为进一步说明改进模型的优劣,将新安江模型的精度评价结果一并列于表中。可以看出,在率定期,FXAJ模型的洪峰误差和径流总量误差以及确定性系数均优于XAJ模型的模拟结果;在检验期,洪峰误差和径流总量误差要大于XAJ模型的模拟结果,确定性系数相比XAJ模型则略有提高,由0.81提高到0.82。总体而言,FXAJ模型在洪水过程的模拟上要优于XAJ模型,但可能受产流误差的影响,洪峰和径流总量模拟效果并没有明显的改善。
本文编号：3553506
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