CN106980764B - 一种通用的直接利用遥感蒸发的水文模拟方法 - Google Patents
一种通用的直接利用遥感蒸发的水文模拟方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种通用的直接利用遥感蒸发的水文模拟方法，包括：收集资料和选择或构建模型；模拟和计算效率；第二次模拟；精选模拟方案。本发明采用在判断多组遥感蒸发资料精度和水文模型蒸发过程代表性的基础上进行两次模拟，在第二次模拟中将遥感蒸发直接输入流域水文模型，代替模型中的蒸散发计算模块，并通过水文模拟评价指数找到最佳模拟方案。水文模拟的多组遥感蒸发数据相互比较，减小了因遥感蒸发数据输入所引起的水文模拟的不确定性。本发明所确立的遥感蒸发数据的使用条件，适用于各种水文模型，具有通用性且操作简单易行，可广泛应用于流域水文模拟的提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种通用的直接利用遥感蒸发的水文模拟方法，是一种水文研究方法。
背景技术
流域水文模拟是指通过输入降雨、潜在蒸发等水文资料，采用水文模型对流域蒸散发、产流、坡面汇流及河道汇流过程进行模拟，在水资源管理评价、防洪减灾等领域应用广泛。水文模拟的不确定性来自多方面，包括模型输入，模型结构和模型参数。模型输入包括降水和蒸发，其中降水可由气象站直接观测，准确可靠的蒸发数据则成为提高水文模拟的关键。
蒸发是流域水文循环和水量平衡的重要组成。目前，流域水文模拟均通过水文模型中的蒸散发计算模块模拟蒸发，进而计算产流；如今，蒸发可由遥感技术实现高精度反演，则可将遥感蒸发直接输入流域水文模型，以代替其中的蒸散发计算模块。
现有的直接利用遥感蒸发的流域水文模拟主要步骤为：①分别收集整理流域历史常规水文资料和遥感蒸发资料；②根据流域特点和可用的水文资料，选择或构建流域水文模型；③通过对模型结构进行修订，直接输入遥感蒸发以代替其中的蒸散发计算模块，进行水文模拟；④选取评价指标，对径流模拟结果进行精度评定。
现行方法存在的问题是：
(1)在直接利用遥感蒸发过程中，未考虑因遥感蒸发数据输入和水文模型中蒸散发计算模块结构两个因素所引起的水文模拟的不确定性，模拟精度不高；
(2)未采用多组遥感蒸发数据相互比较；
(3)径流模拟结果受到遥感蒸发数据精度和水文模型蒸发过程代表性的影响，没有形成通用的利用遥感蒸发提高径流模拟的方法，因而未能广泛应用。
发明内容
为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种通用的直接利用遥感蒸发的水文模拟方法。所述的方法在判断多组遥感蒸发资料精度和水文模型蒸发过程代表性的基础上，直接利用遥感蒸发进行流域水文模拟。
本发明的目的是这样实现的：一种通用的直接利用遥感蒸发的水文模拟方法，包括如下步骤：
收集资料和选择或构建模型的步骤：分别收集整理被研究流域的历史常规水文资料和多组遥感蒸发资料，所述的历史常规水文资料包括：被研究流域的降雨、流量和潜在蒸发资料；根据流域特点和水文资料，选择或构建被研究流域水文模型；
第一次模拟和计算效率的步骤：将降雨、潜在蒸发资料输入流域水文模型，进行第一次水文模拟，包括径流模拟和蒸发模拟，得到流量模拟序列和蒸发模拟序列。将m组不同的遥感蒸发资料当作蒸发观测值，分别计算径流模拟效率NSEQ和m组蒸发模拟效率NSEE；
模拟效率采用如下公式计算：
式中：Qoi、Qsi分别为第i时段的流量实测值和模拟值；Eoi、Esi、分别为第i时段的遥感蒸发实测值和模拟值；分别为实测流量值和实测蒸发值的均值；i＝1，2，……，N，N为总时段数；NSEE，k为用第k组遥感蒸发资料计算的NSEE值，其中k＝1，2，……，m，m为遥感蒸发值组数；
第二次模拟的步骤：选取m组遥感蒸发资料中，所得到的蒸发模拟效率NSEE结果为合理的m1组遥感蒸发资料，进行第二次水文模拟。在第二次水文模拟的过程中，将满足要求的m1组遥感蒸发资料分别直接输入水文模型，以代替原水文模型中的蒸发计算模块，进行径流模拟，得到m1组流量模拟序列；
精选模拟方案的步骤：使用水文模拟评价指标对m1组径流模拟结果进行精度评定，选取精度最高的水文模拟方案为最佳水文模拟方案。
进一步的，所述的被研究流域水文模型是三水源新安江模型或SWAT模型。
进一步的，所述的蒸发模拟结果合理的模拟过程是指：NSEE,k>0.3的蒸发模拟过程。
进一步的，所述的水文模拟评价指标是：纳什效率系数NSE，所述的NSE计算如公式如下：
本发明产生的有益效果是：本发明采用在判断多组遥感蒸发资料精度和水文模型蒸发过程代表性的基础上进行两次模拟，在第二次模拟中将遥感蒸发直接输入流域水文模型，代替模型中的蒸散发计算模块，并通过水文模拟评价指数找到最佳模拟方案。水文模拟的多组遥感蒸发数据相互比较，减小了因遥感蒸发数据输入所引起的水文模拟的不确定性。本发明所确立的遥感蒸发数据的使用条件，适用于各种水文模型，具有通用性且操作简单易行，可广泛应用于流域水文模拟的提高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的实施例一所述方法的流程图；
图2是三水源新安江模型流程图。
具体实施方式
实施例一：
本实施例是一种通用的直接利用遥感蒸发的水文模拟方法，流程如图1所示。
以A流域的水文模拟为应用实例，按照图1所示流域水文模拟方法流程进行日尺度水文模拟举例，以说明本实施例的水文模拟过程。
应用实例：被研究流域是位于美国阿肯色州的A流域，其具体经纬度为北纬36°12′19″，西经91°10′19″，气候温和、偏湿润。流域面积3064km2，多年平均降雨量为1155mm，多年平均径流量为464mm，径流系数为0.37。本实施例中以采用三水源新安江模型，直接利用E1、E2、E3这三组遥感蒸发资料进行水文模拟为例。
本实施例所述方法的具体步骤如下：
(一)收集资料和选择或构建模型的步骤：分别收集整理被研究流域的历史常规水文资料和多组遥感蒸发资料，所述的历史常规水文资料包括：被研究流域的降雨、流量和潜在蒸发资料；根据流域特点和水文资料，选择或构建被研究流域水文模型。
所述的历史常规水文资料是指，经过多年水文观测所得到的大量水文资料，从中获取对本实施例所述水文模拟可用的资料。所述的可以资料包括：被研究流域的降雨、流量和潜在蒸发资料，以及与水文有关的地形、地貌等资料。
所述的水文模型有多种选择，可以是三水源新安江模型、SIMHYD模型、GR4J模型、SWAT模型或其他与之类似的水文模型。
分别收集整理A流域历史常规水文资料(降雨、流量和潜在蒸发资料)和三组遥感蒸发资料(E1、E2、E3)，根据A流域温和、偏湿润的气候特征和可用的水文资料，构建三水源新安江模型。
(二)第一次模拟和计算效率的步骤：将降雨、潜在蒸发资料输入流域水文模型，进行第一次水文模拟，包括径流模拟和蒸发模拟，得到流量模拟序列和蒸发模拟序列。将m组不同的遥感蒸发资料当作蒸发观测值，分别计算径流模拟效率NSEQ和m组蒸发模拟效率NSEE。
模拟效率采用如下公式计算：
蒸发模拟效率采用如下公式计算：
式中：Qoi、Qsi分别为第i时段的流量实测值和模拟值；Eoi、Esi分别为第i时段的遥感蒸发实测值和模拟值；分别为实测流量值和实测蒸发值的均值；i＝1，2，……，N，N为总时段数；NSEE，k为用第k组遥感蒸发资料计算的NSEE值，其中k＝1，2，……，m，m为遥感蒸发值组数。
本实施例所述的第一次模拟就是按照原有的水文模拟过程进行模拟(传统水文模拟)，如采用三水源新安江模型模拟，就按照原三水源新安江模型所规定的模拟方法输入参数，进行第一次模拟。
接上述实例：通过三水源新安江模型进行A流域水文模拟，将三组(m＝3)遥感蒸发资料当作蒸发观测值，分别计算径流模拟效率NSEQ和三组蒸发模拟效率NSEE1、NSEE2、NSEE3，结果如下表所示(精度均为检验期结果)：
(三)选取m组遥感蒸发资料中，经所得到的蒸发模拟效率NSEE的结果为合理的m1组遥感蒸发资料，进行第二次水文模拟。在第二次水文模拟的过程中，将满足要求的m1组遥感蒸发资料分别直接输入水文模型，以代替原水文模型中的蒸发计算模块，进行径流模拟，得到m1组流量模拟序列；
本实施例所述的第二次模拟是指：经过第一次模拟后精选出的几组数据被认为是合理，能够作为进一步模拟的基础。
接上述应用实例：根据上表结果可知，只有NSEE2、NSEE3满足大于0.3的使用条件，由此对三水源新安江模型结构进行修订。修订的方法是：分别以输入2组(m1＝2)遥感蒸发资料E2、E3的蒸发观测值直接代替原三水源模型中的三层蒸发计算模块的计算值，进行流域水文模拟。
(四)精选模拟方案的步骤：使用水文模拟评价指标对m1组径流模拟结果进行精度评定，选取精度最高的水文模拟方案为最佳水文模拟方案。
水文模拟评价指标可以使用纳什效率系数NSE或类似的系数进行评价。
接上述应用实例：选取水量平系数WBI和纳什效率系数NSE两项水文模拟评价指标，对以上两组径流模拟结果进行精度评定，NSE结果如上表所示，可知相比传统水文模拟两组方案均提高了径流模拟精度。最后选取精度较高的模拟方案：直接输入遥感蒸发E2，代替新安江模型中三层蒸发模块，作为最佳模拟方案。
实施例二：
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于被研究流域水文模型的细化。本实施例所述的被研究流域水文模型是三水源新安江模型或SWAT模型。
新安江模型中，模型流程如图2所示，按土壤垂直分布的不均匀性将土层分为三层，用三层蒸散发模型计算蒸散发量。计算公式如下：
WM＝UM+LM+DM (2.2)
W＝WU+WL+WD (2.3)
E＝EU+EL+ED (2.4)
式中：W为总的张力水蓄量，mm；WU为上层张力水蓄量，mm；WL为下层张力水蓄量，mm；WD为深层张力水蓄量，mm；E为总的蒸发量，mm；EU为上层蒸散发量mm；EL为下层蒸散发量mm；ED为深层蒸散发量mm；
按照先上层后下层的次序，具体分为如下四种情况计算(其中，EP为潜在蒸发)：
(1)当WU+P≥EP时，
EU＝EP，EL＝0，ED＝0，
(2)当WU+P＜EP，且WL≥C·WLM时，
EU＝WU+P，EL＝(EP－EU)·WL/WLM，ED＝0，
(3)当WU+P＜EP，且C·(EP－EU)≤WL＜C·WLM时，
EU＝WU+P，EL＝C·(EP－EU)，ED＝0，
(4)当WU+P＜EP，且WL＜C·(EP－EU)时，
EU＝WU+P，EL＝WL，ED＝C·(EP－EU)－WL。
实施例三：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于蒸发模拟结果合理的模拟过程的细化。本实施例所述的蒸发模拟结果合理的模拟过程是指：NSEE>0.3的蒸发模拟过程。
纳什效率系数NSE的取值范围为(-∞，1)，但有意义的范围应为正值且越接近于1表示模拟精度越高。一般在水文模拟中将模拟结果合理的条件设为NSE大于某一阈值(如这里的0.3，也可取0.5、0.6等)，阈值的选取应根据具体情况而定。
实施例四：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于水文模拟评价指标的细化。本实施例所述的水文模拟评价指标是：纳什效率系数NSE，
所述的纳什效率系数NSE计算如公式如下：
纳什效率系数NSE在评价水文模拟和预报精度中应用广泛，表示模拟序列与观测序列的吻合程度，其取值范围为(-∞，1)，但有意义的范围应为正值，且越接近于1表示模拟精度越高。
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如各种公式的运用、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种通用的直接利用遥感蒸发的水文模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
收集资料和选择或构建模型的步骤：分别收集整理被研究流域的历史常规水文资料和多组遥感蒸发资料，所述的历史常规水文资料包括：被研究流域的降雨、流量和潜在蒸发资料；根据流域特点和水文资料，选择或构建被研究流域水文模型；
第一次模拟和计算效率的步骤：将降雨、潜在蒸发资料输入流域水文模型，进行第一次水文模拟，包括径流模拟和蒸发模拟，得到流量模拟序列和蒸发模拟序列；
将m组不同的遥感蒸发资料当作蒸发实测值，分别计算径流模拟效率NSEQ和m组蒸发模拟效率NSEE；
模拟效率采用如下公式计算：
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式中：Qoi、Qsi分别为第i时段的流量实测值和模拟值；Eoi、Esi分别为第i时段的遥感蒸发实测值和模拟值；分别为实测流量值和实测蒸发值的均值；i＝1，2，……，N，N为总时段数；NSEE，k为用第k组遥感蒸发资料计算的NSEE值，其中k＝1，2，……，m，m为遥感蒸发值组数；
第二次模拟的步骤：选取m组遥感蒸发资料中，所得到的蒸发模拟效率NSEE的结果为合理的m1组遥感蒸发资料，进行第二次水文模拟；
在第二次水文模拟的过程中，将满足要求的m1组遥感蒸发资料分别直接输入水文模型，以代替原水文模型中的蒸发计算模块，进行径流模拟，得到m1组流量模拟序列；
精选模拟方案的步骤：使用水文模拟评价指标对m1组径流模拟结果进行精度评定，选取精度最高的水文模拟方案为最佳水文模拟方案。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的被研究流域水文模型是三水源新安江模型或SWAT模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的蒸发模拟效率结果合理的模拟过程是指：NSEE，k>0.3的蒸发模拟过程。
4.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述的水文模拟评价指标是：纳什效率系数NSE，所述的NSE计算如公式如下：
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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