CN109325206A - 一种降雨径流模型参数优化方法 - Google Patents

一种降雨径流模型参数优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种降雨径流模型参数优化方法包括如下方法步骤：a)计算降雨径流模型，得到集水区的计算出流量，同时获取降雨过程集水区的观测出流量；b)建立目标函数，在所述目标函数中引入降雨径流模型的计算得到的计算出流量与观测得到的观测出流量；c)求解步骤b)中目标函数，优化调整降雨径流模型的参数。本发明通过对降雨径流模型计算得到的出流量与观测得到出流量建立目标函数，对目标函数进行梯度计算优化降雨径流模型的参数，使降雨径流模型的计算结果更加接近实际情况。

Description

一种降雨径流模型参数优化方法
技术领域
本发明涉及降雨径流模型参数优化技术领域，特别涉及一种降雨径流模型参数优化方法。
背景技术
各类自然灾害的频繁发生一直是威胁人类生命和财产，其中尤以暴雨洪水灾害为最多。对降雨径流预测，减少暴雨洪水灾害带来的损失，对于维护社会安定，加强区域水资源的宏观管理、优化调度和开发利用，具有重要的指导意义。
降雨径流模型作为对降雨径流预测的计算机辅助工具，能够很好的对降雨径流进行模拟计算，但是现有技术中，降雨径流模型种类繁多，例如有水筒模型、纳许瞬时单位曲线模型、克拉克单位曲线模型、SCS无因次单位曲线模型、三角单位曲线模型、无因次单位曲线模型、运动波平面模型、线性水库模型和分布式降雨径流模型等。
现有的降雨径流模型均有不同的参数，降雨径流模型的参数对在降雨径流预测具有极为重要的作用，很大程度上影响着降雨径流预测的准确性。
因此，为了解决现有技术中的上述问题，为降雨径流模型提供准确的参数，需要一种降雨径流模型参数优化方法对降雨径流模型参数进行优化调整。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降雨径流模型参数优化方法，所述方法包括如下方法步骤：
a)计算降雨径流模型，得到集水区的计算出流量，同时获取降雨过程集水区的观测出流量；
b)建立目标函数，在所述目标函数中引入降雨径流模型的计算得到的计算出流量与观测得到的观测出流量；
c)求解步骤b)中目标函数，优化调整降雨径流模型的参数。
优选地，计算降雨径流模型包括计算降雨径流模型得到地表及地下水出流量。
优选地，计算降雨径流模型得到地表及地下水出流量包括：
a1)降雨径流模型中引入地下水储蓄量参数；
a2)读取降雨时间序列表和地表水线性水库系数K、地下水线性水库系数Kgw、初始入渗率f0，长期入渗率fc，衰减系数Kf；
a3)计算降雨入渗量和地下水储蓄量，通过水文平衡方程差分处理后，更新降雨入渗量和地下径流量，
a4)判断集水区的降雨入渗量和地下径流量是否更新完成，若是，则将更新后的地下水径流量作为地下水出流量，若否，则返回步骤a3)重复计算降雨入渗量和地下水储蓄量，及更新降雨入渗量和地下径流量。
优选地，计算降雨入渗量包括如下方法：
计算降雨入渗率式中，f为降雨入渗率，f0为初始入渗率，fc为长期入渗率，Kf为衰减系数，Sb为地下水储蓄量；
将计算得到的降雨入渗率与集水区降雨量比较后，取较小值乘以集水区面积得到降雨入渗量。
优选地，，地下水储蓄量通过如下方法计算：
Sb＝KgwQb，式中，Sb为地下水储蓄量，Qb为地下水径流量，Kgw为地下水线性水库系数。
优选地，，所述水文平衡方程经差分处理后，得到线性水库模型Qt＝aft+bft-1+cQt-1，
其中，ft、ft-1分别为t及t-1时刻的实际降雨入渗流量，Qt、Qt-1分别为t及t-1时刻的地下径流量，a、b、c为系数，并分别满足： 其中，Kgw为线性水库系数。
优选地，所述目标函数通过如下任一方式建立：
(1)定义效率系数CE，其中，n为观测数据的个数，为第i时刻的观测出流量，为第i时刻的计算出流量，为观测出流量的平均值；
建立目标函数f(x)＝min|1-CE|，其中，x为降雨径流模型的参数；
(2)定义相关系数COR，其中，n为观测数据的个数，为第i时刻的观测出流量，为第i时刻的计算出流量，为观测出流量的平均值，为计算出流量的平均值；
建立目标函数f(x)＝min|1-COR|，其中，x为降雨径流模型的参数；
(3)定义加权系数WNSE，其中，n为观测数据的个数，为第i时刻的观测出流量，为第i时刻的计算出流量，为观测出流量的平均值；
建立目标函数f(x)＝min(WMSE)，其中，x为降雨径流模型的参数。
优选地，目标函数通过如下方法求解：
对目标函数采用差分法计算梯度： 其中，x，x1，…，xm为降雨径流模型的参数，m为降雨径流模型的参数的个数；
当大于预设阈值时，则将对应的参数x作为优化调整后的降雨径流模型的参数。
优选地，计算降雨径流模型还包括计算线性水库降雨径流模型得到地表水出流量。
本发明通过对降雨径流模型计算得到的出流量与观测得到出流量建立目标函数，对目标函数进行梯度计算，并藉由本发明的算法优化降雨径流模型的参数，使降雨径流模型的计算结果更加接近实际情况。
本发明针对降雨径流模型引入地下水储蓄量参数，考虑降雨入渗量随降雨的持续和地下水储蓄量的变化，动态计算地下水出流量，使降雨入渗和地下水径流的估算更加精确，进而使得降雨径流模型的参数优化更加合理。
本发明一种降雨径流模型参数优化方法，使优化后的参数更加符合降雨径流过程的客观事实，并且能够大幅缩短参数优化的时间。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明降雨径流模型参数优化方法的流程图。
图2示出了本发明一个实施例中分布式降雨径流模型计算出流量的流程图。
图3示出了本发明一个实施例中降雨径流模型参数优化前的计算出流量与观测出流量的对比曲线图。
图4示出了本发明一个实施例中降雨径流模型参数优化后的计算出流量与观测出流量的对比曲线图。
图5示出了本发明一个实施例中降雨径流模型的线性水库系数的修正次数示意图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例，相关技术术语应当是本领域技术人员所熟知的。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤，除非另有说明。下面通过具体的实施例对本发明降雨径流模型参数优化方法进行说明，为了解决现有技术中对降雨径流模型参数通过不断试错的导致的参数优化不准确，难以使降雨径流模型准确预测降雨径流的问题，本发明提出一种降雨径流模型参数优化方法，使优化后的参数更加符合降雨径流过程的客观事实。
本发明提供的一种降雨径流模型参数优化方法，如图1所示本发明一种降雨径流模型参数优化方法的流程图，一种降雨径流模型参数优化方法包括如下方法步骤。
步骤S1、获取计算出流量和观测出流量。
计算降雨径流模型，得到集水区的计算出流量，同时获取降雨过程集水区的观测出流量。本实施例中通过计算降雨径流模型获得集水区的地表及地下水出流量，通过集水区的观测站获取集水区的地下水出流量。
根据本发明的实施例，降雨入渗及地下水出流量模型(降雨径流模型)中引入地下水储蓄量参数Sb，动态计算地下水出流量，来实现动态计算降雨径流的地下水出流量。
引入地下水储蓄量的降雨径流模型为：式中，f为降雨入渗率，f0为初始入渗率，fc为长期入渗率，Kf为衰减系数，Sb为地下水储蓄量。
本实施例中对降雨径流模型中的参数K、f0、fc和Kgw进行优化调整。
在进行优化上述降雨径流模型中参数前，需要计算降雨径流模型来得到计算出流量，根据本发明本实施例中计算降雨径流模型包括计算降雨径流模型得到地表及地下水出流量，如图2所示本发明一个实施例中降雨径流模型计算出流量的流程图，计算降雨径流模型得到计算出流量包括如下方法步骤。
步骤S11、读取降雨时间序列表和地表水线性水库系数K、地下水线性水库系数Kgw、初始入渗率f0，长期入渗率fc，衰减系数Kf。
从该地区的档案库中读取降雨时间序列和地表水线性水库系数K，地表水线性水库系数为降雨径流模型的参数之一，根据经验得到，地表水线性水库系数也是本发明需要优化的参数。降雨时间序列表中包括不同集水区的平均降雨量、流量站的个数，不同集水区的地表出流量。
步骤S12、计算降雨入渗量和地下水储蓄量，通过水文平衡方程差分处理后，更新降雨入渗量和地下径流量。
计算降雨入渗量包括如下方法：
计算降雨入渗率式中，f为降雨入渗率，f0为初始入渗率，fc为长期入渗率，Kf为衰减系数，Sb为地下水储蓄量。
将计算得到的降雨入渗率与集水区降雨量比较后，取较小值乘以集水区面积得到降雨入渗量。
地下水储蓄量通过如下方法计算：
Sb＝KgwQb，式中，Sb为地下水储蓄量，Qb为地下水径流量，Kgw为线性水库系数。
水文平衡方程经差分处理后，得到线性水库模型Qt＝aft+bft-1+cQt-1，
其中，ft、ft-1分别为t及t-1时刻的实际降雨入渗流量，Qt、Qt-1分别为t及t-1时刻的地下径流量，a、b、c为系数，并分别满足： 其中，Kgw为线性水库系数。
步骤S13、判断降雨入渗量和地下径流量是否更新完成，若是，则将更新后的地下水径流量作为地下水出流量，若否，则返回步骤S12中重复计算降雨入渗量和地下水储蓄量，及更新降雨入渗量和地下径流量，直至全部计算完成。
通过上述方法对集水区的降雨径流演算完成后，得到集水区的出流量。上述计算过程中根据地下水储蓄量，动态计算降雨入渗和地表下储蓄量的变化，得到集水区的地下水径流量，无须对地表下径流量另外计算。
步骤S2、建立目标函数。
在步骤S1中通过计算降雨径流模型，得到计算出流量。通过集水区观测站得到观测出流量。在目标函数中引入降雨径流模型的计算得到的计算出流量与观测得到的观测出流量。
根据本发明的实施例，目标函数通过如下任一方式建立：
(1)定义效率系数CE，其中，n为观测数据的个数，为第i时刻的观测出流量，为第i时刻的计算出流量，为观测出流量的平均值；
建立目标函数f(x)＝min|1-CE|，其中，x为降雨径流模型的参数，例如本实施例中对应的参数包括地表水线性水库系数K、初始入渗率f0、为长期入渗率fc和地下水线性水库系数Kgw。
(2)定义相关系数COR，其中，n为观测数据的个数，为第i时刻的观测出流量，为第i时刻的计算出流量，为观测出流量的平均值，为计算出流量的平均值；
建立目标函数f(x)＝min|1-COR|，其中，x为降雨径流模型的参数，例如本实施例中对应的参数包括地表水线性水库系数K、初始入渗率f0、为长期入渗率fc和地下水线性水库系数Kgw。
(3)定义加权系数WMSE，其中，n为观测数据的个数，为第i时刻的观测出流量，为第i时刻的计算出流量，为观测出流量的平均值；
建立目标函数f(x)＝min(WMSE)，其中，x为降雨径流模型的参数，例如本实施例中对应的参数包括地表水线性水库系数K、初始入渗率f0、为长期入渗率fc和地下水线性水库系数Kgw。
对于通过定义效率系数CE建立的目标函数，效率系数应该小于1.0，当效率系数越接近于1.0，表示计算出流量与观测出流量越接近，此时对应的降雨径流模型的参数更加合理。
对于通过定义相关系数COR建立的目标函数，相关系数在0至1之间，越接近1，计算出流量与观测出流量相关性越高。
对于通过定义加权系数WMSE建立的目标函数，以观测出流量除以观测平均流量作为权重，流量越大，误差的权重越高。加权系数值越小，表示降雨径流模型计算的到计算出流量越合理。
步骤S3、求解目标函数，优化降雨径流模型。
在步骤S2中建立目标函数，通过求解建立的目标函数，来优化降雨径流模型的参数。
根据本发明目标函数通过如下方法求解：
对目标函数采用差分法计算梯度： 其中，x，x1，…，xm为降雨径流模型的参数，m为降雨径流模型的参数的个数。
当大于预设阈值时，则将对应的参数x作为优化调整后的降雨径流模型的参数。
本实施例中，选用上述定义效率系数CE建立的目函数和定义加权系数WNSE建立的目标函数为例进行优化降雨径流模型的参数：地表水线性水库系数K、初始入渗率f0、长期入渗率fc、和地下水线性水库系数Kgw。
如图3所示本发明一个实施例中降雨径流模型参数优化前的计算出流量与观测出流量的对比曲线图，图4所示本发明一个实施例中降雨径流模型参数优化后的计算出流量与观测出流量的对比曲线图，其中曲线a为参数优化前通过计算分布式降雨径流模型得到的计算出流量，曲线b为观测得到的观测出流量，曲线a’为参数优化后通过计算分布式降雨径流模型得到的计算出流量，b’为观测得到观测出流量。由图3和图4可以清晰的看到，通过本发明提供的降雨径流模型参数优化方法，能够使降雨径流模型的计算结果更加接近实际情况。表1为分布式降雨径流模型参数优化前后的对比。
表1 分布式降雨径流模型参数优化前后的对比
参数 优化前 优化后
K 5.7 1.73
K<sub>gw</sub> 20.0 16.16
f<sub>0</sub> 20.0 25.0
f<sub>c</sub> 3.5 8.86
效率系数CE 0.55 0.96
加权系数 42.42 13.19
本发明无须不断地给予不同的参数组合进行试错，能够大幅缩短参数优化的时间，如图5所示本发明一个实施例中降雨径流模型的地表水线性水库系数K的修正次数示意图，参数优化总共花费时间约0.0189秒，修正次数为107次，在第45次时已经趋于平稳。
本发明通过对降雨径流模型计算得到的出流量与观测流量建立目标函数，对目标函数进行梯度计算优化降雨径流模型的参数，使降雨径流模型的计算结果更加接近实际情况。
本发明针对降雨径流模型引入地下水储蓄量参数，考虑降雨入渗量随降雨的持续和地下水储蓄量的变化，动态计算地下水出流量，使降雨入渗和地下水径流的估算更加精确，进而使得降雨径流模型的参数优化更加合理。
本发明一种降雨径流模型参数优化方法，使优化后的参数更加符合降雨径流过程的客观事实，并且无须不断地给予不同的参数组合进行试错，能够大幅缩短参数优化的时间。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (8)

1.一种降雨径流模型参数优化方法，其特征在于，所述方法包括如下方法步骤：
a)计算降雨径流模型，得到集水区的计算出流量，同时获取降雨过程集水区的观测出流量；
b)建立目标函数，在所述目标函数中引入降雨径流模型的计算得到的计算出流量与观测得到的观测出流量；
c)求解步骤b)中目标函数，优化调整降雨径流模型的参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算降雨径流模型包括计算降雨径流模型得到地下水出流量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，计算降雨径流模型得到地下水出流量包括：
a1)降雨径流模型中引入地下水储蓄量参数；
a2)读取降雨时间序列表和地表水线性水库系数K、地下水线性水库系数Kgw、初始入渗率f0，长期入渗率fc，衰减系数Kf；
a3)计算降雨入渗量和地下水储蓄量，通过水文平衡方程差分处理后，更新降雨入渗量和地下径流量，
a4)判断集水区的降雨入渗量和地下径流量是否更新完成，若是，则将更新后的地下水径流量作为地下水出流量，若否，则返回步骤a3)重复计算降雨入渗量和地下水储蓄量，及更新降雨入渗量和地下径流量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，计算降雨入渗量包括如下方法：
计算降雨入渗率式中，f为降雨入渗率，f0为初始入渗率，fc为长期入渗率，Kf为衰减系数，Sb为地下水储蓄量；
将计算得到的降雨入渗率与集水区降雨量比较后，取较小值乘以集水区面积得到降雨入渗量。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，地下水储蓄量通过如下方法计算：
Sb＝KgwQb，式中，Sb为地下水储蓄量，Qb为地下水径流量，Kgw为地下水线性水库系数。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述水文平衡方程经差分处理后，得到线性水库模型Qt＝aft+bft-1+cQt-1，
其中，ft、ft-1分别为t及t-1时刻的实际降雨入渗流量，Qt、Qt-1分别为t及t-1时刻的地下径流量，a、b、c为系数，并分别满足： 其中，Kgw为线性水库系数。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标函数通过如下任一方式建立：
(1)定义效率系数CE，其中，n为观测数据的个数，为第i时刻的观测出流量，为第i时刻的计算出流量，为观测出流量的平均值；
建立目标函数f(x)＝min|1-CE|，其中，x为降雨径流模型的参数；
(2)定义相关系数COR，其中，n为观测数据的个数，为第i时刻的观测出流量，为第i时刻的计算出流量，为观测出流量的平均值，为计算出流量的平均值；
建立目标函数f(x)＝min|1-COR|，其中，x为降雨径流模型的参数；
(3)定义加权系数WNSE，其中，n为观测数据的个数，为第i时刻的观测出流量，为第i时刻的计算出流量，为观测出流量的平均值；
建立目标函数f(x)＝min(WMSE)，其中，x为降雨径流模型的参数。
8.根据权利要求1或7所述方法，其特征在于，目标函数通过如下方法求解：
对目标函数采用差分法计算梯度： 其中，x，x1，…，xm为降雨径流模型的参数，m为降雨径流模型的参数的个数；利用梯度作为参数优化的参考方向，修正参数；
当大于预设阈值时，则将对应的参数x作为优化调整后的降雨径流模型的参数。
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