CN109684660A - 一种适合喀斯特地区的概念式水文模型组合预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合喀斯特地区的概念式水文模型组合预报方法，属于水文预报领域。其利用岩溶水箱技术构建岩溶水文模型，再将该岩溶水文模型与蓄满产流机制的传统概念式水文模型进行融合，得到一个适用于喀斯特地区的概念式水文组合预报模型，采用多目标优化算法对模型参数进行率定，以流域降雨蒸发数据驱动模型，得到该流域的径流预报，并将预报结果与实测径流过程和传统模型的预报结果进行对比。本发明引入了组合预报概念和多目标参数率定方法，弥补了单纯概念式水文模型与单纯岩溶水箱模型在岩溶地区预报的不足，更好地反映了岩溶地区的产汇流特性。本发明方法为岩溶地区的水文预报提供了新的方法和思路。

Description

一种适合喀斯特地区的概念式水文模型组合预报方法

技术领域

本发明属于水文预报技术领域，具体涉及一种适合喀斯特地区的概念式水文模型组合预报方法。

背景技术

喀斯特地区多裂隙节理、落水洞、石林、峰丛、地下暗河等发育，导致含水介质的强烈非均质性，其产流-汇流机制不同于其它流域。

已有的研究主要是单纯的传统概念式水文模型或者单纯的岩溶水文模型，前者主要问题在于不能很好地反映岩溶区域的水文规律；另外，在面积较大喀斯特地貌中，岩溶面积与非岩溶面积是同时存在的，使得后者也不能很好的描述区域的产汇流特点。

因此，程根伟[新安江岩溶水文模型.水电能源科学,1991,92(2):139-144.]提出了一种新安江岩溶方法，但该方法没有明确提出组合预报的方法，亦没有采用多目标优选方法进行参数率定。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适合喀斯特地区的概念式水文模型组合预报方法，其目的在于，将传统概念式水文模型和岩溶水箱模型结合在一起，同时兼顾了湿润地区的蓄满产流和岩溶地区的产汇流特征，并将多目标参数率定应用到组合模型中，有效降低了模型参数的不确定性，从模型结构和参数两方面提高了水文模型在岩溶地区的降雨径流预报能力和精度。经证实，本发明所提模型在进行峰值模拟和退水阶段预报时，组合模型明显优于传统概念式新安江模型。

为实现上述目的，本发明提供了一种适合喀斯特地区的概念式水文模型组合预报方法，其包括以下步骤：

步骤1，搜集水文模型输入资料，包括区域历史观测降雨、蒸发、径流的水文气象数据及流域的DEM地形资料，将实测水文气象数据分为两部分，一部分用于模型率定，一部分用于模型检验；

步骤2，提取河网、水系，进行子流域的划分，采用泰森多边形方法计算各子流域面平均雨量和蒸发量；

步骤3，对研究区域建立概念式岩溶水箱模型；

步骤4，构建融合蓄满产流和岩溶水文特性的组合预报体系；

步骤5，组合水文模型参数多目标优选，具体的，利用多目标优化算法以洪量目标、确定性目标和洪峰目标作为目标函数优化率定各个水文模型参数；

步骤6，开展实时降雨-径流预报，并从水源划分和退水时期的径流特点入手，判定组合模型的合理性和可靠性。

进一步的，所述步骤2具体包括：

(2-1)河网水系提取、子流域划分具体为：借助ArcGIS工具对流域DEM数据依次利用填洼工具、流向工具、流量工具、分水岭工具得到流域边界及河网水系，通过捕捉子流域的出口点，再利用分水岭工具将流域划分为若干个小流域，

(2-2)面蒸发、面降雨量计算，具体为，利用ArcGIS中的泰森多边形工具，根据流域内雨量站对流域进行划分，计算每个多边形的面积，计算每个站点所代表的多边形面积占总流域面积的权重，根据每个站点的权重将各个站点的降雨量与蒸发量转换为流域的面雨量和面蒸发量，再根据历史资料的长度将数据划分为率定期与检验期，其中：

式中：为流域面降雨量，单位为mm；x_i为雨量站i点降雨量，单位为mm；f_i为雨量站i代表的流域面积；A为流域总面积。

进一步的，所述步骤3中岩溶水文模型由两个水箱组成，水箱V₁代表整个岩溶区域，其作用是将径流划分成不同水源，包括快速径流R_KS、直接岩溶水R_KB、岩溶地下径流R_KG，水箱V₂代表表层岩溶，用于对直接岩溶水进行调蓄出流，其具体包括如下子步骤：

(3-1)岩溶面积上降水P去除本时段蒸发E作为岩溶蓄水库V₁的输入，S_K为岩溶蓄水库的当前蓄水量，当蓄水量S_K大于岩溶蓄水库的蓄水容量K_M时，超过部分作为快速岩溶地表径流R_KS，R_KS公式表达式为：

(3-2)剩下蓄水容量V₁分别按线性出流系数K_KB、K_KG出流形成直接岩溶径流R_KB和岩溶地下径流R_KG，门槛参数H_K用于反映岩溶垂直节理发育程度，只有当S_K超过H_K时才会产生直接岩溶径流R_KB，其计算公式为：

R_KG＝K_KG×S_K,S_K≥0 (4)

(3-3)直接岩溶径流R_KB进入岩溶调蓄水箱V₂进行调蓄输出，调蓄公式为：

Q_K＝Q_K0×C_K+(1-C_K)×R_KB×U (5)

式中：Q_K是水箱V₂的输出流量；Q_K0是上一时段V₂输出流量；C_K是消退系数；U是单位转换系数。

进一步的，所述步骤4中具体包括：

(4-1)通过喀斯特地区岩溶面积权重I_K将三水源新安江模型与岩溶水文模型进行并联组合，构建一种融合蓄满产流和岩溶水文特性的组合预报体系；

(4-2)将岩溶模型中的快速径流和岩溶地下水与三水源新安江模型中的地面径流和地下径流分别合并为总的地表径流和总的地下径流，分别进入新安江模型的线性水库中调节输出；

(4-3)将岩溶模型中的直接岩溶水与三水源新安江模型中的壤中流分别调蓄后输出。

进一步的，所述步骤5中具体包括如下子步骤：

(5-1)将步骤2中率定期的降雨蒸发数据输入到步骤4建立的组合模型，并选取洪量误差、确定性系数以及洪峰相对误差作为目标函数，用多目标优化算法对水文组合预报模型进行参数率定，其中，目标函数公式如下：

(1)洪量目标Obj₁

(2)确定性目标Obj₂

Obj₂＝1-DC (8)

(3)洪峰目标Obj₃

式中，Q_obs,i为流量实测值；Q_sim,i为流量预测值；n为资料序列长度；DC为确定性系数；实测值的均值；Q'_obs,i为实测场次洪水洪峰值；Q'_sim,i为场次洪水预测值；N为资料场次洪水数，

(5-2)对率定好的参数进行合理性检验，共率定了16个三水源新安江模型参数和6个岩溶水箱模型参数。

这里需要对岩溶面积权重参数I_K进行验证。利用栅格图层将研究流域的岩溶面积分布表示出来，用ArcGIS工具箱计算岩溶区域面积和流域的总面积，计算出岩溶面积比是否与率定的I_K接近。

进一步的，所述步骤6中具体包括：

(6-1)利用步骤2中的降雨蒸发数据驱动水文组合模型，开展实时降雨径流预报，将其模拟结果与实测流量过程、传统三水源新安江模型模拟结果进行比较，

(6-2)对组合模型模拟的结果与传统新安江模型模拟的结果分水源进行对比，分为地表水、壤中流、地下水三种成分分别对比，

(6-3)对两种模型模拟径流的退水过程进行对比。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明针对面积较大的喀斯特地区既有蓄满产流又有岩溶水文特性的问题，提出了适合喀斯特地区的概念式水文模型组合预报方法。该模型同时兼顾了蓄满产流和岩溶产流，从降雨产流物理机制上降低了水文模型的结构不确定性，并利用多目标参数率定技术，减小了模型参数的不确定性，因此从模型结构和参数两个方面提高了模型的预报能力和精度，为喀斯特地区的水文预报提供了一种新的方法和思路。

本发明证实了所提模型在进行峰值模拟和退水阶段预报时，组合模型明显优于传统概念式新安江模型。

附图说明

图1为本发明方法的原理流程图；

图2为本发明中喀斯特地区概念式水文组合预报体系结构图；

图3为本发明中喀斯特地区概念式水文组合模型模拟径流过程结果对比图；

图4为本发明中喀斯特地区概念式水文组合模型模拟退水过程结果对比图；

图5为本发明中喀斯特地区概念式水文组合模型模拟地表水过程结果对比图；

图6为本发明中喀斯特地区概念式水文组合模型模拟壤中流过程结果对比图；

图7为本发明中喀斯特地区概念式水文组合模型模拟地下水过程结果对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出一种适合喀斯特地区的概念式水文模型组合预报方法，该组合模型有效的将传统概念式水文模型和岩溶水箱模型结合在一起，同时兼顾了湿润地区的蓄满产流和岩溶地区的产汇流特征，并将多目标参数率定应用到组合模型中，有效降低了模型参数的不确定性，从模型结构和参数两方面提高了水文模型在岩溶地区的降雨径流预报能力和精度。

本发明提供了一种适合喀斯特地区的概念式水文模型组合预报方法，其包括以下步骤：

步骤1，搜集水文模型输入资料，包括区域历史观测降雨、蒸发、径流的水文气象数据及流域的DEM地形资料，将实测水文气象数据分为两部分，一部分用于模型率定，一部分用于模型检验；

步骤2，提取河网、水系，进行子流域的划分，采用泰森多边形方法计算各子流域面平均雨量和蒸发量；

步骤2具体包括：

(2-1)河网水系提取、子流域划分具体为：借助ArcGIS工具对流域DEM数据依次利用填洼工具、流向工具、流量工具、分水岭工具得到流域边界及河网水系，通过捕捉子流域的出口点，再利用分水岭工具将流域划分为若干个小流域，

(2-2)面蒸发、面降雨量计算，具体为，利用ArcGIS中的泰森多边形工具，根据流域内雨量站对流域进行划分，计算每个多边形的面积，计算每个站点所代表的多边形面积占总流域面积的权重，根据每个站点的权重将各个站点的降雨量与蒸发量转换为流域的面雨量和面蒸发量，再根据历史资料的长度将数据划分为率定期与检验期，其中：

式中：为流域面降雨量，单位为mm；x_i为雨量站i点降雨量，单位为mm；f_i为雨量站i代表的流域面积；A为流域总面积。

步骤3，对研究区域建立概念式岩溶水箱模型；步骤3中岩溶水文模型由两个水箱组成，水箱V₁代表整个岩溶区域，其作用是将径流划分成不同水源，包括快速径流R_KS、直接岩溶水R_KB、岩溶地下径流R_KG，水箱V₂代表表层岩溶，用于对直接岩溶水进行调蓄出流，其具体包括如下子步骤：

(3-1)岩溶面积上降水P去除本时段蒸发E作为岩溶蓄水库V₁的输入，S_K为岩溶蓄水库的当前蓄水量，当蓄水量S_K大于岩溶蓄水库的蓄水容量K_M时，超过部分作为快速岩溶地表径流R_KS，R_KS公式表达式为：

(3-2)剩下蓄水容量V₁分别按线性出流系数K_KB、K_KG出流形成直接岩溶径流R_KB和岩溶地下径流R_KG，门槛参数H_K用于反映岩溶垂直节理发育程度，只有当S_K超过H_K时才会产生直接岩溶径流R_KB，其计算公式为：

R_KG＝K_KG×S_K,S_K≥0 (4)

(3-3)直接岩溶径流R_KB进入岩溶调蓄水箱V₂进行调蓄输出，调蓄公式为：

Q_K＝Q_K0×C_K+(1-C_K)×R_KB×U (5)

式中：Q_K是水箱V₂的输出流量；Q_K0是上一时段V₂输出流量；C_K是消退系数；U是单位转换系数。

步骤4，构建融合蓄满产流和岩溶水文特性的组合预报体系；步骤4中具体包括：

(4-1)通过喀斯特地区岩溶面积权重I_K将三水源新安江模型与岩溶水文模型进行并联组合，构建一种融合蓄满产流和岩溶水文特性的组合预报体系；

(4-2)将岩溶模型中的快速径流和岩溶地下水与三水源新安江模型中的地面径流和地下径流分别合并为总的地表径流和总的地下径流，分别进入新安江模型的线性水库中调节输出；

(4-3)将岩溶模型中的直接岩溶水与三水源新安江模型中的壤中流分别调蓄后输出。

步骤5，组合水文模型参数多目标优选，具体的，利用多目标优化算法以洪量目标、确定性目标和洪峰目标作为目标函数优化率定各个水文模型参数；

步骤5中具体包括如下子步骤：

(5-1)将步骤2中率定期的降雨蒸发数据输入到步骤4建立的组合模型，并选取洪量误差、确定性系数以及洪峰相对误差作为目标函数，用多目标优化算法对水文组合预报模型进行参数率定，其中，目标函数公式如下：

(1)洪量目标Obj₁

(2)确定性目标Obj₂

Obj₂＝1-DC (8)

(3)洪峰目标Obj₃

式中，Q_obs，i为流量实测值；Q_sim，i为流量预测值；n为资料序列长度；DC为确定性系数；实测值的均值；Q'_obs,i为实测场次洪水洪峰值；Q'_sim,i为场次洪水预测值；N为资料场次洪水数，

(5-2)对率定好的参数进行合理性检验，共率定了16个三水源新安江模型参数和6个岩溶水箱模型参数。

这里需要对岩溶面积权重参数I_K进行验证。利用栅格图层将研究流域的岩溶面积分布表示出来，用ArcGIS工具箱计算岩溶区域面积和流域的总面积，计算出岩溶面积比是否与率定的I_K接近。

步骤6，开展实时降雨-径流预报，并从水源划分和退水时期的径流特点入手，判定组合模型的合理性和可靠性，

步骤6中具体包括：

(6-1)利用步骤2中的降雨蒸发数据驱动水文组合模型，开展实时降雨径流预报，将其模拟结果与实测流量过程、传统三水源新安江模型模拟结果进行比较，

(6-2)对组合模型模拟的结果与传统新安江模型模拟的结果分水源进行对比，分为地表水、壤中流、地下水三种成分分别对比，

(6-3)对两种模型模拟径流的退水过程进行对比。

为了更清晰的展现本发明的目的和技术方案，以下以广西桂江流域为例，结合附图对本发明进一步详细说明，具体实施步骤如图1：

步骤1，收集流域内平乐、阳朔、恭城和桂林4个水文站点的降雨蒸发数据，及平乐水文站的实测流量数据。

步骤2，通过捕捉子流域的出口点，再利用分水岭工具将流域划分为若干个小流域，借助ArcGIS工具箱中的泰森多边形工具将流域内站点降雨蒸发数据按权重转换为面雨量和蒸发。将2001-2004作为率定期，2005-2007作为检验期。

步骤3，如图2中的虚线框中所示，采用水箱技术构建具有两个水箱的岩溶水文模型，水箱V₁代表整个岩溶区域，它将径流划分不同水源：快速径流R_KS、直接岩溶水R_KB、岩溶地下径流R_KG，水箱V₂代表表层岩溶，用于对直接岩溶水进行调蓄出流。各水源计算公式见(2)、(3)和(4)，调蓄公式见(5)。

步骤4，如图2所示，通过喀斯特地区岩溶面积权重I_K将三水源新安江模型与岩溶水文模型进行融合。岩溶模型中的快速径流和岩溶地下水与三水源新安江模型中的地面径流和地下水分别合并为总的地表径流和地下径流，分别进入新安江模型的线性水库中调节输出；岩溶模型中的直接岩溶水与三水源新安江模型中的壤中流分别调蓄后输出。

步骤5，将步骤2中2001-2004率定期的降雨蒸发数据输入到步骤4建立的喀斯特地区概念式水文组合模型，并选取洪量误差、确定性系数以及洪峰相对误差多目标优化算法对水文组合预报模型进行参数率定。目标函数如式(6)、(8)和(9)。采用ArcGIS地貌数据加算岩溶地貌占整个流域的面积比，与模型率定的I_K进行比较，分析参数的合理性，并进行适当修正。

步骤6，将步骤2中2005-2007检验期的数据输入所建立的组合预报模型，得到该流域的径流预报结果，如图3所示，由图3可知，喀斯特地区概念式水文组合模型相比传统模型对喀斯特地区的模拟效果更好，尤其在洪峰处明显更接近实测洪峰。

图5表明，岩溶新安江模型的地表水汇流量在峰值附近显著高于传统新安江模型的地表汇流量。这是由于岩溶地区在遭遇一场强降雨时，因岩溶地区土壤层薄，蒸发减少，扣除蒸发后的降雨直接汇入岩溶水库，当岩溶水库蓄水量大于岩溶蓄水容量时，其超过量将形成快速岩溶水汇于地表径流，使洪水迅速增大。

图6表明，岩溶新安江模型壤中流相对于传统新安江模型明显减少。这是由于岩溶地区多基岩裸露、土层浅薄，土壤层对降雨的再分配的调节能力减弱，土壤需水量减少，导致壤中流也大大减少。

图7表明，岩溶新安江模型相对于传统新安江模型：地下水产汇流总量增加；在降雨初期，地下水产汇流速度更快，量更大；在后期，地下水消退速度更快。岩溶地区垂直节理和孔道发达，地面与地下往往相通，使降雨初期，降水可迅速下渗到地下形成地下水流；地下多管道、溶洞发育，为地下水的存储提供了足够大的空间；相对非岩溶区，地下管道、暗河、溶洞的发育，使得地下水消退速度增加。

图4为多场洪水的退水过程模拟过程，从图中虚线框可知，喀斯特地区概念式水文组合模型相比传统模型退水过程更快，更接近实测洪水流量过程，这也和喀斯特地区产汇流特征相一致，这是由一方面岩溶地区地表水产汇流的增多以及壤中流的减少，减少了洪水退水时间；另一方面，岩溶地区岩溶管道、溶洞、暗河等构造加快了地下水退水的速度，两方面共同促进而成。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适合喀斯特地区的概念式水文模型组合预报方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1，搜集水文模型输入资料，包括区域历史观测降雨、蒸发、径流的水文气象数据及流域的DEM地形资料，将实测水文气象数据分为两部分，一部分用于模型率定，一部分用于模型检验；

步骤2，提取河网、水系，进行子流域的划分，采用泰森多边形方法计算各子流域面平均雨量和蒸发量；

步骤3，对研究区域建立概念式岩溶水箱模型；

步骤4，构建融合蓄满产流和岩溶水文特性的组合预报体系；

步骤5，组合水文模型参数多目标优选，具体的，利用多目标优化算法以洪量目标、确定性目标和洪峰目标作为目标函数优化率定各个水文模型参数；

步骤6，开展实时降雨-径流预报，并从水源划分和退水时期的径流特点入手，判定组合模型的合理性和可靠性。

2.根据权利要求1中所述的一种适合喀斯特地区的概念式水文模型组合预报方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

(2-1)河网水系提取、子流域划分具体为：借助ArcGIS工具对流域DEM数据依次利用填洼工具、流向工具、流量工具、分水岭工具得到流域边界及河网水系，通过捕捉子流域的出口点，再利用分水岭工具将流域划分为若干个小流域，

(2-2)面蒸发、面降雨量计算，具体为，利用ArcGIS中的泰森多边形工具，根据流域内雨量站对流域进行划分，计算每个多边形的面积，计算每个站点所代表的多边形面积占总流域面积的权重，根据每个站点的权重将各个站点的降雨量与蒸发量转换为流域的面雨量和面蒸发量，再根据历史资料的长度将数据划分为率定期与检验期，其中：

式中：为流域面降雨量，单位为mm；x_i为雨量站i点降雨量，单位为mm；f_i为雨量站i代表的流域面积；A为流域总面积。

3.根据权利要求2中所述的一种适合喀斯特地区的概念式水文模型组合预报方法，其特征在于：

所述步骤3中岩溶水文模型由两个水箱组成，水箱V₁代表整个岩溶区域，其作用是将径流划分成不同水源，包括快速径流R_KS、直接岩溶水R_KB、岩溶地下径流R_KG，水箱V₂代表表层岩溶，用于对直接岩溶水进行调蓄出流，其具体包括如下子步骤：

(3-1)岩溶面积上降水P去除本时段蒸发E作为岩溶蓄水库V₁的输入，S_K为岩溶蓄水库的当前蓄水量，当蓄水量S_K大于岩溶蓄水库的蓄水容量K_M时，超过部分作为快速岩溶地表径流R_KS，R_KS公式表达式为：

(3-2)剩下蓄水容量V₁分别按线性出流系数K_KB、K_KG出流形成直接岩溶径流R_KB和岩溶地下径流R_KG，门槛参数H_K用于反映岩溶垂直节理发育程度，只有当S_K超过H_K时才会产生直接岩溶径流R_KB，其计算公式为：

R_KG＝K_KG×S_K,S_K≥0 (4)

(3-3)直接岩溶径流R_KB进入岩溶调蓄水箱V₂进行调蓄输出，调蓄公式为：

Q_K＝Q_K0×C_K+(1-C_K)×R_KB×U (5)

式中：Q_K是水箱V₂的输出流量；Q_K0是上一时段V₂输出流量；C_K是消退系数；U是单位转换系数。

4.根据权利要求3中所述的一种适合喀斯特地区的概念式水文模型组合预报方法，其特征在于，所述步骤4中具体包括：

(4-1)通过喀斯特地区岩溶面积权重I_K将三水源新安江模型与岩溶水文模型进行并联组合，构建一种融合蓄满产流和岩溶水文特性的组合预报体系；

(4-2)将岩溶模型中的快速径流和岩溶地下水与三水源新安江模型中的地面径流和地下径流分别合并为总的地表径流和总的地下径流，分别进入新安江模型的线性水库中调节输出；

(4-3)将岩溶模型中的直接岩溶水与三水源新安江模型中的壤中流分别调蓄后输出。

5.根据权利要求4中所述的一种适合喀斯特地区的概念式水文模型组合预报方法，其特征在于，所述步骤5中具体包括如下子步骤：

(5-1)将步骤2中率定期的降雨蒸发数据输入到步骤4建立的组合模型，并选取洪量误差、确定性系数以及洪峰相对误差作为目标函数，用多目标优化方法对水文组合预报模型进行参数率定，其中，目标函数公式如下：

(1)洪量目标Obj₁

(2)确定性目标Obj₂

Obj₂＝1-DC (8)

(3)洪峰目标Obj₃

式中，Q_obs,i为流量实测值；Q_sim,i为流量预测值；n为资料序列长度；DC为确定性系数；实测值的均值；Q'_obs,i为实测场次洪水洪峰值；Q'_sim,i为场次洪水预测值；N为资料场次洪水数，

(5-2)对率定好的参数进行合理性检验，共率定了16个三水源新安江模型参数和6个岩溶水箱模型参数。

6.根据权利要求5中所述的一种适合喀斯特地区的概念式水文模型组合预报方法，其特征在于，所述步骤6中具体包括：

(6-1)利用步骤2中的降雨蒸发数据驱动水文组合模型，开展实时降雨径流预报，将其模拟结果与实测流量过程、传统三水源新安江模型模拟结果进行比较，

(6-2)对组合模型模拟的结果与传统新安江模型模拟的结果分水源进行对比，分为地表水、壤中流、地下水三种成分分别对比，

(6-3)对两种模型模拟径流的退水过程进行对比。