CN110659823B

CN110659823B - 相似流域分析方法、模型、系统和计算机存储介质

Info

Publication number: CN110659823B
Application number: CN201910895773.3A
Authority: CN
Inventors: 梁煜峰
Original assignee: Engineering Design & Research Institute Of Sichuan University Co ltd
Current assignee: Engineering Design & Research Institute Of Sichuan University Co ltd
Priority date: 2019-09-21
Filing date: 2019-09-21
Publication date: 2023-02-03
Anticipated expiration: 2039-09-21
Also published as: CN110659823A

Abstract

本发明涉及相似流域分析方法、模型、系统和计算机存储介质，采集参证流域A及m个设计流域B的，包括流域面积、流域长度、流域平均比降和径流系数的4个指标特征值，将所述参证流域A的4个指标特征值与每个设计流域B的4个指标特征值一一相应对比计算得到相对隶属度，从而实现相似流域分析。相比于现有技术，本发明方案中，从操作性和实用性的角度，建立了一个具有水文特征的相似流域模糊集分析方法，所采用的参数少，只有4个指标特征值，从流域特征、产流特征和汇流特征3个方面进行相似流分析，从而使得相似流域分析的适应性强，适应范围广，对开展相关水文研究以及无资料地区水文学研究都起到了重要的作用。

Description

相似流域分析方法、模型、系统和计算机存储介质

技术领域

本发明涉及水文研究技术领域，特别是涉及相似流域分析方法、模型、系统和计算机存储介质。

背景技术

缺资料或无资料地区的水文特征值估算问题，一直是水文学研究的难点之一。目前国内外常用的方法仍然是水文比拟法。该方法的关键就是通过对比流域的地理位置、气候特征、下垫面条件等因素的相似性，选择与设计流域相似程度最大的参证流域，因此，相似流域选择之前的相似流域分析就成为非常关键的一步。

传统的相似流域选择是以设计人员的定性经验分析为主，缺少严谨、有效的定量理论计算。为此，学者们做了大量研究，提出的方法大致可分为三类：模糊、聚类分析法、回归分析法和插值分析法。研究表明，回归分析法和插值分析法对雨量、流量资料要求较为严格，在无资料地区实际应用中很难实现。因此，模糊、聚类分析法逐渐成为了相似流域分析的主流方法。

从相似流域的概念不难看出，流域的相似性本身并不存在严格分界线，属于模糊集概念。将流域的一致性与相异性作为流域相似性的两个极点，那么，流域相似性就可转换为参证流域与设计流域的相对隶属度问题。

显然，建立相似流域模糊集计算模型的关键就是选取合理的分析指标。现有的技术指标主要包括：流域面积、最大汇流长度、河流总长度、地形起伏度、坡度、河网密度、归一化植被指数和平均高程等。

流域相似性的外延是一个不确定性的复杂系统，水文参数在系统中具有传递性的特点。因此，为减少移植水文参数的不确定性，首先应明确参数的移植目的，因为枯期径流、年径流、洪峰流量和丰枯变化率等，在水文过程的响应中都有其相对影响较大或影响较小的指标。比如，对洪峰流量而言，雨期蒸发等在一次暴雨过程中比重是很小的，而对于植物截流而言，在森林面积比重大的区域，其比重就占有相当的比例。概化这些指标作为整个流域的相似性判断原则，不仅会带来指标参数过多而产生的误差，而且不易量化指标的权重，最终影响所需移植的流域参数相似性判断结果。

因此，现有的技术大多具有指标繁多、不宜量化和相互影响等的缺点，从而使得相似流域分析的适应性较差，适应范围窄。

发明内容

本发明提供了一种相似流域分析方法和系统，具有使得相似流域分析的适应性强，适应范围广的特点。

本发明还提供了一种相似流域分析模型，具有便于使得相似流域分析的适应性强，适应范围广的特点。

本发明还提供了一种计算机存储介质，具有便于实现上述相似流域分析方法的特点。

根据本发明提供的相似流域分析方法，包括，

采集参证流域A包括流域面积x_1a、流域长度x_2a、流域平均比降x_3a和径流系数x_4a的4个指标特征值，并根据式(1)表示为

分别采集m个设计流域B包括流域面积x_1b、流域长度x_2b、流域平均比降x_3b和径流系数x_4b的4个指标特征值，并根据式(2)表示为

将所述参证流域A的4个指标特征值与每个设计流域B的4个指标特征值一一相应对比，并根据式(3)

得到设计流域B的4×m阶相对隶属度矩阵R_4×m

根据加权广义权距离，即式(4)

求解U_j的最优目标函数式(5)

由

解得相对隶属度：

其中，i为大于等于1小于等于4的自然数；j为大于等于1小于等于m的自然数；m为大于等于2的自然数；ω_i为加权权值，且满足

p为距离参数，为海明距离或欧式距离。

相对隶属度U_j表示参证流域A和设计流域B的相似程度，数值越大表示相似程度越高。

对于ω_i，按照层次分析法确定，且默认初始值为ω₁＝ω₂＝ω₃＝ω₄。

所述p为海明距离，取值为1。

根据本发明提供的相似流域分析模型，包括，

参证流域A指标特征值获取接口，用于获取参证流域A包括流域面积x_1a、流域长度x_2a、流域平均比降x_3a和径流系数x_4a的4个指标特征值；

设计流域B指标特征值获取接口，用于获取m个设计流域B包括流域面积x_1b、流域长度x_2b、流域平均比降x_3b和径流系数x_4b的4个指标特征值；

相对隶属度计算模块，包括，

根据获取的参政流域A的4个指标特征值，并根据式(1)表示为

根据获取的m个设计流域B的4个指标特征值，并根据式(2)表示为

得到设计流域B的4×m阶相对隶属度矩阵R_4×m

根据加权广义权距离，即式(4)

求解U_j的最优目标函数式(5)

由

解得相对隶属度：

p为距离参数，为海明距离或欧式距离。

所述p为海明距离，取值为1。

根据本发明提供的相似流域分析系统，基于上述相似流域分析模型的基础上实现，包括，

参证流域A指标特征值采集模块，采集参证流域A包括流域面积x_1a、流域长度x_2a、流域平均比降x_3a和径流系数x_4a的4个指标特征值，并用于发送给所述参证流域A指标特征值获取接口；

设计流域B指标特征值采集模块，采集m个设计流域B包括流域面积x_1b、流域长度x_2b、流域平均比降x_3b和径流系数x_4b的4个指标特征值，并用于发送给所述设计流域B指标特征值获取接口。

根据本发明提供的计算机可读存储介质，存储有能够被处理器加载并执行上述任一种方法的计算机程序。

综上所述，相比于现有技术，本发明方案中，从操作性和实用性的角度，建立了一个具有水文特征的相似流域模糊集分析方法，所采用的参数少，只有4个指标特征值，从流域特征、产流特征和汇流特征3个方面进行相似流分析，从而使得相似流域分析的适应性强，适应范围广，对开展相关水文研究以及无资料地区水文学研究都起到了重要的作用。

附图说明

图1是某流域的水系图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

作为本发明的一种实施方式，根据本发明提供的相似流域分析方法，包括，

采集参证流域A包括流域面积x_1a、流域长度x_2a、流域平均比降x_3a和径流系数x_4a的4个指标特征值，

并根据式(1)表示为

流域面积x₁、流域长度x₂和流域平均比降x₃反映的是一个流域的基本特征参数，能够利用国际科学数据服务平台DEM，在ArcGIS的水文分析模块，提取要提取的流域的DEM图和水系图。如图1所示，为作为参证流域A的流域A1的水系图，流域A1的流域特征值中，流域面积x_1a＝90.6km²，流域长度x_2a＝21.3km，流域平均比降x_3a＝17.6‰。

径流系数x₄是美国水文学者采用回归分析法建立经验公式时提出的。美国推理公式法认为径流系数取决于流域下垫面特性，对确定流域来说是常数。因此，反映流域下垫面特性(植被，土壤性质，地形起伏度)的径流系数不仅决定了流域的产流特性，其地形起伏以及植被，土壤性质决定的地表糙率，也影响流域的回流特性。径流系数表如表1所示。

表1

采用由联合国世界土壤图例单元(简称FAO)和国际应用系统分析研究所(简称IIASA)共同编制的《Harmonized World Soil Database(Version 1.0)》提取土壤类型影像图，流域A1的土壤类型所占比重数据如表2所示。

表2

流域面积(km<sup>2</sup>)	砂土(％)	砂壤土(％)	粘土(％)
				90.6	41	37	22

采用由马里兰大学地理系在1998年建立完成的土地利用遥感数据集提取土地利用现状图，为计算径流系数，将原8种划分方法归类为森林、草原、耕地、居民区四大类，土地利用数据如表3所示。

表3

土地类型	耕地km<sup>2</sup>	草原km<sup>2</sup>	森林km<sup>2</sup>	居民区km<sup>2</sup>
					面积	6.1	13.3	69.8	1.4

参考表1的取值，按式(7)计算径流系数x₄＝0.3。

其中，F为流域面积中某个类型的土地所占用的面积，这里，土地的类型包括耕地、草原、森林和居民区；K为土地的类型所对应的地形情况和土壤类型的径流系数，例如，如果流域A1土地类型耕地所对应的地形情况和土壤类型为平坦的砂壤土，则流域A1土地类型耕地所对应的径流系数为0.5。

同样的，能够根据上述方法分别提取作为设计流域B的流域B1的m个不同地区的流域面积x_1b、流域长度x_2b、流域平均比降x_3b和径流系数x_4b的4个指标特征值，作为本发明的一个实施例，如表4所示，为流域B1的指标特征值与流域A1的指标特征值，这里，m取值为10。

表4

带入式(1)可以得到参证流域的矩阵表示

将10个设计流域列入4×10矩阵：

得到设计流域B的4×10阶相对隶属度矩阵R_4×10

根据加权广义权距离，即式(4)

求解U_j的最优目标函数式(5)

由

解得相对隶属度：

p为距离参数，为海明距离或欧式距离。

研究表明，一般情况下，距离参数选取P＝1的海明距离还是P＝2的欧氏距离，不会影响最终的判断结果。而海明距离由于其简明性应用广泛，作为本发明的一个实施例，选取P＝1的海明距离。

作为本发明的一种实施方式，对于ω_i，按照层次分析法(AHP，即AnalyticHierarchy Process)确定，且默认初始值为ω₁＝ω₂＝ω₃＝ω₄。根据上述流域A1和流域B1，求得：

将带入式(6)，求解得到U_j＝(0.812,0.848,0.801,0.867,0.398,0.842,0.331,0.823,0.954,0.419)，分别对应1到10号作为参证流域的流域B1的相对隶属度，按照其相似性排序M_j＝(6,3,7,2,9,4,10,5,1,8)，其中，排序前6位的区域相似性均在0.8以上，表明其相似性程度较高。

在本发明方案中，从操作性和实用性的角度，建立了一个具有水文特征的相似流域模糊集分析方法，所采用的参数少，只有4个指标特征值，识别度高且易于获取，以判断流域洪水过程相似性为例，从流域特征、产流特征和汇流特征3个方面，用4个指标特征值进行相似流分析，从而使得相似流域分析的适应性强，适应范围广，对开展相关水文研究以及无资料地区水文学研究都起到了重要的作用。例如，对于研究区主要分布在湄公河流域，具有山地河流的性质，多水多急流，由于其特殊的国情，水文观测较少(北部仅4个站点)，且站点观测年限少、精度低、资料整编误差较大。因此，根据老挝北部地区自然地理、水文气象、植被、土壤等特征，选取中国境内资料齐全的一些流域进行相似性分析。

作为本发明的一种实施方式的相似流域分析模型，包括，

相对隶属度计算模块，包括，

根据获取的参政流域A的4个指标特征值，并根据上述式(1)进行表示；

根据获取的m个设计流域B的4个指标特征值，并根据上述式(2)进行表示；

将所述参证流域A的4个指标特征值与每个设计流域B的4个指标特征值一一相应对比，并根据上述式(3)得到设计流域B的4×m阶相对隶属度矩阵R_4×m；

根据加权广义权距离，即上述式(4)求解U_j的最优目标函数式(5)，由

根据上述式(6)解得相对隶属度。

本发明提供的相对隶属度计算模型，能够通过参数获取接口(包括参证流域A指标特征值获取接口和设计流域B指标特征值获取接口)，获取参证流域A的指标特征值和设计流域B的指标特征值，从而通过相对隶属度计算模块计算得到相对隶属度。建立了一个具有水文特征的相似流域模糊集模型，所需要采用的参数少，识别度高且易于获取，适应性强，适应范围广。

作为本发明的一种实施方式的相似流域分析系统，基于上述相似流域分析模型的基础上实现，包括，

本发明提供的相似流域分析系统，能够基于采集的参证流域A的指标特征值和设计流域B的指标特征值，发送给相似流域分析模型，实现相似流域的分析。

作为本发明的一种实施方式的计算机可读存储介质，存储有能够被处理器加载并执行上述任一种方法的计算机程序，从而便于实现上述相似流域分析方法。

结合本文所揭示实施例描述的方法或算法可直接包含在硬件、可由处理器执行的软件模块或两者的组合中。软件模块可驻留在RAM存储器、快闪存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬磁盘、可装卸磁盘、CD-ROM或所属技术领域中已知的任何其它形式的计算机可读媒体中。计算机可读媒体可耦合到所述处理器以使所述处理器可从计算机可读媒体读取信息及将信息写入到所述计算机可读媒体。或者，计算机可读媒体可集成到处理器。