CN115936194A - 基于abcd水文模型的流域泥沙预报模型构建方法 - Google Patents

基于abcd水文模型的流域泥沙预报模型构建方法 Download PDF

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CN115936194A
CN115936194A CN202211472078.4A CN202211472078A CN115936194A CN 115936194 A CN115936194 A CN 115936194A CN 202211472078 A CN202211472078 A CN 202211472078A CN 115936194 A CN115936194 A CN 115936194A
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于坤霞
贾路
李占斌
李鹏
徐国策
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许馗
刘杰
李梦楠
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Abstract

本发明公开了一种基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型构建方法，具体包括如下步骤：首先，收集研究时段内研究流域控制水文站的逐月水文数据和流域内部及其周边气象站的逐月气象数据、流域内逐年水利工程设施数据和逐年NDVI栅格数据以及流域面积数据；其次，计算流域逐月面降雨量、面潜在蒸散发和逐年输沙量，并构建流域ABCD水文模型；接着，分别计算流域的逐年水利工程措施因子指数和NDVI平均值；最后，对泥沙计算模块进行参数的率定与验证，构建基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型。

Description

基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型构建方法
技术领域
本发明属于流域水能沙模拟技术领域，涉及一种基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型构建方法。
背景技术
在全球范围内，有24％的大河年径流量发生了显著的变化，有40％的大河年输沙量发生了显著的变化。中国的长江和黄河等主要大河的水沙也发生了明显变化，这表明区域水土流失过程在明显变化，生态环境在不断改变。水沙关系的变化可能对人类的生产和生活造成巨大的影响。
截止目前为止，众多的科研人员建立和发展了许多的流域水沙计算模型，考虑了降雨、植被、地形、工程措施等主要因子，建立了各种因子不同形式的计算公式。然而，这些公式往往具有很大的经验性和不确定性，使用起来很不方便，计算效果也不是很理想。需要建立一种使用方便，计算结构简单，能够用最少的因子准确模拟计算流域泥沙的模型。由于ABCD水文模型结构简单，易于使用，因此提出一种基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型构建方法是十分有意义的。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型构建方法，该方法构建的模型能够高效便捷的对流域泥沙进行模拟预报。
本发明所采用的技术方案是，基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型构建方法，具体包括如下步骤：
步骤1，确定研究流域和研究时段，收集研究时段内研究流域控制水文站的逐月水文数据；收集研究时段内研究流域内部及周边气象站的逐月气象数据；收集研究时段内研究流域内逐年水利工程设施数据和逐年NDVI栅格数据以及流域面积数据；
步骤2，利用步骤1收集的研究时段内研究流域内部及周边气象站的逐月降雨数据、潜在蒸散发数据，计算流域逐月面降雨量和面潜在蒸散发；利用步骤1收集的研究时段内研究流域控制水文站的逐月流量数据、含沙量数据和流域面积数据，计算该流域的逐年输沙量；
步骤3，利用步骤1收集到的逐月流量数据和步骤2计算得到的流域逐月面降雨量和面潜在蒸散发，构建流域ABCD水文模型；
步骤4，利用步骤1收集的研究时段内的研究流域的逐年水利工程设施数据、逐年NDVI栅格数据和流域面积数据，分别计算该流域的逐年水利工程措施因子指数和NDVI平均值；
步骤5，构建泥沙计算模块，并利用最小二乘法和纳什系数对泥沙计算模块进行参数的率定与验证，构建基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型。
本发明的特点还在于：
步骤2的具体过程为：
步骤2.1，利用步骤1收集的研究时段内研究流域内部及周边气象站的逐月降雨数据、潜在蒸散发数据，采用算数平均法分别计算流域逐月面降雨量和面潜在蒸散发，具体计算公式如下：
Figure BDA0003958887970000031
Figure BDA0003958887970000032
式中，
Figure BDA0003958887970000033
和
Figure BDA0003958887970000034
分别为第i个月的面降雨量和面潜在蒸散发量，mm；Pj,i和E0j,i分别第i个月研究流域内部及周边气象站中的第j个气象站的降雨量和潜在蒸散发量，mm；n为研究流域内部及其周边气象站的个数；
步骤2.2，利用步骤1收集的研究时段内研究流域控制水文站的逐月流量数据、含沙量数据和流域面积数据，通过逐月求和计算该流域的逐年输沙量，具体公式如下：
Figure BDA0003958887970000035
式中，Sobs,k为第k年的实测输沙量，亿t；qsk,l为第k年第l个月的含沙量，kg/m3；Qk,l为第k年第l个月的流量，mm；F为流域面积，km2。
步骤3的具体过程为：
步骤3.1，根据如下公式(4)～(13)建立ABCD水文模型原理：
Pi-Ei-DRi-GRi＝Sti-Sti-1        (4)；
Wi＝Pi+Sti-1         (5)；
Figure BDA0003958887970000036
Figure BDA0003958887970000041
Ei＝Yi-Sti          (8)；
DRi＝(1-c)·(Wi-Yi)          (9)；
GRi＝c·(Wi-Yi)           (10)；
Gi＝(Gi-1+GRi)/(1+d)     (11)；
GDi＝d·Gi      (12)；
Qsim，i＝DRi+GDi      (13)；
式中，Pi为第i个月的面降雨量，mm；Ei为第i个月的实际蒸散发，mm；DRi为第i个月的直接径流，mm；GRi为第i个月地下水补给量，mm；Sti为第i个月的土壤水储量，mm；Sti-1为第i个前一个月的土壤水储量，mm；E0，i为第i个月的面潜在蒸散发，mm；Wi为有效水量，mm；Yi为可能蒸发量，mm；GDi为第i个月的基流量，mm；Gi为第i个月地下水储量，mm；年Gi-1第i个月前一个月的地下水储量，mm；其中a、b、c、d为待定参数；
步骤3.2，利用步骤1收集到的逐月流量数据和步骤2计算得到的流域逐月面降雨量和面潜在蒸散发，并将研究时段划分为率定期和验证期，将率定期的流域逐月面降雨量、逐月面潜在蒸散发和逐月流量数据代入步骤3.1中建立的计算公式(4)～(13)，并根据最小二乘法和纳什系数求解公式的参数a、b、c、d，最小二乘法的原理公式如下：
Figure BDA0003958887970000042
式中，m为率定期月份长度；Qobs,i为率定期第i个月的实测径流量，mm；Qsim,i为率定期第i月的模拟径流量，mm；a、b、c、d为参数；
研究流域率定期逐月模拟径流量和实测径流量纳什系数具体计算公式如下所示：
Figure BDA0003958887970000051
式中，NSE为率定期逐月模拟径流量和实测径流量纳什系数；
Figure BDA0003958887970000052
为率定期径流量实测值的多各月平均值，mm；
步骤3.3，将率定期最后一个月的土壤水储量和地下水储量作为验证期第1个月前一个月的土壤水储量和地下水储量，同时将验证期的流域逐月面降雨量、逐月面潜在蒸散发和逐月流量数据以及步骤3.1中求解得到的参数a、b、c、d的值代入步骤3.1中建立的公式(4)～(13)中，通过计算验证期的逐月模拟径流量和实测径流量纳什系数对模型进行验证，当验证期逐月模拟径流量和实测径流量纳什系数高于0.5时，认为建立的流域ABCD水文模型满足精度要求。
步骤4的具体过程如下：
步骤4.1，利用步骤1收集的研究时段内的研究流域控制水文站的逐年水利工程设施数据和流域面积数据计算该流域的逐年水利工程措施因子指数，具体公式如下：
Figure BDA0003958887970000061
式中，EIk为第k年的水利工程措施因子指数；vk为第k年流域控制水文站以上水利工程个数；Af,k为第k年流域控制水文站以上第f个水利工程控制的流域面积，km2；F为流域控制水文站控制的流域面积，km2；Vf,k为第k年流域控制水文站以上第f个水利工程的库容，亿m3；
Figure BDA0003958887970000064
为流域控制水文站以上水利工程总库容，亿m3；当流域内没有水利工程时，EIk每年的值为1；
步骤4.2，利用步骤1收集的研究时段内的研究流域控制水文站的逐年NDVI栅格数据所有栅格值求平均值，计算该流域的逐年NDVI平均值。
步骤5的具体过程为：
步骤5.1，按照步骤3构建的流域ABCD水文模型和划分的率定期和验证期，结合步骤1收集的流域面积数据，模拟出整个研究时段逐月径流过程，并计算逐年径流侵蚀功率，径流侵蚀功率的计算公式如下：
Figure BDA0003958887970000062
Figure BDA0003958887970000063
ERk＝Hk·Q′sim,k,max        (19)；
式中，Qsim,k,l为第k年第l个月的模拟径流量，mm；Hk第k年的模拟径流量，m；Qsim,k,max为第k年最大的模拟月径流量，mm；F为流域面积，km2；daymax为第k年最大的模拟月径流量该月的天数，d；Q′sim,k,max为第k年最大的模拟月径流模数，m3/(s·km2)；ERk为第k年径流侵蚀功率，m4/(s·km2)；
步骤5.2，将步骤4计算的率定期流域逐年水利工程措施因子指数、逐年NDVI平均值和步骤2计算得到的率定期逐年输沙量以及步骤5.1计算得到的率定期逐年径流侵蚀功率作为输入数据，并根据最小二乘法和纳什系数求解泥沙计算模块的参数，当率定期模拟输沙量和实测输沙量纳什系数高于0.5时，判定求解的泥沙计算模块参数满足精度要求，泥沙计算模块具体公式如下：
Figure BDA0003958887970000071
式中，Ssim,k为第k年模拟输沙量，亿t；Nk为第k年NDVI平均值；α、β、χ、δ为泥沙计算模块参数；
使用最小二乘法求解泥沙计算模块参数公式如下：
Figure BDA0003958887970000072
式中，Ssim,k为第k年模拟输沙量，亿t；Sobs,k为第k年实测输沙量，亿t；h为率定期年份长度；
研究流域率定期模拟输沙量和实测输沙量纳什系数具体计算公式如下所示：
Figure BDA0003958887970000073
式中，NS为率定期模拟输沙量和实测输沙量纳什系数；
Figure BDA0003958887970000081
为率定期测输沙量的多年平均值，亿t；
步骤5.3，将步骤4计算的验证期流域逐年水利工程措施因子指数、逐年NDVI平均值和步骤2计算得到的验证期逐年输沙量以及步骤5.1计算得到的验证期逐年径流侵蚀功率作为输入数据，结合步骤5.2求解得到的α，β，χ，δ参数值，带入到步骤5.2建立的泥沙计算模块中，计算得到验证期流域模拟输沙量，并计算验证期模拟输沙量和实测输沙量纳什系数，对模型进行验证，当验证期模拟输沙量和实测输沙量纳什系数高于0.5时，认为建立的基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型满足精度要求。
本发明的有益效果是，本发明基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型构建方法，计算结果准确、计算方法简单，充分考虑了影响流域泥沙输移的各种工程因子和动力因子，从水能沙的角度构建了流域泥沙计算模型，具有一定的物理机理，可以为流域生态环境保护和水土保持规划的制定提供科学支撑。
附图说明
图1是本发明基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型构建方法的流程图；
图2是本发明基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型构建方法实施例中金沙江流域1998-2018年率定期和验证期逐月实测径流量与模型模拟径流量的结果示意图；
图3是本发明基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型构建方法实施例中金沙江流域1998-2018年率定期和验证期逐年实测输沙量与模型模拟输沙量的结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型构建方法，具体包括如下步骤：
步骤1，确定研究流域和研究时段，收集研究时段内研究流域控制水文站的逐月水文数据，包括流量数据和含沙量数据；收集研究时段内研究流域内部及其周边气象站的逐月气象数据，包括降雨数据和潜在蒸散发数据；收集研究时段内研究流域内逐年水利工程设施数据和逐年NDVI栅格数据以及流域面积数据；
步骤2，利用步骤1收集的研究时段内研究流域内部及其周边气象站的逐月降雨数据、潜在蒸散发数据，计算流域逐月面降雨量和面潜在蒸散发；利用步骤1收集的研究时段内研究流域控制水文站的逐月流量数据、含沙量数据和流域面积数据，计算该流域的逐年输沙量；
步骤2.1，利用步骤1收集的研究时段内研究流域内部及其周边气象站的逐月降雨数据、潜在蒸散发数据，采用算数平均法分别计算流域逐月面降雨量和面潜在蒸散发，具体计算公式如下：
Figure BDA0003958887970000091
Figure BDA0003958887970000092
式中，
Figure BDA0003958887970000093
和
Figure BDA0003958887970000094
分别为第i个月的面降雨量和面潜在蒸散发量，mm；Pj,i和E0j,i分别第i个月研究流域内部及其周边气象站中的第j个气象站的降雨量和潜在蒸散发量，mm；n为研究流域内部及其周边气象站的个数；
步骤2.2，利用步骤1收集的研究时段内研究流域控制水文站的逐月流量数据、含沙量数据和流域面积数据，通过逐月求和计算该流域的逐年输沙量，具体公式如下：
Figure BDA0003958887970000101
式中，Sobs,k为第k年的实测输沙量，亿t；qsk,l为第k年第l个月的含沙量，kg/m3；Qk,l为第k年第l个月的流量，mm；F为流域面积，km2；
步骤3，利用步骤1收集到的逐月流量数据和步骤2计算得到的流域逐月面降雨量和面潜在蒸散发，并将研究时段划分为率定期和验证期，基于ABCD水文模型原理，利用最小二乘法和纳什系数对模型进行参数的率定与验证，构建流域ABCD水文模型；
步骤3.1，根据如下ABCD水文模型原理，建立计算公式：
Pi-Ei-DRi-GRi＝Sti-Sti-1        (4)；
Wi＝Pi+Sti-1        (5)；
Figure BDA0003958887970000102
Figure BDA0003958887970000103
Ei＝Yi-Sti            (8)；
DRi＝(1-c)·(Wi-Yi)   (9)；
GRi＝c·(Wi-Yi)   (10)；
Gi＝(Gi-1+GRi)/(1+d)   (11)；
GDi＝d·Gi   (12)；
Qsim，i＝DRi+GDi   (13)；
式中，Pi为第i个月的面降雨量，mm；Ei为第i个月的实际蒸散发，mm；DRi为第i个月的直接径流，mm；GRi为第i个月地下水补给量，mm；Sti为第i个月的土壤水储量，mm；Sti-1为第i个前一个月的土壤水储量，mm；E0，i为第i个月的面潜在蒸散发，mm；Wi为有效水量，mm；Yi为可能蒸发量，mm；GDi为第i个月的基流量，mm；Gi为第i个月地下水储量，mm；年Gi-1第i个月前一个月的地下水储量，mm；其中a、b、c、d为待定参数；
利用步骤1收集到的逐月流量数据和步骤2计算得到的流域逐月面降雨量和面潜在蒸散发，并将研究时段划分为率定期和验证期，将率定期的流域逐月面降雨量、逐月面潜在蒸散发和逐月流量数据代入步骤3.1中建立的计算公式(4)～(13)，并根据最小二乘法和纳什系数求解公式的参数a、b、c、d，率定期第1个月前一个月的土壤水储量St0和地下水储量G0可以结合具体流域查阅文献获得，当率定期逐月模拟径流量和实测径流量纳什系数高于0.5时，判定求解的参数a、b、c、d值满足精度要求，最小二乘法的原理公式如下：
Figure BDA0003958887970000111
式中，m为率定期月份长度；Qobs,i为率定期第i个月的实测径流量，mm；Qsim,i为率定期第i月的模拟径流量，mm；a、b、c、d为参数；
研究流域率定期逐月模拟径流量和实测径流量纳什系数具体计算公式如下所示：
Figure BDA0003958887970000121
式中，NSE为率定期逐月模拟径流量和实测径流量纳什系数；
Figure BDA0003958887970000122
为率定期径流量实测值的多各月平均值，mm。
步骤3.2，将率定期最后一个月的土壤水储量和地下水储量作为验证期第1个月前一个月的土壤水储量和地下水储量，同时将验证期的流域逐月面降雨量、逐月面潜在蒸散发和逐月流量数据以及步骤3.1中求解得到的参数a、b、c、d的值代入步骤3.1中建立的公式(4)～(13)中，通过计算验证期的逐月模拟径流量和实测径流量纳什系数对模型进行验证，当验证期逐月模拟径流量和实测径流量纳什系数高于0.5时，认为建立的流域ABCD水文模型满足精度要求；
步骤4，利用步骤1收集的研究时段内的研究流域的逐年水利工程设施数据、逐年NDVI栅格数据和流域面积数据，分别计算该流域的逐年水利工程措施因子指数和NDVI平均值；
步骤4.1，利用步骤1收集的研究时段内的研究流域控制水文站的逐年水利工程设施数据和流域面积数据计算该流域的逐年水利工程措施因子指数，具体公式如下：
Figure BDA0003958887970000131
式中，EIk为第k年的水利工程措施因子指数；vk为第k年流域控制水文站以上水利工程个数；Af,k为第k年流域控制水文站以上第f个水利工程控制的流域面积，km2；F为流域控制水文站控制的流域面积，km2；Vf,k为第k年流域控制水文站以上第f个水利工程的库容，亿m3；
Figure BDA0003958887970000132
为流域控制水文站以上水利工程总库容，亿m3；当流域内没有水利工程时，EIk每年的值为1；
步骤4.2，利用步骤1收集的研究时段内的研究流域控制水文站的逐年NDVI栅格数据所有栅格值求平均值，计算该流域的逐年NDVI平均值；
步骤5，按照步骤3划分的率定期和验证期，将步骤4计算的流域的逐年水利工程措施因子指数、逐年NDVI平均值和步骤2计算得到的逐年输沙量分别划分为率定期和验证期两部分，同时结合步骤3构建的流域ABCD水文模型和流域面积数据，构建泥沙计算模块，并利用最小二乘法和纳什系数对泥沙计算模块进行参数的率定与验证，构建基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型；
步骤5.1，按照步骤3构建的流域ABCD水文模型和划分的率定期和验证期，结合步骤1收集的流域面积数据，模拟出整个研究时段逐月径流过程，并计算逐年径流侵蚀功率，径流侵蚀功率的计算公式如下：
Figure BDA0003958887970000141
Figure BDA0003958887970000142
ERk＝Hk·Q′sim,k,max   (19)；
式中，Qsim,k,l为第k年第l个月的模拟径流量，mm；Hk第k年的模拟径流量，m；Qsim,k,max为第k年最大的模拟月径流量，mm；F为流域面积，km2；daymax为第k年最大的模拟月径流量该月的天数，d；Q′sim,k,max为第k年最大的模拟月径流模数，m3/(s·km2)；ERk为第k年径流侵蚀功率，m4/(s·km2)；
步骤5.2，将步骤4计算的率定期流域逐年水利工程措施因子指数、逐年NDVI平均值和步骤2计算得到的率定期逐年输沙量以及步骤5.1计算得到的率定期逐年径流侵蚀功率作为输入数据，并根据最小二乘法和纳什系数求解泥沙计算模块的参数，当率定期模拟输沙量和实测输沙量纳什系数高于0.5时，判定求解的泥沙计算模块参数满足精度要求，泥沙计算模块具体公式如下：
Ssim,k＝αERk βEIk χNk δ        (20)；
式中，Ssim,k为第k年模拟输沙量，亿t；Nk为第k年NDVI平均值；α，β，χ，δ为泥沙计算模块参数；
使用最小二乘法求解泥沙计算模块参数公式如下：
Figure BDA0003958887970000143
式中，Ssim,k为第k年模拟输沙量，亿t；Sobs,k为第k年实测输沙量，亿t；h为率定期年份长度；
研究流域率定期模拟输沙量和实测输沙量纳什系数具体计算公式如下所示：
Figure BDA0003958887970000151
式中，NS为率定期模拟输沙量和实测输沙量纳什系数；
Figure BDA0003958887970000152
为率定期测输沙量的多年平均值，亿t。
步骤5.3，将步骤4计算的验证期流域逐年水利工程措施因子指数、逐年NDVI平均值和步骤2计算得到的验证期逐年输沙量以及步骤5.1计算得到的验证期逐年径流侵蚀功率作为输入数据，结合步骤5.2求解得到的α，β，χ，δ参数值，带入到步骤5.2建立的泥沙计算模块中，计算得到验证期流域模拟输沙量，并计算验证期模拟输沙量和实测输沙量纳什系数，对模型进行验证，当验证期模拟输沙量和实测输沙量纳什系数高于0.5时，认为建立的基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型满足精度要求；
实施例
如图1所示，以金沙江流域为例，技术流程如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1，首先收集基础数据：收集金沙江流域向家坝水文站1998-2018年逐月含沙量和流量等水文数据；收集金沙江流域内部及其周边108个气象站1998-2018年的逐月降雨数据和潜在蒸散发数据；收集金沙江流域1998-2018年的逐月5km空间分辨率NDVI栅格数据；主要收集了金沙江流域向家坝水文站控制面积以上流域截止2018年的所有大型水库库容、建坝时间和每个水库控制流域面积等数据；收集金沙江流域面积数据；
步骤2，实施如下；
步骤2.1，利用步骤1收集的1998-2018年金沙江流域内部及其周边108个气象站的逐月降雨数据、潜在蒸散发数据，采用上述公式(1)和公式(2)分别计算流域逐月面降雨量和面潜在蒸散发；
步骤2.2，利用步骤1收集的1998-2018年金沙江流域向家坝水文站的逐月流量数据、含沙量数据和流域面积数据，通过上述公式(3)计算该流域的逐年输沙量；
步骤3，根据上述公式(4)～(13)建立ABCD水文模型，利用步骤1收集到的1998-2018年金沙江流域向家坝水文站逐月流量数据和步骤2计算得到的1998-2018年金沙江流域逐月面降雨量和面潜在蒸散发，并将研究时段划分为率定期和验证期，率定期为1998-2010年，验证期为2011-2018年，将率定期1998-2010年的流域逐月面降雨量、逐月面潜在蒸散发和逐月流量数据代入步骤3.1中建立的计算公式(4)～(13)，并根据最小二乘法和纳什系数求解公式的参数a、b、c、d，率定期第1个月前一个月的土壤水储量St0和地下水储量G0可以结合具体流域查阅文献获得，分别为200mm和500mm，当率定期逐月模拟径流量和实测径流量纳什系数高于0.5时，判定求解的参数a、b、c、d值满足精度要求，最小二乘法的原理如上述公式(14)所示；
研究流域率定期1998-2010年逐月模拟径流量和实测径流量纳什系数采用上述公式(15)计算；通过计算得到率定期纳什系数NSE＝0.66，a＝0.77，b＝1325，c＝0.0108，d＝0.001。
将率定期最后一个月的土壤水储量和地下水储量作为验证期第1个月前一个月的土壤水储量和地下水储量，同时将验证期2011-2018年的流域逐月面降雨量、逐月面潜在蒸散发和逐月流量数据以及求解得到的参数a＝0.77，b＝1325，c＝0.0108，d＝0.001代入步骤3.1中建立的公式(4)～(13)中，通过计算验证期2011-2018年的逐月模拟径流量和实测径流量纳什系数对模型进行验证，计算得到验证期逐月模拟径流量和实测径流量纳什系数为0.72，高于0.5，认为建立的流域ABCD水文模型满足精度要求；
步骤4，利用步骤1收集的金沙江流域向家坝水文站控制面积以上流域截止2018年的所有大型水库库容、建坝时间、每个水库的控制流域面积等数据和金沙江流域面积数据，采用上述公式(16)计算该流域的逐年水利工程措施因子指数；
利用步骤1收集的金沙江流域1998-2018年的逐月5km空间分辨率NDVI栅格数据，通过对逐年NDVI栅格数据所有栅格值求平均值，计算该流域的逐年NDVI平均值；
步骤5，按照步骤3构建的流域ABCD水文模型和划分的率定期和验证期，模拟出整个金沙江流域研究时段1998-2018年逐月径流过程(图2所示)，并采用上述公式(17)～(19)计算逐年径流侵蚀功率；
将步骤4计算的率定期1998-2018年金沙江流域逐年水利工程措施因子指数、逐年NDVI平均值和步骤2计算得到的率定期1998-2018年金沙江流域逐年输沙量以及步骤5.1计算得到的率定期1998-2018年金沙江流域逐年径流侵蚀功率作为输入数据，并根据最小二乘法和纳什系数求解泥沙计算模块的参数，当率定期模拟输沙量和实测输沙量纳什系数高于0.5时，判定求解的泥沙计算模块参数满足精度要求，泥沙计算模块的公式如上述公式(20)所示；使用最小二乘法求解泥沙计算模块参数公式如上述公式(21)所示；
金沙江流域率定期1998-2018模拟输沙量和实测输沙量纳什系数采用上述公式(22)计算；通过计算得到1998-2010年率定期NS＝0.75，α＝1.44，β＝0.25，χ＝0.85，δ＝-5.38。
将步骤4计算的验证期2011-2018年金沙江流域逐年水利工程措施因子指数、逐年NDVI平均值和步骤2计算得到的验证期2011-2018年金沙江逐年输沙量以及步骤5.1计算得到的验证期2011-2018年金沙江逐年径流侵蚀功率作为输入数据，结合步骤5.2求解得到的α＝1.44，β＝0.25，χ＝0.85，δ＝-5.38，带入到步骤5.2建立的泥沙计算模块中，计算得到验证期2011-2018年金沙江流域模拟输沙量，并计算验证期模拟输沙量和实测输沙量纳什系数，对模型进行验证，计算得到验证期2011-2018年金沙江流域模拟输沙量和实测输沙量纳什系数为0.57，高于0.5时，认为建立的基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型满足精度要求；1998-2018年金沙江流域向家坝水文站逐年模拟输沙量和实测输沙量如图3所示。

Claims (5)

1.基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型构建方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1，确定研究流域和研究时段，收集研究时段内研究流域控制水文站的逐月水文数据；收集研究时段内研究流域内部及周边气象站的逐月气象数据；收集研究时段内研究流域内逐年水利工程设施数据和逐年NDVI栅格数据以及流域面积数据；
步骤2，利用步骤1收集的研究时段内研究流域内部及周边气象站的逐月降雨数据、潜在蒸散发数据，计算流域逐月面降雨量和面潜在蒸散发；利用步骤1收集的研究时段内研究流域控制水文站的逐月流量数据、含沙量数据和流域面积数据，计算该流域的逐年输沙量；
步骤3，利用步骤1收集到的逐月流量数据和步骤2计算得到的流域逐月面降雨量和面潜在蒸散发，构建流域ABCD水文模型；
步骤4，利用步骤1收集的研究时段内的研究流域的逐年水利工程设施数据、逐年NDVI栅格数据和流域面积数据，分别计算该流域的逐年水利工程措施因子指数和NDVI平均值；
步骤5，构建泥沙计算模块，并利用最小二乘法和纳什系数对泥沙计算模块进行参数的率定与验证，构建基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型。
2.根据权利要求1所述的基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型构建方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：
步骤2.1，利用步骤1收集的研究时段内研究流域内部及周边气象站的逐月降雨数据、潜在蒸散发数据，采用算数平均法分别计算流域逐月面降雨量和面潜在蒸散发，具体计算公式如下：
Figure FDA0003958887960000021
Figure FDA0003958887960000022
式中，
Figure FDA0003958887960000023
和
Figure FDA0003958887960000024
分别为第i个月的面降雨量和面潜在蒸散发量，mm；Pj,i和E0j,i分别第i个月研究流域内部及周边气象站中的第j个气象站的降雨量和潜在蒸散发量，mm；n为研究流域内部及其周边气象站的个数；
步骤2.2，利用步骤1收集的研究时段内研究流域控制水文站的逐月流量数据、含沙量数据和流域面积数据，通过逐月求和计算该流域的逐年输沙量，具体公式如下：
Figure FDA0003958887960000025
式中，Sobs,k为第k年的实测输沙量，亿t；qsk,l为第k年第l个月的含沙量，kg/m3；Qk,l为第k年第l个月的流量，mm；F为流域面积，km2。
3.根据权利要求2所述的基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型构建方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：
步骤3.1，根据如下公式(4)～(13)建立ABCD水文模型原理：
Pi-Ei-DRi-GRi＝Sti-Sti-1           (4)；
Wi＝Pi+Sti-1                (5)；
Figure FDA0003958887960000031
Figure FDA0003958887960000032
Ei＝Yi-Sti(8)；
DRi＝(1-c)·(Wi-Yi)(9)；
GRi＝c·(Wi-Yi)(10)；
Gi＝(Gi-1+GRi)/(1+d)(11)；
GDi＝d·Gi(12)；
Qsim，i＝DRi+GDi(13)；
式中，Pi为第i个月的面降雨量，mm；Ei为第i个月的实际蒸散发，mm；DRi为第i个月的直接径流，mm；GRi为第i个月地下水补给量，mm；Sti为第i个月的土壤水储量，mm；Sti-1为第i个前一个月的土壤水储量，mm；E0，i为第i个月的面潜在蒸散发，mm；Wi为有效水量，mm；Yi为可能蒸发量，mm；GDi为第i个月的基流量，mm；Gi为第i个月地下水储量，mm；年Gi-1第i个月前一个月的地下水储量，mm；其中a、b、c、d为待定参数；
步骤3.2，利用步骤1收集到的逐月流量数据和步骤2计算得到的流域逐月面降雨量和面潜在蒸散发，并将研究时段划分为率定期和验证期，将率定期的流域逐月面降雨量、逐月面潜在蒸散发和逐月流量数据代入步骤3.1中建立的计算公式(4)～(13)，并根据最小二乘法和纳什系数求解公式的参数a、b、c、d，最小二乘法的原理公式如下：
Figure FDA0003958887960000041
式中，m为率定期月份长度；Qobs,i为率定期第i个月的实测径流量，mm；Qsim,i为率定期第i月的模拟径流量，mm；a、b、c、d为参数；
研究流域率定期逐月模拟径流量和实测径流量纳什系数具体计算公式如下所示：
Figure FDA0003958887960000042
式中，NSE为率定期逐月模拟径流量和实测径流量纳什系数；
Figure FDA0003958887960000043
为率定期径流量实测值的多各月平均值，mm；
步骤3.3，将率定期最后一个月的土壤水储量和地下水储量作为验证期第1个月前一个月的土壤水储量和地下水储量，同时将验证期的流域逐月面降雨量、逐月面潜在蒸散发和逐月流量数据以及步骤3.1中求解得到的参数a、b、c、d的值代入步骤3.1中建立的公式(4)～(13)中，通过计算验证期的逐月模拟径流量和实测径流量纳什系数对模型进行验证，当验证期逐月模拟径流量和实测径流量纳什系数高于0.5时，认为建立的流域ABCD水文模型满足精度要求。
4.根据权利要求3所述的基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型构建方法，其特征在于，所述步骤4具体如下：
步骤4.1，利用步骤1收集的研究时段内的研究流域控制水文站的逐年水利工程设施数据和流域面积数据计算该流域的逐年水利工程措施因子指数，具体公式如下：
Figure FDA0003958887960000051
式中，EIk为第k年的水利工程措施因子指数；vk为第k年流域控制水文站以上水利工程个数；Af,k为第k年流域控制水文站以上第f个水利工程控制的流域面积，km2；F为流域控制水文站控制的流域面积，km2；Vf,k为第k年流域控制水文站以上第f个水利工程的库容，亿m3；
Figure FDA0003958887960000052
为流域控制水文站以上水利工程总库容，亿m3；当流域内没有水利工程时，EIk每年的值为1；
步骤4.2，利用步骤1收集的研究时段内的研究流域控制水文站的逐年NDVI栅格数据所有栅格值求平均值，计算该流域的逐年NDVI平均值。
5.根据权利要求1所述的基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型构建方法，其特征在于，所述步骤5的具体过程为：
步骤5.1，按照步骤3构建的流域ABCD水文模型和划分的率定期和验证期，结合步骤1收集的流域面积数据，模拟出整个研究时段逐月径流过程，并计算逐年径流侵蚀功率，径流侵蚀功率的计算公式如下：
Figure FDA0003958887960000053
Figure FDA0003958887960000054
ERk＝Hk·Q′sim,k,max     (19)；
式中，Qsim,k,l为第k年第l个月的模拟径流量，mm；Hk第k年的模拟径流量，m；Qsim,k,max为第k年最大的模拟月径流量，mm；F为流域面积，km2；daymax为第k年最大的模拟月径流量该月的天数，d；Qs′im,k,max为第k年最大的模拟月径流模数，m3/(s·km2)；ERk为第k年径流侵蚀功率，m4/(s·km2)；
步骤5.2，将步骤4计算的率定期流域逐年水利工程措施因子指数、逐年NDVI平均值和步骤2计算得到的率定期逐年输沙量以及步骤5.1计算得到的率定期逐年径流侵蚀功率作为输入数据，并根据最小二乘法和纳什系数求解泥沙计算模块的参数，当率定期模拟输沙量和实测输沙量纳什系数高于0.5时，判定求解的泥沙计算模块参数满足精度要求，泥沙计算模块具体公式如下：
Ssim,k＝αERk βEIk χNk δ(20)；
式中，Ssim,k为第k年模拟输沙量，亿t；Nk为第k年NDVI平均值；α、β、χ、δ为泥沙计算模块参数；
使用最小二乘法求解泥沙计算模块参数公式如下：
Figure FDA0003958887960000061
式中，Ssim,k为第k年模拟输沙量，亿t；Sobs,k为第k年实测输沙量，亿t；h为率定期年份长度；
研究流域率定期模拟输沙量和实测输沙量纳什系数具体计算公式如下所示：
Figure FDA0003958887960000071
式中，NS为率定期模拟输沙量和实测输沙量纳什系数；
Figure FDA0003958887960000072
为率定期测输沙量的多年平均值，亿t；
步骤5.3，将步骤4计算的验证期流域逐年水利工程措施因子指数、逐年NDVI平均值和步骤2计算得到的验证期逐年输沙量以及步骤5.1计算得到的验证期逐年径流侵蚀功率作为输入数据，结合步骤5.2求解得到的α，β，χ，δ参数值，带入到步骤5.2建立的泥沙计算模块中，计算得到验证期流域模拟输沙量，并计算验证期模拟输沙量和实测输沙量纳什系数，对模型进行验证，当验证期模拟输沙量和实测输沙量纳什系数高于0.5时，认为建立的基于ABCD水文模型的流域泥沙预报模型满足精度要求。
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