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长江科学院院报 2009年第1期26卷 17-20页

作者：舒晓娟陈洋波徐会军任启伟广东水利电力职业技术学院广州510635 中山大学自然灾害研究中心广州510275

wetspa模型是一个基于GIS技术的分布式物理水文模型。引进wetspa模型,以广东省流溪河水库流域为例,利用流域的DEM、土地利用、土壤等数字化资料,以ArcView3.2为操作平台,经过模型预处理,建立了流溪河水库流域的wetspa模型框架。从流域... 详细信息

wetspa模型是一个基于GIS技术的分布式物理水文模型。引进wetspa模型,以广东省流溪河水库流域为例,利用流域的DEM、土地利用、土壤等数字化资料,以ArcView3.2为操作平台,经过模型预处理,建立了流溪河水库流域的wetspa模型框架。从流域出口断面1980-2004年的流量资料中选取有代表性的大中小洪水20场,其中15场用来率定参数,另外5场用来验证模拟结果。研究结果表明,wetspa模型适用于流溪河水库入库洪水的模拟。

关键词：分布式水文模型 wetspa模型流溪河水库流域洪水模拟

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基于wetspa模型的设计洪水计算

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长江科学院院报 2012年第7期29卷 27-30页

作者：舒晓娟广东水利电力职业技术学院广州510635

分别根据长期的流量资料、广东省推理公式法,基于wetspa分布式水文模型,推求广东省流溪河水库流域设计洪水。基于wetspa模型推求设计洪水结果与广东省推理公式法相比,基于wetspa模型推求设计洪水结果比根据长期流量资料计算结果更接近,... 详细信息

分别根据长期的流量资料、广东省推理公式法,基于wetspa分布式水文模型,推求广东省流溪河水库流域设计洪水。基于wetspa模型推求设计洪水结果与广东省推理公式法相比,基于wetspa模型推求设计洪水结果比根据长期流量资料计算结果更接近,说明基于wetspa模型推求设计洪水是可行的。利用wetspa模型推求设计洪水只需要知道流域的DEM、土地利用类型、土壤类型以及少量的降雨洪水资料。流域的DEM、土地利用类型、土壤类型数据可通过互联网免费下载,所以wetspa模型为短缺资料地区推求设计洪水提供了新的参考。

关键词： wetspa模型分布式水文模型设计洪水流溪河水库流域

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基于CLUE-S-wetspa耦合模型的挠力河流域径流模拟研究

基于CLUE-S-WetSpa耦合模型的挠力河流域径流模拟研究

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作者：陈国银东北农业大学

学位级别：硕士

挠力河流域作为中国黑龙江省三江平原最大的流域,人类活动与气候变化主要是影响流域水文过程的驱动力,尤其土地利用变化对径流的过程已超过自然因素。本研究就未来不同土地利用情景变化对黑龙江省挠力河流域径流影响展开研究。首先采用C... 详细信息

挠力河流域作为中国黑龙江省三江平原最大的流域,人类活动与气候变化主要是影响流域水文过程的驱动力,尤其土地利用变化对径流的过程已超过自然因素。本研究就未来不同土地利用情景变化对黑龙江省挠力河流域径流影响展开研究。首先采用CLUE-S模型对历史时期土地利用变化特征进行分析,设置不同情景分析2030年土地利用变化,然后选择分布式水文模型Wet Spa对挠力河流域的径流进行率定与验证,最后与CLUE-S模型进行耦合,模拟2030年不同土地利用情景变化对研究区2030年5—9月径流的影响,从土地利用类型及径流总量变化、不同情景下径流深变化、不同情景下径流突变检验和不同情景下径流长期变化趋势分析径流过程,主要结论如下:(1)采用2000年,2010年和2020年三期挠力河流域土地利用数据,分析近二十年研究区土地利用变化特征。研究表明:2000—2020年挠力河流域土地利用结构主要由6种地类组成,分别为耕地、森林、草地、湿地、水体和人造地表。其中面积最多的地类主要有耕地、森林和草地三种。在20年间,耕地和草地面积有不同程度的减少,森林、湿地、水体和人造地表地类面积在增加;2000—2020年间,森林、湿地、水体和人造地表分别以0.22%/a、0.11%/a、4.6%/a、0.69%/a的速率增加,耕地和草地以0.03%/a,0.86%/a的速率减少;综合土地利用动态度L值分别为0.24%,0.07%,0.15%,总体上表现为“先下降后上升”的发展趋势;2000—2010年各地类变化为耕地、草地和人造地表用地面积在增加,森林、湿地和水体面积在减少,转出面积最大的是草地为598.43 km,最小的是湿地为32 km;2010—2020年耕地、草地和水体用地面积在增加,森林、湿地和人造地表用地面积在减少,转入面积最大的是森林为557.81 km,最小的是水体为46.29 km;2000年时,分形维数D值大小排序为湿地>森林>耕地>草地>水体>人造地表;2010年时,湿地=森林>耕地>草地>水体>人造地表;到2020年时,森林>耕地>湿地>草地>水体>人造地表;S(稳定性指数)值与D值相反。总的来说,2000年,2010年和2020年3个不同时期,分形维数较大的地类是森林和湿地,较小的是人造地表用地,表明森林和湿地地类结构最复杂,空间边界不规则,人造地表用地相反。(2)采用CLUE-S模型经模拟验证,适用于挠力河流域土地利用变化模拟,Kappa系数为0.894,模拟总体精度为91.18%,精度较高。基线情景下2030年耕地面积较2020年减少0.32%,人造地表面积增加12.91%,森林和湿地面积在增加,草地和水体面积在减少;农业发展情景下2030年耕地面积较2020年增加了23.68%,森林、草地、湿地和水体面积与2020年相比分别减少了50%、50%、40.02%和29.31%。生态保护情景下,2030年森林、草地、湿地和水体地类面积较2020年分别增加49.94%、50%、30.23%和20.78%,在2030年挠力河流域生态用地约占研究区总面积的47.47%,耕地由2020年的14949.61 km减少到2030年的11531.58 km,减少了22.86%。(3)基于Wet Spa模型,采用DEM,土壤类型数据,土地利用数据中提取的空间分布参数和2017—2019年5月1日—9月30日日水文气象数据进行模型参数率定,采用2020年5月1日—9月30日日径流进行验证,结果表明:四个水文站点的日纳什效率系数(Nash)均大于0.6,日相对偏差(Re)的绝对值均小于19%,说明Wet Spa模型在挠力河流域具有适用性,可以用来模拟未来径流变化。(4)基于CLUE-S—Wet Spa耦合模型,模拟出挠力河流域2030年5—9月日平均径流量,然后从土地利用类型与径流变化和不同情景下径流深变化分析分析模拟结果,表明2030年5—9月三种情景下径流总量均大于2020年5—9月径流总量,径流深同样大于2020年5—9月径流深,农业发展情景下径流总量最大,为28.48亿m,生态保护情景下径流总量最小,为27.89亿m,基线情景下径流总量位于二者之间,为28.16亿m,径流深最大和最小分别为123.83mm,121.30mm。耕地增加可以促进径流量增加,森林、草地和湿地的增加抑制径流量增加。三种情景下径流突变检验均没有突变点,均没有达到显著性水平检验,变化趋势增加或减小交替出现;从长期变化趋势来看,三种情景下三种趋势分析方法均表现出显著性增加。

关键词：挠力河流域 LUCC CLUE-S模型 wetspa模型 CLUE-S—wetspa耦合模型径流过程

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机理和数据驱动的水文预报模型应用研究——以汉江流域为例

机理和数据驱动的水文预报模型应用研究——以汉江流域为例

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作者：周茜河北工程大学

学位级别：硕士

水文预报是水利工作人员预测洪涝、旱灾等自然灾害,提前做好应措施的重要手段,而径流预报能提供未来径流的详细信息,具有及其重要的指示作用。常规的物理水文模型可移植性较差,且受限于各种各样的因素导致预报效果往往不尽人意。而常用... 详细信息

水文预报是水利工作人员预测洪涝、旱灾等自然灾害,提前做好应措施的重要手段,而径流预报能提供未来径流的详细信息,具有及其重要的指示作用。常规的物理水文模型可移植性较差,且受限于各种各样的因素导致预报效果往往不尽人意。而常用的数据驱动模型往往忽视径流预报过程中的物理规律,导致模型的可解释性较差。为了提高水文模型的预报精度和物理可解释性,本文用图卷积神经网络和门控循环单元耦合来实现精度较高的中长期水文径流预报。本文主要研究成果如下:(1)本文对wetspa模型水库部分进行了调整,并测试了改进后的wetspa模型在汉江流域的适用性,在利用改进后的wetspa模型对汉江流域的安康库、丹江口水库和皇庄进行模拟时,三个断面在率定期和验证期的纳什效率系数分别为0.79和0.73,0.94和0.83,0.93和0.85,模拟值和实测值的整体趋势变化相同,三个断面在率定期和验证期相对误差的绝对值分别为14%和17%,5%和16%,8%和3%,模拟值和实测值的误差不大,说明改进后的模型在汉江流域的适用性很好。用率定好的参数对汉江流域三个典型断面安康、黄家港、皇庄2020年的径流进行预报时,模型对于安康和皇庄站的洪峰预报效果较好,且纳什效率系数均在0.55以上,整体丰水期的预报效果好于枯水期,枯水期的预报值相比于实测值偏小,黄家港断面的整体预报结果偏小。(2)本文建立了汉江流域的LSTM模型作为与基于物理机制的水文模型和耦合模型的对比模型,并用LSTM模型对汉江流域三个典型断面进行了不同长度预见期的径流预报,发现LSTM在预见期为一天时的预报结果最好,三个断面的纳什效率系数均在0.85以上,且在丰/枯水期的预报效果差别不大,预见期为两天时结果会稍微变差但整体的的纳什效率系数仍能够达到0.81、0.96和0.90,在预见期两天以上时,预报结果会出现明显的偏移,预报结果明显滞后于实测值,在洪峰处尤为明显。随着预见期的延长,预报结果的偏移会越来越明显,说明不适合用LSTM进行预见期两天以上的径流预报。(3)为了增强数据驱动模型的可解释性,综合考虑其它因素对径流的影响,本文建立了图卷经神经网络GCN和门控循环单元GRU耦合模型,并用耦合模型对汉江流域三个典型断面进行了不同长度预见期的径流预报,相比于wetspa模型和LSTM模型,在预见期一天时,三种模型的预报精度相差不大,在两天以上预见期时,耦合模型的的预报结果不会出现明显的偏移,即使是在7天预见期瞎三个断面的纳什效率系数均能在0.7以上,相关系数也能在0.7以上,并且平均绝对误差MAE、均方根误差RMSE、相对偏差RB均小于相同预见期下的LSTM的预报结果。

关键词：汉江流域 wetspa模型 LSTM 耦合模型径流预报

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基于集合卡尔曼滤波的水文模型参数估计方法的研究应用

基于集合卡尔曼滤波的水文模型参数估计方法的研究应用

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作者：卢思成北京工业大学

学位级别：硕士

洪水的发生对人类生产生活造成极大的危害,我国有着洪水频繁发生的特点,防洪一直是人们面临的重大问题。随着科学技术的发展,洪水预报技术成为防洪的重要手段,水文模型则是进行洪水预报的主要工具。为了高精度地模拟河流断面的径流过程... 详细信息

洪水的发生对人类生产生活造成极大的危害,我国有着洪水频繁发生的特点,防洪一直是人们面临的重大问题。随着科学技术的发展,洪水预报技术成为防洪的重要手段,水文模型则是进行洪水预报的主要工具。为了高精度地模拟河流断面的径流过程,必须要获得准确的水文模型参数。尽管使用长系列水文资料进行参数率定或者进行实地测量提供了获得参数的可靠方法,但例如流域下垫面变化、缺乏水文气象数据等原因会影响得到的参数的准确性。实时参数估计方法有助于解决上述问题。过去的研究显示集合卡尔曼滤波比最小二乘法、变分法等其他常用参数估计方法有着更高的精度。本研究选取现阶段卡尔曼滤波在水文模型中最常用的改进型:联合状态向量集合卡尔曼滤波进行水文模型的参数估计。本文首先基于参数全局敏感性分析结果,选取5个有代表性的新安江模型参数,对集合卡尔曼滤波在水文模型中进行参数估计时展现的规律进行了分析,同时也评估了集合卡尔曼滤波应用于水文模型的适用性和实用性,包括在单参数情形下和多参数情形下研究了参数初始集合的分布和参数在模型中不同的作用对参数估计过程的影响、在多参数情形下研究了参数间的相互影响对不同参数参数估计过程的影响、采用数值模拟的方法通过在不同条件下滤波算法是否能找到正确的参数值判断它在水文模型中的适用性、在不同的预报情景下通过进行参数估计后是否能提升锦江流域的预报效果判断它在水文模型中的实用性。现阶段集合卡尔曼滤波在分布式水文模型中的实用性研究还比较少,本文基于新安江模型的研究结果和wetspa模型参数全局敏感性分析,选取3个wetspa模型参数,通过设定不同的预报情景在中国赣江流域的小锦江流域进行了它在水文模型中的实用性的研究。单参数估计情形下的数值模拟结果表明通过参数率定来确定初始分布均值能提高参数估计效率,而参数的初始集合的分布的方差取怎样的值对参数集合达到稳定状态最有利取决于集合均值与参数真实值的距离,其次某时刻的参数不仅影响该时刻的流量还影响其他时刻流量的现象对参数估计过程产生负面影响。多参数估计情形下的数值模拟结果表明估计过程中参数间存在互相干扰,干扰的程度与待估参数的敏感性和单参数估计情形下达到稳定状态需要的时间有关,且单参数估计情形下的部分结论不再适用。综合数值模拟结果认为集合卡尔曼滤波方法在水文模型中具有适用性。新安江模型和wetspa模型在锦江流域的应用显示集合卡尔曼滤波在水文模型总具有广泛的实用性,且能够提升由于下垫面变化和缺乏水文气象数据导致的径流模拟精度下降的流域的洪水预报精度。

关键词：集合卡尔曼滤波新安江模型 wetspa模型参数估计

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