本發(fā)明涉及流域水文模型方面，特別是涉及一種不同時(shí)間尺度上水文模型參數(shù)轉(zhuǎn)換的計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

流域水文模型是研究流域水文自然規(guī)律和解決水文實(shí)際問題的重要手段。流域水文模型基于數(shù)學(xué)物理方程和參數(shù)對(duì)流域水文循環(huán)過程進(jìn)行概化，分析流域降水——徑流的轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)流域徑流的模擬和預(yù)報(bào)，它為水資源利用與管理、流域洪水預(yù)報(bào)等提供了技術(shù)支撐。

現(xiàn)有的流域水文模型參數(shù)估計(jì)方法大多基于優(yōu)化算法和實(shí)測(cè)資料進(jìn)行，主要步驟為：(1)選取完整的實(shí)測(cè)水文資料序列，如降雨、潛在蒸發(fā)、徑流資料等；(2)選取優(yōu)化參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)，一般采用模擬徑流與實(shí)測(cè)徑流的誤差平方和最小為目標(biāo)函數(shù)；(3)采用優(yōu)化算法對(duì)水文模型的待率定參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，其中較為常用的優(yōu)化算法有sce-ua算法、遺傳算法等。

因此，現(xiàn)有的水文模型參數(shù)估計(jì)方法存在以下問題：(1)模型參數(shù)依賴于足夠的實(shí)測(cè)水文資料序列，通過優(yōu)化算法反演的方式獲得；(2)模型的參數(shù)認(rèn)為是常數(shù)，無法反映流域特征條件的動(dòng)態(tài)變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出了一種不同時(shí)間尺度上水文模型參數(shù)轉(zhuǎn)換的計(jì)算方法，該方法是一種無需率定模型參數(shù)且模擬更為準(zhǔn)確的水文模型參數(shù)計(jì)算方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案具體包括如下步驟：

一種不同時(shí)間尺度上水文模型參數(shù)轉(zhuǎn)換的計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，選取水文月數(shù)據(jù)完整的流域，根據(jù)實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)估計(jì)多年平均尺度參數(shù)ε以及月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比k和月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比m；其中，水文月數(shù)據(jù)包括月降水、月潛在蒸發(fā)、月徑流以及月植被覆蓋度ndvi序列；對(duì)于月尺度水量平衡模型，假定月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比k和月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比m的取值僅存在月份之間的變化，而在不同年份的相同月份上一致，故月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比k和月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比m各有12個(gè)值需要估計(jì)，即月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比ki和月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比mi，i表示月份，i＝1,2,…,12，上述24個(gè)值根據(jù)月降水、月潛在蒸發(fā)和月徑流序列，采用優(yōu)化算法率定得到；

步驟2，選取與月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比ki和月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比mi具有物理關(guān)聯(lián)的流域特征因子，即植被覆蓋度ndvii或降雨頻次αi，i表示月份，i＝1,2,…,12；分析月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比ki序列、月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比mi序列與植被覆蓋度ndvii序列或降雨頻次αi序列的相關(guān)關(guān)系，

當(dāng)ki序列或者mi序列與ndvii序列呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，比例因子ri設(shè)定為：

當(dāng)ki序列或者mi序列與αi序列呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系時(shí)，比例因子ri設(shè)定為：

當(dāng)ki序列或者mi序列與ndvii序列呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系時(shí)，比例因子ri設(shè)定為：

當(dāng)ki序列或者mi序列與αi序列呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系時(shí)，比例因子ri設(shè)定為：

步驟3，采用多元線性回歸方法擬合多年平均尺度參數(shù)ε分別與月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比ki序列和月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比mi序列的均值之間的經(jīng)驗(yàn)公式，

式中，表示ki的均值，表示mi的均值，

步驟4，選取水文月數(shù)據(jù)存在缺失的流域，根據(jù)該流域已有的實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)估計(jì)該流域的多年平均尺度參數(shù)ε’，然后代入步驟3的公式中分別計(jì)算得到進(jìn)而分別求出該流域的月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比ki’序列的總和即和月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比mi’序列的總和即

步驟5，根據(jù)步驟2求得的比例因子ri，將步驟4求得的水文月數(shù)據(jù)存在缺失流域的月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比ki’的總和及月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比mi’的總和按如下方式分配至各個(gè)月份：

式中，k′i為待估計(jì)的月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比序列，m′i為待估計(jì)的月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比序列，i表示月份，i＝1,2,…,12。

上述步驟1中，對(duì)于多年平均水量平衡模型，多年平均尺度參數(shù)ε可通過以下公式計(jì)算得到：

其中，為多年平均年降水量；為多年平均實(shí)際蒸發(fā)量；為多年平均徑流量；為多年平均年初始蒸發(fā)量；為多年平均潛在蒸發(fā)量；

并且步驟4中，水文月數(shù)據(jù)存在缺失的流域的多年平均尺度參數(shù)ε’計(jì)算方法同多年平均尺度參數(shù)ε的計(jì)算方法。

上述步驟2中，為了與月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比ki和月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比mi，i＝1,2,…,12序列相匹配，將月植被覆蓋度ndvi序列、月降雨頻次α序列處理為多年月平均值，即對(duì)多年的每個(gè)月份進(jìn)行平均，i表示月份，i＝1,2,…,12，m表示資料序列的總年數(shù)，j表示第j年，j＝1,2,…,m；月降雨頻次α序列，通過當(dāng)前月份日降雨不小于1mm的天數(shù)除以當(dāng)前月份的天數(shù)得到。

上述步驟5中，要求時(shí)變參數(shù)k′i和m′i的取值范圍均為(0,1)，采用如下方法對(duì)時(shí)變參數(shù)k′i和m′i的取值范圍進(jìn)行修正：

式中，k″i為修正后的時(shí)變參數(shù)序列；zj為時(shí)變參數(shù)k′i序列中超出取值范圍的k′i值所在月份；j＝1,…,n，n為超出取值范圍的參數(shù)個(gè)數(shù)；kcon為0.9到1之間的常數(shù)；

式中：m″i為修正后的時(shí)變參數(shù)序列；zj為時(shí)變參數(shù)m′i序列中超出取值范圍的m′i值所在月份；j＝1,…,n，n為超出取值范圍的參數(shù)個(gè)數(shù)；mcon為0.9到1之間的常數(shù)；

最后，對(duì)新的參數(shù)序列k″i和m″i再次進(jìn)行取值范圍判斷，若仍有參數(shù)超出范圍，則重復(fù)上述步驟直至滿足要求。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

(1)現(xiàn)有技術(shù)一般僅能考慮流域氣候條件和下墊面條件不發(fā)生變化的情況，而本發(fā)明方法考慮了水文模型參數(shù)隨時(shí)間變化的特性，更能準(zhǔn)確地反映變化環(huán)境下流域的特征條件；

(2)現(xiàn)有技術(shù)需要較為詳細(xì)和足夠長(zhǎng)度的實(shí)測(cè)水文資料序列進(jìn)行月尺度的參數(shù)估計(jì)，本發(fā)明方法采用多年平均尺度的參數(shù)與月尺度時(shí)變參數(shù)均值之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，結(jié)合月尺度時(shí)變參數(shù)與流域特征因子的相關(guān)關(guān)系，無需通過水文月數(shù)據(jù)來進(jìn)行月尺度參數(shù)的率定，可為無資料地區(qū)的月徑流模擬提供參考依據(jù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明根據(jù)多年平均尺度參數(shù)ε，采用統(tǒng)計(jì)方法建立與月尺度時(shí)變參數(shù)k和m的經(jīng)驗(yàn)公式，然后通過流域特征因子按比例分配得到月尺度時(shí)變參數(shù)。如圖1所示，本發(fā)明的技術(shù)方案具體包括以下步驟：

步驟1，選取水文月數(shù)據(jù)完整的流域，根據(jù)實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)估計(jì)多年平均尺度參數(shù)ε以及月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比k和月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比m；其中，水文月數(shù)據(jù)包括月降水、月潛在蒸發(fā)、月徑流以及月植被覆蓋度ndvi序列；多年平均尺度參數(shù)ε為多年平均水量平衡模型的唯一參數(shù)；月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比k和月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比m為月尺度水量平衡水文模型的兩個(gè)參數(shù)；

對(duì)于多年平均水量平衡模型，多年平均尺度參數(shù)ε可通過以下公式計(jì)算得到：

其中，為多年平均年降水量；為多年平均實(shí)際蒸發(fā)量；為多年平均徑流量；為多年平均年初始蒸發(fā)量；為多年平均潛在蒸發(fā)量；

對(duì)于月尺度水量平衡模型，假定月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比k和月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比m的取值僅存在月份之間的變化，而在不同年份的相同月份上一致，故月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比k和月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比m各有12個(gè)值需要估計(jì)，即月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比ki和月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比mi，i表示月份，i＝1,2,…,12，上述24個(gè)值根據(jù)月降水、月潛在蒸發(fā)和月徑流序列，采用優(yōu)化算法如sce-ua算法或其他算法率定得到。

步驟2，選取與月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比ki和月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比mi具有物理關(guān)聯(lián)的流域特征因子，即植被覆蓋度ndvii或降雨頻次αi，i表示月份，i＝1,2,…,12；其中，

為了與月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比ki和月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比mi，i＝1,2,…,12序列相匹配，將月植被覆蓋度ndvi序列、月降雨頻次α序列處理為多年月平均值，即對(duì)多年的每個(gè)月份進(jìn)行平均，i表示月份，i＝1,2,…,12，m表示資料序列的總年數(shù)，j表示第j年，j＝1,2,…,m；月降雨頻次α序列，通過當(dāng)前月份日降雨不小于1mm的天數(shù)除以當(dāng)前月份的天數(shù)得到；

隨后，分析月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比ki序列、月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比mi序列與植被覆蓋度ndvii序列或降雨頻次αi序列的相關(guān)關(guān)系，

當(dāng)ki序列或者mi序列與ndvii序列呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，比例因子ri設(shè)定為：

當(dāng)ki序列或者mi序列與αi序列呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系時(shí)，比例因子ri設(shè)定為：

公式(2)(3)相當(dāng)于提供了兩種計(jì)算比例因子的方法，可通過不同的流域特征因子計(jì)算比例因子；如果ki序列或者mi序列與ndvii序列的相關(guān)關(guān)系強(qiáng)于與αi序列的相關(guān)關(guān)系，則采用公式(2)，反之則采用公式(3)。

當(dāng)ki序列或者mi序列與ndvii序列呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系時(shí)，比例因子ri設(shè)定為：

當(dāng)ki序列或者mi序列與αi序列呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系時(shí)，比例因子ri設(shè)定為：

步驟3，采用多元線性回歸方法擬合多年平均尺度參數(shù)ε分別與月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比ki序列和月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比mi序列的均值之間的經(jīng)驗(yàn)公式，

式中，表示ki的均值，表示mi的均值，

步驟4，選取水文月數(shù)據(jù)存在缺失的流域，根據(jù)該流域已有的實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)采用步驟1中的公式(1)所述方法估計(jì)該流域的多年平均尺度參數(shù)ε’，然后代入步驟3中的公式(6)(7)分別計(jì)算得到然后分別求出該流域的月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比ki’序列的總和即和月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比mi’序列的總和即

步驟5，根據(jù)步驟2求得的比例因子ri，將步驟4求得的水文月數(shù)據(jù)存在缺失流域的月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比ki’的總和及月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比mi’的總和按如下方式分配至各個(gè)月份：

式中，k′i為待估計(jì)的月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)比序列，m′i為待估計(jì)的月尺度時(shí)變參數(shù)初始蒸發(fā)能力比序列，i表示月份，i＝1,2,…,12；

另外，要求時(shí)變參數(shù)k′i和m′i的取值范圍均為(0,1)，采用如下方法對(duì)時(shí)變參數(shù)k′i和m′i的取值范圍進(jìn)行修正：

式中，k″i為修正后的時(shí)變參數(shù)序列；zj為時(shí)變參數(shù)k′i序列中超出取值范圍的k′i值所在月份；j＝1,…,n，n為超出取值范圍的參數(shù)個(gè)數(shù)；kcon為0.9到1之間的常數(shù)，如0.99；

式中：m″i為修正后的時(shí)變參數(shù)序列；zj為時(shí)變參數(shù)m′i序列中超出取值范圍的m′i值所在月份；j＝1,…,n，n為超出取值范圍的參數(shù)個(gè)數(shù)；mcon為0.9到1之間的常數(shù)，如0.99；

最后，對(duì)新的參數(shù)序列k″i和m″i再次進(jìn)行取值范圍判斷，若仍有參數(shù)超出范圍，則重復(fù)上述步驟直至滿足要求。