PEST在WetSpa分布式水文模型参数率定中的应用.pdf

水 文 第 卷第 期 年 月 近年来 随着计算机 遥感和地理信息系统等信息技术的发 展 考虑流域空间变异性 追求模型结构和参数物理基础的分布 式水文模型成为水文模拟的热点 分布式水文模型在拥有众 多优点的同时 也面临着参数过多难以率定的问题 模型参数 率定常用的优选方法有人工试错法 自动优选法和人机联合优 选法 种 人工试错法基本依赖率定者的经验和对模型原理 和结构的理解 主观性比较强 对于没有经验的率定者耗时费 力 自动优选法能够克服人工率定的以上缺点 但在大流域数 千或数万个计算单元上进行分布式模拟时 面对数量巨大的参 数 即使只优化几个参数 应用最高效的优化方法也要花费很 长时间 人机联合优选法既可充分发挥预报人员的知识和经 验 又可充分利用先进的优化技术 本文应用 分布式 水文模型 以人工试错法与 独立参数自动率定程序联合 对 模型进行参数率定 对白盆珠水库流域 年日径流进行连续模拟研究 取得较好效果 !“ 是由澳大利亚布里斯班 咨询公司的 博士研 制的 是独立于模型的参数估计和不确定性分析的综合软 件 自从 的第一个版本在 年颁布以来 在生物 地球 物理 机械 航空 化学以及水文等领域得到成功应用 从 年 月以来 也一直是免费软件 模型的研究已深入地下 和地面水模型 可用于任何程序语言编写的模型程序 用 户不必有模型程序源代码 也不用了解太多模型的内部工作原 理 通过模型的输入和输出文件与模型交流 模型用户对 模型不用做任何改变 应用 对模型参数进行自动率定非 常方便 在参数率定的过程中 用户可自由干涉 在优化过程的 任何阶段 敏感和不敏感的参数能够被区分 用户可让一些棘手 的参数 不敏感或高度相关的参数 保持当前值 这样参数优化 过程就不会受到这些参数的影响 用的是非线性评价方法 方法 这个方法集中了逆海森方法和最速下降法的优点 能够朝 着目标函数更快而有效的收敛 能通过尽量少的模型运行次数 估计参数 等将该方法与 以 及 方 法应 用 于 流域水文模型 的参数优化 他们对以上 种方法进行比较研究 认为 算法是一个优化速度很快的方法 只要初 始参数合适 并且在优化过程中排除不敏感参数 其显示结果与 算法一样良好 #$!“ 模型是比利时布 鲁塞尔自由大学 的 等人于 年提出的分布式水文模型 在 模型的基础上 刘永波等研制提出将固定的计算步长改为可选择的 等 改进的 分布式水文模型 模型主 要应用于基于 的洪水模拟和流域管理 径流 土壤含水量 地下水流量等水文过程的模拟 以及土地 气候变化对水文过程 在 分布式水文模型参数率定中的应用 舒晓娟 ! ! 陈洋波 ! 黄锋华 ! 周浩澜 ! 中山大学自然灾害研究中必“ 广东广 # 广东水利电力职业技术学院“ 广东广 $ 摘要! 分布式水文模型随着计算机“ 遥感和地理信包系统等信包技术的发展成为水文模拟的热点! 但面临着参数过 多难以率定的问题# 是独立于模型的非线性参数估计和不确定性分析的综合软件! 能通过尽量少的模型运行次 数估计参数$ 本文应用以 为操作平台的 分布式水文模型! 结合人工试错法和 独立参数自动 率定程序联合对 模型进行参数率定! 对白盆珠水库流域 ! 牟日径流进行连续模拟研究 取得较好效果$ 关键词! % 分布式水文模型% 白盆珠水库流域% 径流模拟 中图分类号! 文献标识码! 文章编号! 收稿日期! 基金项目!国家自然科学基金 广东省科技计划基金 作者简介!舒晓娟 女 湖北武穴人 讲师 在读博士 主要从事水文水资源方面的教学研究工作 第 卷水 文第 卷水 文第 卷水 文第 卷水 文第 卷水 文 坡度( 曼宁系数 图 白盆珠水库流域 的影响分析等o 以 为操作平台的 模型对流域洪水的 模拟 主要通过输入模型研究流域的地形土地利用土壤类型 降雨及蒸散发容量等数据o 模型中所有的空间分布参数可由流 域的地形 土地利用及土壤类型 种数据推导得到 不需要率 定o 另外 在运行 模型前 还需准备 个应用到每个单 元格或每个子流域的全局参数z壤中流缩放因子 地下水退水 系数 土壤初始含水量相对蓄水容量的比值 蒸发修正系 数 初始地下水储存深度 最大地下水储存深度 ;反映 当降雨强度很小时 降雨强度对实际地表径流系数影响的指数 ;降雨强度边界 (超过该值 就取 o 另外 个与降雪 有关的参数 如果流域没有降雪 可指定为一负值o 对于无降雪 流域的日径流模拟需通过优化率定的参数是z o !“#$ 研究流域 白盆珠水库位于东江支流西枝江中游惠东县境内白盆珠峡 谷处 白盆珠水库流域位于东经 北纬 流域面积为 属丘陵地带o白盆珠 水库所处的西枝江流域濒临南海 属亚热带季风气候区 雨量充 沛 多年平均降雨量为 o 流域 ( 数据 (见图 是从 数字地形高程 数据 库 下载得到 数字高程数据o 土地利用数据是从美国地质调查局( 简称 网站的欧亚土地覆盖数据库中( 截取的白盆珠水库流域土地利用类型数据 土地 利用有针叶林常绿阔叶林灌木丛和草地等类型 以 模型土地利用分类标准重新分类o 从当地获取了空间分辨率为 的土壤类型 数据 土壤有属储育水稻土麻黄壤页黄壤麻红壤页红壤麻 赤红壤页赤红壤侵蚀赤红壤和山地灌丛草甸土等类型o通过 重采样技术得到了白盆珠水库流域 空间分辨率的 土壤类型数据 并以 模型土壤分类标准重新分类o 流域内有双下石涧新塘宝口马山禾多布高潭等 个 雨量站o 模型根据各站点雨量资料 用泰森多边形法求 出整个流域内各网格的面降雨过程o 蒸发数据根据广东省水文 图集 得到o 用于参数率定和模型验证的流域出口断面的流量 资料是通过水库水量平衡计算得到的入库洪水流量资料o 模型模拟 根据 基于 的 模型可自动提取 流域的数字特征 包括确定单元格网的流向累积流汇流网络 河网链河网编码坡度分布(见图 水力半径及子流域的边 界划分等o 根据土地利用数据 模型可根据模型提供的特征值 插值计算根系深度植被率拦截容量曼宁系数分布(见图 叶面指数等空间分布参数o 根据土壤类型数据 模型可根据模型提供的特征 值插值计算基于土壤类型的水力传导率分布 (见图 孔隙 率田间持水量最小含水量孔隙分布系数凋谢系数等空间 分布参数o 产流系数洼蓄容量均表示为坡度土壤类型及土地利用 的函数 基于 可根据白盆珠水库流域坡 图 坡度分布图 图 曼宁系数分布图 !“ 第 期第 期 水力传导率 ! ! ! ! ! ! ! ! ! 图 径流系数分布图 度 土壤类型及土地利用得到产流系数分布 见图 洼蓄容量 空间分布参数 流速分布 见图 等汇流空间分布参数也可根 据坡度 水力半径 曼宁系数等得到 模型参数率定及评价 在人工率定的基础上 得到 个需率定的参数的初始值 然 后利用 参数率定独立程序进行自动率定 利用 ! 年的连续日径流进行参数率定 各参数自动率定前后值及敏感 排序见表 在参数率定的过程中自动进行参数的敏感性 分析 在率定的结果文件中输出各参数的相对敏感度 反映当 降雨强度很小时 降雨强度对实际地表径流系数影响的指数 的敏感程度最高 这与笔者手动率定的经验一致 土壤初 始含水量相对蓄水容量的比值 敏感程度最低 对于长期径 流的连续模拟 土壤初始含水量只对初始模拟时段有影响 对以 后的模拟时段影响较小 因此 表现不敏感 结果文件 还列出率定参数相关系数矩阵 见表 从该矩阵可看出参数 和 高度相关 在率定的过程中可先使其中的一个保 持固定值来率定另外一个参数 应用 ! 年的连续日径流进行模型检验 比较实测 和模拟径流量 径流过程线 以及利用 模型计算的以下 个评价指标进行评价 流量相对误差 计算公式为 ! “# ! 表 鲁参数自动率定前后值及敏感排序表 参数单位初始值自动率定值敏感排序 表 参数相关系数矩阵表 图 水力传导率分布图 图 流速分布图 径流系数 ! ! ! ! ! ! ! ! ! 流速 ! ! ! ! ! ! ! ! ! 舒晓娟等 在 分布式水文模型参数率定中的应用 !“ 第! 卷水 文第! 卷水 文第! 卷水 文第! 卷水 文第! 卷水 文 平均雨量 模拟流量 实测流量 平均雨量 流量 时间 图 年实测和模拟的日径流 年份 实测径流 模拟径流 “ 相对误差 平均雨量 模拟流量 实测流量 平均雨量 流量 时间 式中 分别为各时段径流的模拟及实测值 为模拟 流量与实测流量的相对误差 的值越小 模拟流量与实测流 量的平均偏差越小 值为 时模拟效果最好 模型可靠度 它反映连续模拟时模型的整体可靠程 度 计算公式为 式中 为实测流量平均值 反映连续模拟时模型的整体 可靠程度 越接近 模型的可靠度越高 确定性系数 计算公式为 式中 为确定性系数 其值不大于 且取 时模拟效果最 佳 当 取负值时 表示模型模拟效果还不及取实测流量的 平均值 对数系数 计算公式为 ! ! ! ! 式中 反映小流量的拟合度 !为小于实测流量的任意小 值 引入!是为了避免实测或模拟流量为 时 自然对数失去意 义 值为 时模拟效果最佳 改进的 系数 计算公式为 式中 反映大流量的拟合度 其值为 时模拟效果最佳 率定期和验证期模拟径流深与实测径流深的相对误差 见 表 表 都在 以内 率定期的 个评价指标 见表 在 “ 在 “ 在 “ 在 “ 在 “ 验证期的 个评价指标 见 表 在 “ 在 “ 在 “ 在 “ 在 “ 除了率定期 年的 稍偏小和验证期 年的 稍偏大 其余的 评价指标都较好 结合实测和模拟径流过程线 率定期 “ 年中的 年的日径流过程线见图 验证期 “ 年中的 年的日径流过程线见图 模型对白盆珠水 库流域 “ 年日径流的连续模拟 总的来说效果较好 图 年实测和模拟的日径流 表 率定期径流模拟结果 !“ 第 期第 期 !“#$% 能较快得到优化解 并且不用修改水文模型和 的源程序 只需要按照 用户手册要求写几个文本文件就 可以实现 与 分布式水文模型的耦合 对初 值的依赖比较大 不同的初始值可能得到差别较大的率定结果 主要是模型的非线性 不确定性和参数间的高相关性导致的 本 文先通过试错法得到合适的初值 再在此基础上通过 能 较快得到优化解 应用的优化算法还是属于局部优化 目 前一些全局优化算法基本上应用在集总式和半分布式水文模 型 武新宇 等将并行遗传算法应用于新安江模型参数优化率 定 马海波 等将 算法应用到半分布式水文模型 ! 的参数优化中 将全局优化算法应用到全分布式水文模 型是水文模型参数率定发展的方向 参考文献! 张金存 芮孝芳 分布式水文模型构建理论与方法述评 水科学 进展 ! 王中根 夏军 刘昌明 等 分布式水文模型的参数率定及敏感性分 析探讨 自然资源学报 章四龙 刘九夫 通用模型参数率定技术研究 水文 ! ! ! ! ! 广东省水文图集 广州 广东省水文总站 武新宇 程春田 赵鸣雁 基于并行遗传算法的新安江模型参数优 化 率 定 方 法 水 利 学 报 ! 马海波 董增川 张文明 等 算法在 参数优 化中的应用 河海大学学报 自然科学版 ! ! 年份 实测径流 模拟径流 !“ “ 相对误差 !“ !“ !“ !“ 表 验证期径流模拟结果 !下转第!“页“ 舒晓娟等 在 分布式水文模型参数率定中的应用 #“ 第 期第 期 ! 周玉文 李玉华 极大似然法求暴雨强度 “ 分布统计参数的可 行性研究 哈尔滨建筑大学学报 ! 陆桂华 祁建强 杨晓华 水文模型参数优选遗传算法的应用 水 利学报 ! 游进军 纪昌明 付湘 基于遗传算法的多目标问题求解方法 水 利学报 康玲 陈辉 姜铁兵 等 基于遗传模拟退火算法的洪水频率计算研 究 广西水利水电 丁晶 邓育仁 随机水文学 成都 成都科技大学出版社 ! ! ! ! ! ! ! ! ! !上接第!“页“ 桑燕芳等 水文频率分析中参数估计 方法的研究 #“ pest在wetspa分布式水文模型参数率定中的应用pest在wetspa分布式水文模型参数率定中的应用 作者：舒晓娟， 陈洋波， 黄锋华， 周浩澜， shu xiao-juan， chen yang-bo， huang feng-hua， zhou hao- lan 作者单位：舒晓娟,shu xiao-juan(中山大学自然灾害研究中心,广东,广州,510275;广东水利电力职业技术学院,广东,广 州,510635)， 陈洋波,黄锋华,周浩澜,chen yang-bo,huang feng-hua,zhou hao-lan(中山大学自然灾害研究 中心,广东,广州,510275) 刊名： 水文 英文刊名：journal of china hydrology 年，卷(期)：2009,29(5) 被引用次数：1次 参考文献(11条)参考文献(11条) 1.张金存;芮孝芳 分布式水文模型构建理论与方法述评期刊论文-水科学进展 2007(02) 2.王中根;夏军;刘昌明 分布式水文模型的参数率定及敏感性分析探讨期刊论文-自然资源学报 2007(04) 3.章四龙;刘九夫 通用模型参数率定技术研究期刊论文-水文 2005(01) 4.eckhardt k bahremand;arnold j g automatic calibration of a distributed catchment model 2001(1-2) 5.doherty j pest model-independent parameter estimation 2002 6.bahremand a;de smedt f distributed hydrolosical modeling and sensitivity analysis in torysa watershed,slovakia 2008(03) 7.iskra i;droste r application of non-linear automatic optimization techniques for calibration of hspf外文期刊 2007(06) 8.liu yb;de smedt f wetspa extension,a gis-based hydrologic model for rood prediction and watershed management documentation and user manual 2004 9.广东省水文图集 1991 10.武新宇;程春田;赵鸣雁 基于并行遗传算法的新安江模型参数优化率定方法期刊论文-水利学报 2004(11) 11.马海波;董增川;张文明 sce-ua算法在topmodel参数优化中的应用期刊论文-河海大学学报（自然科学版） 2006(04) 本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条) 1. 许继军.杨大文.蔡治国.xu ji-jun.yang da-wen.cai zhi-guo 分布式水文模型结合雷达测雨用于三峡区间的洪水预报期刊论文-长 江科学院院报2007,24(6) 2. 刘青娥.雷晓辉.王浩.蒋云钟.liu qin-ge.lei xiao-hui.wang hao.jiang yun-zhong 面向分布式水文模型的汉江流域空间离散化方 法期刊论文-南水北调与水利科技2009,7(2) 3. 雷晓辉.周祖昊.丁相毅.贾仰文.田雨.lei xiao-hui.zhou zu-hao.ding xiang-yi.jia yang-wen.tian yu 分布式