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常用洪水预报模型及参数率定 水利部水文情报预报中心2012年10月 常用洪水预报模型 一 常用洪水模型概述 三水源蓄满产流模型 SMS 3 三水源滞后演算模型 LAG 3 马斯京根河道分段连续演算模型 MSK 降雨径流相关图法 P Pa R 流域汇流经验单位线 UH B 流域产流计算 流域汇流计算 河道汇流计算 该类模型输入为流域内点雨量或面雨量系列文件 输出为流域径流深系列文件 该类模型输入为流域径流深系列文件 输出为出口断面水位流量系列文件 该类模型输入为上断面水位流量系列文件 输出为下断面水位流量系列文件 常用洪水预报模型 一 常用洪水模型概述 XMP 三水源蓄满产流模型 三水源滞后演算模型马斯京根河道分段连续演算模型 三水源蓄满产流模型参数 WM WUM WLM WDM 流域平均蓄水容量 反映干旱程度的指标 K 流域蒸散发折算系数 反映流域蒸散发能力 B 流域蓄水容量曲线的方次 反映流域蓄水条件的不均匀性 C 深层蒸发折算系数 决定于深根植物的覆盖面积 IM 不透水面积比例 SM 流域平均表层土自由水蓄水容量 反映洪峰形状 高低 EX 自由水蓄水容量曲线的方次 反映自由水分布的不均匀性 KG和KI 自由水蓄水库对地下水及壤中流的出流系数 反映直接径流的退水历时天数 一 常用洪水模型概述 三水源滞后演算模型参数 CI 深层壤中流的消退系数 反映洪水尾部退水的快慢 CG 地下径流消退系数 反映地下水退水的快慢 CS 河网蓄水消退系数 反映洪水过程坦化的程度 LAG 滞后时段数 反映洪水过程平移的程度 一 常用洪水模型概述 马斯京根河道分段连续演算模型参数 X 子河段流量比重因素 反映河槽调蓄能力的一个指标 即反映洪水过程坦化的程度 MP 子河段数 反映洪水过程平移的程度 一 常用洪水模型概述 三水源蓄满产流模型参数 二 模型参数的性质与约值 WM WUM WLM WDM WM的值要保证在计算过程中土壤含水量W不会出现负值 如W出现负值 就要加大WM WM的值在半干旱地区170mm 半湿润地区120mm 湿润地区100mm WUM的值在植被较好的地区20mm 植被匮乏的地区5mm WM的加大主要在于加大WDM 三水源蓄满产流模型参数 K 蒸发皿实测的蒸发量乘上K就是流域蒸散发能力 K的取值控制总的水量平衡 是非常重要的参数 K的参数率定通常将目标函数固定为多年水量平衡再计算而得 二 模型参数的性质与约值 三水源蓄满产流模型参数 二 模型参数的性质与约值 B 它取决于流域地形地貌地质情况的均一程度 一般情况下它与流域面积有关 对于小流域B值也小 对于几千平方公里的流域 B在0 4左右 B的值对径流量在时程上的分配有一定影响 B值大时 径流先少后多 B值小时 反之 但这种影响是有限的 B的取值范围一般在0 15 0 4 或更大些 B的值对全流域蓄满的洪水不起作用 但在局部产流的小洪水时是有作用的 三水源蓄满产流模型参数 二 模型参数的性质与约值 C C的值对湿润地区影响极小 而对半湿润地区及半干旱地区则影响较大 C的值与WLM和WDM的和有关 这个和越大 深层蒸发越难以发生 C值就越小 在北方半湿润地区0 08 0 15 反之则大 在南方林地0 15 0 20 C的值对久旱以后的洪水的影响较大 因此可用久旱以后的洪水来调试C值 同时也可对WDM WLM的值作相应的调整 三水源蓄满产流模型参数 二 模型参数的性质与约值 IM 如有详细的地图 可以量出IM的值 在天然流域 一般只取值0 01或0 02 但是 在城镇和水库库区则其值可能较大 IM的值主要由过程线上非全流域产流的小突起来判断 这些小洪水过程大多由不透水面积产生导致的直接径流产生 故可由这些小洪水的拟合好坏来确定与调整IM的值 三水源蓄满产流模型参数 二 模型参数的性质与约值 SM SM是个重要的参数 决定了地表径流的多少 影响洪峰形态 优选调试时往往以洪峰为主要目标 由于使用时段递推计算的差分格式 对雨强有均化作用 所以计算时越短 相应的SM越大 如取时段长度为日 SM在山区10或更小 南方土深林茂处取50或更大 如时段长为6小时 SM在山区则加大至20 SM的值与地质条件有关系 花岗岩37 砂岩16 板 页岩7 三水源蓄满产流模型参数 二 模型参数的性质与约值 EX EX决定了饱和坡面流产流面积的发展过程 一般取值在1 1 5 该参数的变幅不大 可取定值1 5 三水源蓄满产流模型参数 二 模型参数的性质与约值 KG和KI KI KG代表自由水出流的快慢 1000平方公里流域 一般为三天 KG KI 0 7 若为二天 则KG KI 0 8 这可以从流量过程线落水段的转折点 粗估壤中流与地下水的量值 其比值就是KI KG的值 有的流域退水历时远大于三天 则应调整参数CI来处理 SM与KG存在一定的相关性 SM越大 KG也愈大 反映了流域的蓄水能力等水文特性 二 模型参数的性质与约值 CI 如无深层壤中流 CI 0 当深层壤中流很丰富时 CI 0 4 0 8 相当于退水为2天 CI 0 9 相当于退水为10天 它决定洪水尾部退水的快慢 但它对整个过程的影响 远不如产流模型中SM与KG KI明显 它的作用是弥补KG KI 0 7的不足 三水源滞后演算模型参数 二 模型参数的性质与约值 CG 此值一般为0 98 0 998 相当于汇流时间为50 500天 它决定地下水退水的快慢 用枯季资料很容易推求 三水源滞后演算模型参数 二 模型参数的性质与约值 CS CS的值可以控制洪水的形态 用次洪资料进行推求 CS的值在0 1 0 3 相当于退水历时约半天 多为陡涨陡落的洪水过程 较为平缓的洪水过程 CS的值在0 6 0 9 相当于退水历时约2 10天 三水源滞后演算模型参数 二 模型参数的性质与约值 LAG LAG的值可以控制洪水的推移时间 用次洪资料进行推求 一般可以根据从造峰降雨落地后到断面出峰的时间来初判 三水源滞后演算模型参数 三 模型参数的层次与敏感性 三水源蓄满产流模型 滞后演算模型参数 每层中待率定优化的参数不宜多于2个 因此要剔除不敏感参数 如WUM WLM C EX CI等对于物理意义明确的参数 可以直接确定 如WM B IM CG等对于有约束条件的参数确定一个 另一个即不参与优化 如KI 二 模型参数的性质与约值 马斯京根河道分段连续演算模型参数 X X值随楔蓄作用的增大而增大 如湖泊 水库 入流影响可忽略 X值接近于零 如入流和出流影响相等 则x 0 5 有些河段出现壅水 倒比降时 X值为负值 二 模型参数的性质与约值 马斯京根河道分段连续演算模型参数 MP 子河段数可以根据河道平均汇流时间与计算时段长初估 通常取整数位 三 常用洪水预报模型 降雨径流相关图法 Pa 前期雨量计算 也称前期影响雨量 是反映土壤湿度的参数 通常从主汛期开始计算 P 把时段雨量序列变成累积雨量序列 R 由累积净雨转化成时段净雨量序列 P Pa R关系曲线 三 常用洪水预报模型 降雨径流相关图法 参数文件 PAR 文件标准格式如下 11201780 尼尔基 112017801AP RZHJRPARAMETER1 查曲线方式代码 等于1表示用累计雨量查曲线 不等于1表示用时段雨量查曲线 60 土壤最大初损量Im 0 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 8 12个月的土壤含水量日衰减系数KD 7 P R曲线条数N 0102030405060 每条P R曲线对应的Pa值 10 每条P R曲线的节点数M 1000000002203 756 37 691215 10300205215225235245255265 三 常用洪水预报模型 降雨径流相关图法 参数文件 PAR 文件标准格式如下 11201780 尼尔基 112017801AP RWLLPARAMETER1 查曲线方式代码 等于1表示用累计雨量查曲线 不等于1表示用时段雨量查曲线 70 土壤最大初损量Im 0 930 930 930 930 930 850 850 850 850 930 930 93 12个月的土壤含水量日衰减系数KD 39 P pa R曲线的节点数M 100212 52 3930002917 5 三 常用洪水预报模型 流域汇流经验单位线模型 单位线模型的参数为汇流曲线 为过程变量 汇流曲线由实测资料分析出来 反映了一次洪水过程中影响流域汇流的一切因素 决定汇流曲线的因素是流域自然地理特性及河槽水力条件 前者可认为保持不变 后者主要为河槽汇流速度及调蓄作用 主要由不同的降雨特性决定 高强度的降雨 净雨汇集快 洪水峰高量大 相应的汇流曲线陡峻 反之 则滞缓 净雨在面上分布不均 汇流曲线也不一样 分布偏下游的由于流程短 调蓄作用小 单位线峰值高 峰现早 三 常用洪水预报模型 流域汇流经验单位线模型 参数文件 PAR 文件标准格式如下 11201780 尼尔基 112017801AUH BPARAMETER1 选取所采用的单位线代号 1 单位线总数 1 单位线序号 1 2 20 单位线长度 0001906109009508907605604052701701006040201050 三 常用洪水预报模型 神经网络模型 BP模型 基本原理 输入信号从输入层经隐层单元逐层处理 并传向输出层 每一层神经元的状态只影响下一层神经元的状态 如果在输出层不能得到期望的输出 则转入反向传播 将输出信号的误差沿原来的连接通路返回 通过修改各层神经元的权值和阈值 使得网络全局误差信号最小 模型参数 1 FORECAST TYPE BP模型模拟对象Q表示流量 Z表示水位 2 CALIBRATION BP模型是模拟状态还是预报状态1表示模拟状态 0表示预报状态 三 常用洪水预报模型 神经网络模型 BP模型 三 常用洪水预报模型 神经网络模型 BP模型 神经网络模型输入输出文件共有3个 即PAR PA OUT 1 参数文件 PAR 文件标准格式如下 FORECAST TYPE为预报输出类型 Q表示流量 Z表示水位 INPUT TYPE为dis文件的类型 流量或水位 FORECAST TYPE为预报文件dio的类型 s1为估计的预测值为当前样本中最大值的倍数 s1 1 s2估计的预测值为当前样本中最小值的倍数 s2 1 ITER为模型迭代次数 范围设置为1000 20000 SETUP TABLEINPUT TYPE QFORECAST TYPE Qs1 1 2s2 1 ITER 1500