一种基于改进新安江模型的实际径流量预报方法与流程

1.本发明涉及一种水资源及节水管理方法，尤其是基于改进新安江模型的实际径流量预报方法。


背景技术：

2.实际径流量是指由降水产生的天然径流量经人类的取用耗排活动影响之后，流经河道、水库等水源工程控制断面的径流量，其精确预报是开展建设项目取水水源论证、流域水资源优化配置与调度管理的重要依据。由于人类对水资源开发利用活动的加剧，降水-产流-入渗-蒸发-汇流的自然水循环过程与人类取水-用水-耗水-排水的社会水循环过程相互耦合、相互反馈，形成了复杂的自然-社会二元水循环过程。因此，实际径流量相较于天然径流量已发生显著改变。实际径流量的精准预报需要基于天然径流量预报成果，充分考虑人类活动对天然径流量再分配过程的影响，在对流域自然-社会二元水循环过程模拟的基础上，计算天然径流量经人类开发利用之后的实际径流量。
3.目前已有技术针对实际径流量预报大多是以分布式水文模型(如swat模型)为基础，通过对农业灌溉、城乡取用水等模块的新增或改进，对人类活动影响下的流域二元水循环过程进行了模拟；如cn102867106、cn110555561。但是现有技术成果大多适用于空间尺度较大的流域，针对1000km2以下的中小流域往往达不到精度要求。而新安江模型是经典的概念性水文模型，为我国首个自主研发的水文模型，在湿润和半湿润地区具有较好的应用，且适用于中小尺度流域。因此，有必要基于新安江模型，提炼出一种适用于湿润和半湿润山丘区中小流域实际径流量预报的有效方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提升中小流域实际径流量预报精度，，提供一种基于改进新安江模型的实际径流量预报方法。该方法具有适用于中小流域、预报精度高的特点，可以为水资源及节水管理提供精确的实际径流量成果。
5.本发明提供的技术方案是：一种基于改进新安江模型的实际径流量预报方法，包括如下步骤：
6.步骤1：基于新安江模型研发半分布式天然径流量预报模块，对天然径流量进行预报：所述研发半分布式天然径流量预报模块，包括数字流域构建、产流计算、汇流计算；计算流程参见图2。
7.1、所述数字流域构建过程是：
8.(1)流域要素数字化：利用流域地形图等高线和实际水系数据，采用arcgis软件平台生成1km网格上的标量矩阵，以便在生成数字水系、子流域边界、数字坡度、数字河长要素时使用；
9.(2)计算单元划分：运用矩形网格(rectangle grid)划分法或自然子流域-水文响应单元(subbasin-hru)划分法(现有技术)，将流域细分为若干个计算单元，以考虑流域下
垫面和气候因素的时空变异性；
10.(3)计算单元雨量插值：采用降水空间分布点雨量插值方法，如泰森多边形法、人工绘制等雨量线法、空间线性插值法、距离倒数插值法、高程修正距离倒数插值法、降雨-高程线性回归法和克里金插值法等(现有技术)，将雨量代表站实测雨量插值到各计算单元；
11.2、所述产流计算，是采用新安江模型分别对上述数字流域的各计算单元产流过程进行半分布式模拟计算；计算流程参见图3。
12.3、所述汇流计算过程是：
13.(1)计算单元汇流计算：对于覆盖子流域的每一个网格单元，计算网格单元的汇流路径、汇流时间。将汇流时间相等的网格单元合并作为一个子流域，采用等流时线法汇流模型进行子流域产汇流计算。等流时线法假定流域流速分布均匀，单元流域出流断面在第i时段出流量是由第一块面积ω1上的本时段净雨，第二块面积ω2上一时段净雨等以此类推所合成的。流量计算公式如下：
[0014][0015]
式中：qi为单元流域出流断面在第i时段出流量(m3/s)；hi为第i时段地面净雨(mm)；ωj为单元流域第j块等流时面积(km2)；δt为时段长(h)。
[0016]
(2)河系汇流计算：采用马斯京根分段连续演算法(现有技术)将每个计算单元的流量进行汇流演算到子流域出口并进行算术叠加，再将该子流域入流进行马斯京根河道汇流演算至子流域出口，将这两部分合并作为该子流域的出流，即天然径流。
[0017]
步骤2：研发用水总量统计模块，对农业灌溉用水量和非农业灌溉用水量分别进行统计，具体过程如下：
[0018]
1、首先统计农业灌溉用水量，包括水稻灌溉用水量和旱作物灌溉用水量：
[0019]
(1)水稻灌溉用水量统计，包括灌排期用水量和插秧泡田期用水量。灌排期用水量计算公式为：
[0020][0021]hi+1
＝hi+pi+d
i-e
i-rcfi[0022]ei
＝kr×
k1×
epi[0023]
插秧泡田期用水量计算公式为：
[0024][0025]
δv＝(wm-w0+h
t
)/d+(rf+re)
[0026]wi+1
＝wi+hi+p
i-et
i-rfi[0027]
式中，hi为水稻田i时段初水深(mm)；h
min
、h
max
、h
p
为水稻生长的适宜水深下限、适宜水深上限和最大(耐淹)水深(mm)，按参考灌溉试验站数据取值；di为水稻田i时段灌溉量
(mm)；pi为i时段降雨量(mm)；ei为水稻i时段生长需水量(mm)；rcfi为水稻田i时段下渗量(mm)；epi为蒸发皿i时段蒸发量(mm)；k1为水面蒸发量折算系数；kr为水稻生长需水系数；wi为水稻田i时段初土壤湿润层储水量(mm)；eti为i时段水面蒸发量(mm)；rfi为泡田期i时段渗漏量(mm)；δv为泡田期日最大灌水量(mm)；wm为田间持水量(mm)；w0为泡田期初土壤含水量(mm)；h
t
为泡田期末田间蓄水深(mm)；d为泡田期天数；rf为泡田期平均每天渗漏量(mm)；re为泡田期平均每天水面蒸发能力量(mm)。
[0028]
(2)旱作物灌溉用水量统计。对于蓄满产流为主的南方湿润地区，旱作物灌溉用水量计算公式如下：
[0029][0030][0031]
wi'
+1
＝wi'+p
i-k
×
epi[0032]
式中：dhi为旱作物i时段灌溉用水量；w
max
为土壤湿润层旱作物生长适宜含水量(mm)；w
min
为土壤湿润层旱作物生长最小含水量(mm)，大于凋萎含水量，土壤湿润层含水量低于该值就应灌溉；wi'为旱田i时段初土壤湿润层储水量(mm)；k为流域综合蒸散发折算系数；βi为旱田i时段土壤湿润层相对于田间持水量的相对含水量；β
min
为农作物生长土壤湿润层最小相对含水量；β
max
为农作物生长土壤湿润层适宜相对含水量。
[0033]
2、然后统计非农业灌溉用水量，包括生活、工业、林牧渔畜用水量：
[0034]
(1)生活用水量统计，包括城镇生活(含居民生活和城镇公共用水量)和农村生活用水量。城镇生活用水量可根据城镇水厂取水计量监控数据，结合城镇生活供水比例进行统计，计算公式如下：
[0035][0036]
农村生活用水量根据农村生活历史用水量数据，计算公式如下：
[0037][0038]
式中：为城镇生活第i日用水量；为城镇水厂第i日取水量；k
sc
为城镇生活年供水比例；为农村生活第i年度第j天用水量，n为历史序列年份数，f(x)为用水量预测模型。
[0039]
(2)工业用水量统计，包括管网供水企业用水量和自备取水企业用水量；管网供水企业用水量可从城镇水厂取水量中扣除城镇生活用水量得到，计算公式如下：
[0040][0041]
自备取水企业用水量中在线监控的用水量可根据监控数据直接统计；而离线计量的用水量可根据历史用水量数据，计算公式如下：
[0042]
[0043][0044]
式中：d
gg
为管网工业用第i日水量；在线监测的自备企业第i日用水量；第j家在线监测的自备企业第i日取水量；t为在线监测自备企业数量；为未在线监控的自备工业第i年度第j月用水量。
[0045]
(3)林牧渔畜用水量统计，包括林地灌溉、园地灌溉、草地灌溉、渔场养殖、大牲畜养殖、小牲畜养殖等用水量。首先根据各类用水定额，结合经济统计指标对其年用水量进行统计，然后根据典型用水过程分配得到逐日用水量，计算公式如下：
[0046][0047]
式中：为林牧渔畜第i日用水量，e
lmyc
为林牧渔畜养殖定额，p
lmyc
为林牧渔畜养殖数量，ki为林牧渔畜第i日用水量占全年用水量的比例。
[0048]
3、最后对用水总量统计结果进行校正，具体过程如下：
[0049]
设置生活、工业、农业用水量校正参数分别为ks、kg、kn，以此来校准本次统计结果与水资源公报数据的偏差；采用ar自回归模型方法构建各行业用水量校正参数的预测模型。以参数kg为例，设其历史序列为则未来时段的校正参数计算公式为：
[0050][0051]
式中：为t年度工业用水量校正参数；{c1,c2,c3,
…
,c
p
}为自回归参数系列；p为自回归阶数，值小于校正参数系列长度；ξ
t+1
为t+1年度校正计算后的系统残差。
[0052]
步骤3：基于改进新安江模型研发流域水循环模型，计算实际径流量，具体过程如下：
[0053]
1、搭建流域二元水循环结构。基于天然径流量预报模型对流域降水-产流-入渗-蒸发-汇流的自然水循环过程的模拟，再根据水源工程与各用水户之间的取供耗排关系，搭建流域自然-社会二元水循环结构，如图4所示。2、基于改进新安江模型研发流域水循环模型。水循环模型在天然径流量预报模块基础上，添加了小水库塘坝调蓄模拟模块、控制性水库调蓄模拟模块和取供耗排模拟模块。
[0054]
(1)小水库塘坝调蓄模拟。山丘区子流域内部建有较多小水库、小山塘及小池塘。为模拟上述蓄水工程对子流域产汇流过程的影响，将多个小型工程概化为一个虚拟水库，通过模拟虚拟水库的调蓄过程，将小水库塘坝的调蓄影响加入到新安江模型的产汇流过程，计算公式如下：
[0055]
wr
i+1
＝wri+r
fg
×
qr
i-sp
i-wxi式12
[0056][0057]
式中：r
fg
为概化水库集水面积占子流域面积的比例；wri为概化水库i时段初蓄水量(104m3)；qri为子流域i时段天然径流量(104m3)；spi为概化水库i时段供水量；wxi为概化水库i时段弃水量；w
max
为概化水库总库容；w
xl
为概化水库兴利库容；α为概化水库溢流系数。
[0058]
(2)控制性水库调蓄模拟。子流域出口控制性水库会显著改变子流域出流过程，进而影响河系汇流演算。为模拟控制性水库的影响，设置两种调蓄模拟方式，可择一选用：其一为水库调度规则模拟，即水库按照既定供水调度规则进行调蓄模拟；其二为水库自由蓄水模拟，即当水库蓄满才会向下游溢流。
[0059]
(3)取供耗排模拟。对水源供水过程、用户取水过程和用户退水过程进行模拟，具体过程如下：
[0060]
①
水源供水过程模拟。基于水源天然径流量预报结果和其用水户用水总量统计结果，对水源向不同用水户的供水过程进行模拟，为水源实际径流量预报奠定基础。模型根据计算单元内某特定水源向城乡生活、工业、服务业、农业灌溉等用水行业的实际供水次序进行调节计算，直至当日的可供水量依次全部分配给各用水部门。水源供水过程模拟计算公式如下：
[0061][0062]
式中：di和ui分别为计算单元内用水优先序为i的用水部门当日的用水量和供水量；n为用水部门个数；sp为计算单元当日的取水量；pip为供水管网漏损率(城镇生活、工业等)或灌溉水利用率(农业灌溉)。
[0063]
②
用户取水过程模拟。基于用水户用水总量统计结果及其供水水源天然径流量预报结果，对用水户从不同水源的取水过程进行模拟；与水源供水过程模拟结合，实现区域水资源供用过程的完整模拟。模型根据计算单元内某特定用水户从水库水、塘坝水、河道水、外调水等多种水源的实际取水顺序进行调节计算，直至满足该计算单元的当日需水量或者到最后一个供水源供水完毕为止。用户取水过程模拟计算公式如下：
[0064][0065]
式中：spi为计算单元中供水优先序为i的水源当日的取水量；m为供水源个数；d为计算单元当日的用水量；fm为取水工程的供水能力；sci为水源当日的可利用水量；mx为区域取水限制总量。
[0066]
③
用户退水过程模拟。计算单元内生活、工业、农业用水户取用水之后，经内部消耗后退水至河道中。用户退水计算公式如下：
[0067][0068]
式中：分别为i计算单元生活、工业、农业用水户当日退水量；分别为i计算单元生活、工业、农业用水户当日退水量；分别为i计算单元生活、工业、农业取水户当日取水总量、cs、cg、cn为生活、工业、农业用水户退水系数。
[0069]
3、利用流域水循环模型计算实际径流量。基于流域水循环模拟结果，特定水源工程集水区域实际径流量是在其天然径流量的基础上，扣除水源供水量，再加上区域用水户退水量，计算公式如下：
[0070]
qsi＝q
i-ui+b
i 式17
[0071]
式中：qsi为水源实际径流量；qi为水源天然径流量；ui为水源向外供水总量；bi为
水源工程集水区域或上游区域内用水户退水量。
[0072]
步骤4：收集基础资料，对水循环模型参数进行率定，具体过程如下：
[0073]
1、所述基础资料包括水雨情资料、水利工程特征参数、取用水计量统计资料、作物种植结构、灌溉制度等。水雨情资料包括日降水量、日均流量、日均水位、日均蒸发量等；水利工程特征参数包括水库、塘坝的特征水位及库容和引调水工程的设计规模等；取用水计量统计资料包括公共取水户、自备取水户、农饮水工程、农业灌区渠首取用水计量监测资料和公共水厂分行业供水量、林牧渔畜养殖数量等统计资料等；作物种植结构包括水稻、旱作物、经济作物等各类农作物播种面积；灌溉制度为作物不同生育阶段的起止日期。
[0074]
2、所述水循环模型参数包括蒸发折算系数(k)、张力水容量(wm0)、自由水容量(sm)、壤中流出流系数(ki)、地下水库消退系数(cg)、稳定下渗率(fc)、渗透系数(kf)、河网蓄水消退系数(cs)、滞时(lg)等21个参数；水面日蒸发量折算系数(k1)、水稻生长需水系数(kr)、流域综合蒸散发折算系数(k)、生活用水量校正参数(ks)、工业用水量校正参数(kg)、农业用水量校正参数(kn)等6个参数；生活用水户退水系数(cs)、工业用水户退水系数(cg)和农业用水户退水系数(cn)等3个参数。
[0075]
3、所述模型参数率定采用人工经验率定或自动优化率定两种方法。人工经验率定方法适用于了解流域相关情况的工程技术人员。自动优化率定方法以模型精度最优为目标，以各参数的取值范围为约束条件，构建模型参数优化模型；并采用群体复合形进化算法(现有技术)对模型进行求解，得到参数最优取值。模型参数优化模型描述如下：
[0076]
设模型的参数θ，将降雨过程p(t)、蒸发过程e(t)、用水户取水过程d(t)等输入模型，使模型计算得到的径流过程与实测径流过程qs(t)误差平方和最小，表达式如下：
[0077][0078]
本发明的有益效果是：本发明充分利用了我国自主研发的新安江模型对湿润和半湿润地区水文预报精度较高的优势，通过对新安江模型进行半分布式改进，并耦合用水总量统计和水资源供需分析模块，融合驱动了水雨情监测、取用水量计量统计等多源感知数据，实现了中小流域实际径流量的精准预报，可为建设项目取水水源论证、水资源优化配置与调度和节水管理决策提供重要参考。
附图说明
[0079]
图1为本发明的流程图。
[0080]
图2为本发明中半分布式水文预报模块计算流程图。
[0081]
图3为本发明中新安江模型产汇流计算流程图。
[0082]
图4为本发明中流域水循环模型结构图。
[0083]
图5为东阳站的实际径流量与预报结果对比图。
[0084]
图6为南王埠站的实际径流量与预报结果对比图。
具体实施方式
[0085]
本发明的思路是：提出一种基于改进新安江模型的实际径流量预报方法，该方法可在流域天然径流量预报和各单元用水总量动态统计的基础上，根据水源工程与各用水户
之间的取供耗排关系，搭建流域自然-社会二元水循环结构，研发流域水循环模型，对水源工程集水区域实际径流量进行精确模拟预报。该方法的实施思路为(参见图1)：首先在对流域要素数字化和计算单元划分的基础上，采用新安江模型对各计算单元产流过程进行计算；分别采用等流时线法和马斯京根法对计算单元和流域河系的汇流过程进行计算，输出流域控制断面天然径流过程。然后基于流域取用水量计量统计数据及作物播种统计数据，利用用水总量统计模型统计各计算单元分行业用水总量。再根据水源工程与各用水户之间的取供耗排关系，搭建流域自然-社会二元水循环结构，研发流域水循环模型，模拟区域天然径流量演变过程及人类水资源开发利用活动对天然径流量的再分配过程，最终得到实际径流量。
[0086]
下面结合附图所示实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0087]
本实施例采用本发明所述方法，对金华江南王埠流域的实际径流量进行预报。
[0088]
一、研发基于改进新安江模型的流域水循环模型
[0089]
根据本发明步骤1、步骤2、步骤3，采用vb.net语言开发流域水循环模型，包括基于新安江模型的半分布式水文预报模块、用水总量统计模块及二元水循环过程模拟模块，为实际径流量预报提供模型工具。
[0090]
二、构建南王埠流域水循环模型
[0091]
(1)根据本发明步骤1，搭建半分布式水文预报模块架构。首先构建南王埠数字流域：以大中型水库坝址和主要支流汇入口为控制节点，将流域划分为13个子流域，并根据各子流域汇流时间，对各子流域划分等流时区域，共划分65个等流时计算单元；然后构建流域产汇流结构：包括各计算单元及各子流域的产汇流联系和雨量站点位置分布、各子流域概化水库和出口水库特征参数等信息的编辑录入。
[0092]
(2)根据本发明步骤2，搭建用水总量统计模块架构。首先搭建农业灌溉用水量统计模块架构：包括各子流域耕地面积、参考雨量站、蒸发站信息及作物种植结构等信息的编辑录入；然后搭建非农业灌溉用水量统计模块架构：包括各子流域自备工业取水户、公共水厂取水户、小型农饮水工程取水户和林牧渔畜取水户等基本信息的编辑录入。
[0093]
(3)根据本发明步骤3，搭建流域二元水循环结构，包括各子流域水源工程特征参数、用水户基本信息及用水总量统计结果、水源供水对象及供水优先次序、用户取水水源及取水优先次序等信息的编辑录入。
[0094]
三、收集南王埠流域基础资料
[0095]
金华江南王埠流域面积为2382km2，流域面积在100km2以上的支流有八达溪、白溪、南江、吴溪、航慈溪、孝顺溪等8条，大中型水库有东方红水库、横锦水库、南江水库等7座。根据本发明步骤4，收集南王埠流域基础资料，具体见表1。
[0096]
表1南王埠流域基础资料一览表
[0097][0098]
四、开展水循环模型参数率定
[0099]
(1)首先根据本发明步骤2和步骤4，对流域水循环模型的用水总量统计模块参数进行率定。先采用水循环模型的用水总量统计模块，根据南王埠流域2005-2019年取用水计量统计基础资料，对流域内东阳市、义乌市等完整县区生活、工业、农业用水量进行统计；进而对照金华市2005-2019年水资源公报中两县区用水量统计结果，对两县区(东阳市、义乌市隶属于金华市)生活、工业、农业用水量校正参数进行率定。由于南王埠流域内金东区范围不完整且面积比例较小，该区域用水总量统计校正参数可参考临近义乌市取值。然后根据东阳市、义乌市2005-2019年农业、工业、生活用水量校正参数建立ar自回归预测模型(自回归阶数p取5)，则各行业用水量校正参数预测结果与实测结果对比见表2。
[0100]
表2各行业用水量校正参数预测表
[0101][0102]
(2)然后根据本发明步骤1、步骤3和步骤4，利用金华江上游东方红、横锦等6个水库入库流量、中游东阳站实测流量和下游南王埠站实测流量等数据资料，按照自上游向下游的次序对各子流域水循环过程参数进行率定。其中没有实测资料的子流域模型参数按照临近原则，取其相邻子流域模参数率定结果。各子流域水循环模型代表参数率定结果及实际径流量模拟精度见表3。
[0103]
表3各子流域水循环模型率定成果表
[0104][0105][0106]
(3)采用率定好的南王埠流域水循环模型，对流域内东阳站、南王埠站2个断面2016-2019年逐月实际径流量进行预报，预报值与实测值对比结果参见图5、图6。由图结合模型精度指标可知，东阳站、南王埠站实际径流量预报值与实测值偏差在精度要求范围之内，构建的水循环模型可用于流域实际径流量的精确预报。