一种流域日尺度水量平衡模拟方法及装置

本发明属于流域水文模拟，具体涉及一种流域日尺度水量平衡模拟方法及装置。

背景技术：

1、流域日尺度水量平衡模拟的输出结果包括河川径流量、蒸散发量和土壤蓄水量等，被广泛用于水文系统的模拟与分析、缺资料流域的径流预报、未来变化环境下的水文预报和水资源管理等。因此，日尺度的水量平衡模拟的准确性对于水文预报和水资源管理至关重要。

2、目前，常用的日尺度水量平衡模型主要基于土壤水分核算，强调相对独立地描述径流和蒸散发等水文过程，模型参数较多，参数估计较为困难。流域水文模拟领域尚缺乏模型结构及参数简洁且模拟精度高的日尺度水量平衡模型。

技术实现思路

1、本发明的目的是为克服目前的日尺度水量平衡模拟主要依赖土壤水分核算、模型参数较多、参数估计较为困难等难题，提出一种流域日尺度水量平衡模拟方法及装置。本发明构建的基于比例假设理论的流域日尺度水量平衡模型结构简洁，径流和蒸散发模拟精度高，能够广泛适用于湿润及半湿润流域的水量平衡模拟与预报。

2、本发明第一方面实施例提出一种流域日尺度水量平衡模拟方法，包括：

3、收集流域在待模拟时间段的日尺度的降水和潜在蒸散发数据；

4、构建基于比例假设理论的流域日尺度水量平衡模型并估计所述模型的参数，其中，所述模型用于模拟所述流域在所述待模拟时间段内的日尺度水量平衡过程；

5、将所述待模拟时间段的日尺度的降水和潜在蒸散发数据输入所述模型，得到所述流域在所述待模拟时间段内的日径流序列和日蒸散发序列的模拟结果。

6、在本发明的一个具体实施例中，所述构建基于比例假设理论的流域日尺度水量平衡模型，包括：

7、将日降水量划分为土壤浸润量和快速产流量：

8、

9、rft＝pt-wt   (2)

10、wp,t＝ep,t+sp-smt-1   (3)

11、式中，wt为第t日的土壤浸润量；rft为第t日的快速产流量；α1是模型参数，代表初始土壤浸润量和土壤浸润量之间的比值；w0,t是第t日的初始土壤浸润量；wp,t是第t日的土壤浸润的潜在值；ep,t为第t日的潜在蒸散发；sp是模型参数，代表土壤蓄水容量；smt-1是第t日开始时的前期土壤蓄水量；

12、建立日尺度土壤水平衡方程：

13、smt-1+wt＝smt+ett+rst   (4)

14、式中，ett为第t日的蒸散发，smt是第t日结束时的土壤蓄水量，rst为第t日的慢速产流量；

15、将第t日的可利用水量划分为第t日的蒸散发量、第t日结束时的土壤蓄水量和第t日的慢速产流量：

16、

17、

18、rst＝smt-1+wt-smt-ett   (7)

19、式中，α2是模型参数，代表初始蒸散发量和蒸散发量之间的比值以及初始土壤蓄水量和土壤蓄水量之间的比值；e0,t是第t日的初始蒸散发量；sm0,t是第t日的初始土壤蓄水量；

20、建立快速汇流水库和慢速汇流水库的水量平衡方程：

21、sft-sft-1＝rft-qft   (8)

22、sst-sst-1＝rst-qst   (9)

23、式中，sft-1和sft分别为第t-1日结束时和第t日结束时的快速汇流水库蓄水量；sst-1和sst分别为第t-1日结束时和第t日结束时的慢速汇流水库蓄水量；qft为第t日的快速径流量；qst为第t日的慢速径流量；

24、采用线性水库法，得到第t日结束时的快速汇流水库蓄水量、第t日结束时的慢速汇流水库蓄水量、第t日的快速径流量和第t日的慢速径流量：

25、

26、

27、

28、

29、式中，kf和ks为模型参数，分别代表rft和rst的汇流系数；

30、qt＝qft+qst   (14)

31、式中，qt为第t日的总径流量；

32、式(1)-(14)即构成所述基于比例假设理论的流域日尺度水量平衡模型。

33、在本发明的一个具体实施例中，所述估计所述模型的参数采用基于观测径流和蒸散发资料进行率定或参数区域化方法中的任一种。

34、在本发明的一个具体实施例中，所述基于观测径流和蒸散发资料进行率定，包括以下步骤：

35、1)选择流域有观测径流资料和蒸散发资料的历史时段，获取该历史时段的日尺度的降水和潜在蒸散发数据以及观测径流资料和蒸散发资料；

36、2)构建同时考虑径流和蒸散发模拟效果的总目标函数f，以最大化总目标函数f为目标，率定得到模型参数值；具体包括：

37、构建同时考虑径流和蒸散发模拟效果的总目标函数f：

38、

39、式中，nse(q)为在该历史时段模型模拟径流序列与观测径流序列之间的纳什效率系数，nse(et)为在该历史时段模型模拟蒸散发序列与观测蒸散发序列之间的纳什效率系数；

40、其中，任一纳什效率系数nse的计算表达式为：

41、

42、式中，yobs,i为该历史时段第i日的观测值；ysim,i为第i日的模拟值；为观测序列在该历史时段的平均值；n为历史时段的总天数；

43、3)以步骤1)获取的该历史时段的日尺度的降水和潜在蒸散发数据作为模型输入，以最大化总目标函数f为目标，采用l-shade优化算法，率定得到模型参数α1、sp、α2、kf和ks的值。

44、本发明第二方面实施例提出一种流域日尺度水量平衡模拟装置，包括：

45、数据收集模块，用于收集流域在待模拟时间段的日尺度的降水和潜在蒸散发数据；

46、模型构建模块，用于构建基于比例假设理论的流域日尺度水量平衡模型并估计所述模型的参数，其中，所述模型用于模拟所述流域在所述待模拟时间段内的日尺度水量平衡过程；

47、模拟模块，用于将所述待模拟时间段的日尺度的降水和潜在蒸散发数据输入所述模型，得到所述流域在所述待模拟时间段内的日径流序列和日蒸散发序列的模拟结果。

48、在本发明的一个具体实施例中，所述构建基于比例假设理论的流域日尺度水量平衡模型，包括：

49、将日降水量划分为土壤浸润量和快速产流量：

50、

51、rft＝pt-wt   (2)

52、wp,t＝ep,t+sp-smt-1   (3)

53、式中，wt为第t日的土壤浸润量；rft为第t日的快速产流量；α1是模型参数，代表初始土壤浸润量和土壤浸润量之间的比值；w0,t是第t日的初始土壤浸润量；wp,t是第t日的土壤浸润的潜在值；ep,t为第t日的潜在蒸散发；sp是模型参数，代表土壤蓄水容量；smt-1是第t日开始时的前期土壤蓄水量；

54、建立日尺度土壤水平衡方程：

55、smt-1+wt＝smt+ett+rst   (4)

56、式中，ett为第t日的蒸散发，smt是第t日结束时的土壤蓄水量，rst为第t日的慢速产流量；

57、将第t日的可利用水量划分为第t日的蒸散发量、第t日结束时的土壤蓄水量和第t日的慢速产流量：

58、

59、

60、rst＝smt-1+wt-smt-ett   (7)

61、式中，α2是模型参数，代表初始蒸散发量和蒸散发量之间的比值以及初始土壤蓄水量和土壤蓄水量之间的比值；e0,t是第t日的初始蒸散发量；sm0,t是第t日的初始土壤蓄水量；

62、建立快速汇流水库和慢速汇流水库的水量平衡方程：

63、sft-sft-1＝rft-qft   (8)

64、sst-sst-1＝rst-qst   (9)

65、式中，sft-1和sft分别为第t-1日结束时和第t日结束时的快速汇流水库蓄水量；sst-1和sst分别为第t-1日结束时和第t日结束时的慢速汇流水库蓄水量；qft为第t日的快速径流量；qst为第t日的慢速径流量；

66、采用线性水库法，得到第t日结束时的快速汇流水库蓄水量、第t日结束时的慢速汇流水库蓄水量、第t日的快速径流量和第t日的慢速径流量：

67、

68、

69、

70、

71、式中，kf和ks为模型参数，分别代表rft和rst的汇流系数；

72、qt＝qft+qst   (14)

73、式中，qt为第t日的总径流量；

74、式(1)-(14)即构成所述基于比例假设理论的流域日尺度水量平衡模型。

75、在本发明的一个具体实施例中，所述估计所述模型的参数采用基于观测径流和蒸散发资料进行率定或参数区域化方法中的任一种。

76、在本发明的一个具体实施例中，所述基于观测径流和蒸散发资料进行率定，包括以下步骤：

77、1)选择流域有观测径流资料和蒸散发资料的历史时段，获取该历史时段的日尺度的降水和潜在蒸散发数据以及观测径流资料和蒸散发资料；

78、2)构建同时考虑径流和蒸散发模拟效果的总目标函数f，以最大化总目标函数f为目标，率定得到模型参数值；具体包括：

79、构建同时考虑径流和蒸散发模拟效果的总目标函数f：

80、

81、式中，nse(q)为在该历史时段模型模拟径流序列与观测径流序列之间的纳什效率系数，nse(et)为在该历史时段模型模拟蒸散发序列与观测蒸散发序列之间的纳什效率系数；

82、其中，任一纳什效率系数nse的计算表达式为：

83、

84、式中，yobs,i为该历史时段第i日的观测值；ysim,i为第i日的模拟值；为观测序列在该历史时段的平均值；n为历史时段的总天数；

85、3)以步骤1)获取的该历史时段的日尺度的降水和潜在蒸散发数据作为模型输入，以最大化总目标函数f为目标，采用l-shade优化算法，率定得到模型参数α1、sp、α2、kf和ks的值。

86、本发明第三方面实施例提出一种电子设备，包括：

87、至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；

88、其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被设置为用于执行上述一种流域日尺度水量平衡模拟方法。

89、本发明第四方面实施例提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述一种流域日尺度水量平衡模拟方法。

90、本发明的特点及有益效果在于：

91、(1)本发明构建的基于比例假设理论的流域日尺度水量平衡模型理论基础明确，结构简洁，仅有5个参数，且参数物理意义明确，降低了模型参数估计的不确定性。

92、(2)本发明构建的日尺度水量平衡模型对于日径流和日蒸散发模拟精度高，能够广泛适用于湿润及半湿润流域的水量平衡模拟与预报，便于推广应用。