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《大连理工大学》 2012年
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基于多源信息的分布式水文模拟及优化算法应用研究

初京刚  
【摘要】:基于物理机制的分布式流域水文模拟是识别水循环演变规律的有效技术途径,是当前国内外水文研究的重点领域之一。但其在我国北方流域应用存在两方面问题:一是水文观测站点稀疏与分布式模型高分辨率输入数据要求相矛盾;二是复杂人类活动与物理产汇流机制相作用导致模拟的复杂化。而解决此两类问题的途径一是利用一切可利用的多源信息降低数据的不确定性;二是修改模型结构使之适合处理复杂的人类活动。但随之而来的分布式模型模拟复杂、参数增多等问题就需要快速稳定的优化算法来求解。本文以此系列问题为研究对象,在碧流河流域、丰满流域和汤旺河流域利用基于3S技术的观测类信息、基于统计调查的工程类信息、基于数据智能分析的启发类信息,开展基于多源信息的分布式水文模拟及优化算法应用研究。主要研究内容与成果如下: (1) SWAT分布式流域水文模型的本地化构建。介绍了模型结构、原理及其主要模块的计算方法,并详细说明模型本地化应用需要的气象、土壤、土地利用等数据的标准化构建方法,为下一步在相应流域开展基于图象恢复技术的降雨信息插补延长、考虑中小型水库(塘坝)的分布式水文模拟以及考虑启发式信息的优化搜索算法研究提供有力支撑。 (2)将图像恢复技术与常规多元相关分析法相结合,提出了基于图像恢复技术的降雨信息插补延长方法。以近期建立的观测站或有短期观测资料的临时站为信息不完全的“未知”测站,分析“未知”测站与其相邻测站短期降雨数据的多重相关关系;然后基于此关系,利用相邻测站已知数据来插补延长“未知”测站的降雨信息。将本文方法用于碧流河流域“矿洞沟”等观测站的降雨信息插补检验,经与常用的空间插值方法和多元相关分析法比较,“矿洞沟”观测站年降雨量精度分别提高了8.30%和4.61%、汛期降雨量精度分别提高了12.50%和5.54%.基于此面雨量模拟方法,应用SWAT模型对插补延长降雨信息的应用效果进行检验,经与多种常规方法建立的情景模拟对比,月径流模拟相对误差MRE分别提高了5.67%、10.19%和6.32%,较大幅度提高了流域径流模拟的精度。 (3)对SWAT模型中考虑水利工程的模拟方式进行改进,提出考虑中小型水库(塘坝)信息的分布式水文模拟方法。该方法首先依据丰水年汛期Landsat TM遥感资料与中小型水库(塘坝)设计资料建立水面库容相关关系;然后根据不同类型水库(塘坝)间的空间拓扑关系建立中小型水库(塘坝)串并联计算关系;最后在人类活动影响不明显期及人类活动相对稳定期分别率定流域模型物理参数和人类活动影响参数。通过SWAT模型不同参数情景模拟比较来分析改进模型的效果。经与原SWAT模型比较,“磐石”和“东丰”2个水文站处的整个验证时期相关系数P2和纳什效率系数NSE分别提高了5.81%和22.39%,汛期相关系数R2和纳什效率系数NSE分别提高了9.52%和29.69%,应用效果明显且径流模拟精度的提高主要来源于模型中中小型水库(塘坝)拓扑计算关系的改进。 (4)对动态多维搜索(DDS)算法进行改进,在各决策变量优化中考虑其敏感性变化情况,提出基于敏感性分析的改进DDS算法。DDS算法的基本思想是优化过程中随着迭代次数的增多,寻优维数也逐渐减少,即倾向于初始阶段的全局寻优和末段的局部寻优;而改进DDS算法首先根据优化过程中维数选择与寻优效率的关系计算优化参数各维在优化过程中的敏感性变化矩阵,并以此为基础动态调整优化各维的累积敏感性;然后利用此敏感性来获得优化过程中各维选择概率;最后实现优化各参数不等概率选择的优化策略,从而提高算法的收敛速度及寻优能力。将本文方法用于汤旺河流域SWAT模型参数率定,经与原DDS算法比较,改进DDS算法在计算时间和计算效率两方面都有了改善,目标函数收敛速度得到提高,相同迭代次数(100次)下的“伊新”水文站处月径流模拟相对误差MRE提高了5.83%,相同计算精度(误差平方和SSE=4.7×106)下的计算时间缩短了9.37%;另外,为了验证方法的普适性,选择跟水循环模拟评价密切相关的水资源联合调度实例,在东北某一大型水库群调度(MR水库群)中利用改进DDS算法优化,在用水量一定条件下,MR水库群包含的A水库和聚合水库及其各自下游所属区间用水保证率和供水量均得到提高,相同优化迭代次数(1000次)下的A水库农业供水量增加700万m3,A水库下游自身所属区间农业用水保证率提高6.77%,聚合水库总供水量增加1887万m3,其中农业供水量增加1630万m3,聚合水库下游自身所属区间农业用水保证率提高10.62%,A水库与聚合水库共同供水区间农业用水保证率提高12.54%.以上两个实例验证了改进DDS算法在水循环模拟和水资源调度中应用的有效性。 最后对全文进行了归纳,并对有待进一步研究的问题进行了展望。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:P334.92

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