沁水河流域水文模型参数优化及数值模拟研究

摘要

水文模型发展受到多种驱动，较为重要的因素之一为模型数值模拟预测，水文模型数值模拟主要影响为模型结构的复杂性以及校准参数的准确性。为使模型模拟更能反映半湿润半干旱地区小流域的降雨径流模拟，以及解决单一标准不足以反映度量系统的不同方面，本研究考虑水文循环、气候、下垫面和人为因素的影响，在垂向混合产流模型基础上加入水利工程建设影响，建立了适应于北方半湿润半干旱地区的沁水河垂向混合模型，对流域的降雨径流进行多目标数值模拟研究。为地区水资源开发利用及合理配置提供重要的科学依据。 研究分析国内外水文模型的结构、功能、计算方法、模型特点及适应条件，通过数学和物理理论原理描述流域水文过程，结合国内特定流域的水文循环特征及水文资料在沁水河流域水文模型进行集总校准，调整模型参数以匹配模拟和观测的流域径流。 研究为克服手动试验误差，选用全局优化单目标SCE-UA算法及多目标MOSCEM-UA和MOPSO算法得出参数带入模型进行数值模拟，为解决多目标校准问题，引入了基于混合复进化的自动优化程序的算法，从Pareto非劣方案集提供Pareto前沿解决方案，Pareto前沿看出DRMS与LOG目标之间存在明显的非劣关系，MOSCEM在模型模拟中能够实现空间均匀搜索采样，参数有效性和分布性均较优，更适应于模型模拟。 根据流域特征建模后，收集流域1981～2011年降雨、蒸发及径流等资料，在沁水河流域垂向混合模型上进行实例应用模拟，模拟通过日模型、次洪模型两种方式进行。结果看出，日模型能够更好地反映流域整体径流特征，MOSCEM的NASH效率系数甲级为74%，百分比偏差达到90.9%，基本在理想范围内，相关系数0.90以上达83.9%；次洪模拟更直观反映四种目标下洪峰及洪量特征，洪峰合格率分别为93.8%、81.3%、91.7%和95.8%，径流量相对误差合格率分别为62.1%、81.3%、83.3%、91.7%。考虑四种目标模拟结果DRMS偏于高流量拟合，LOG倾向小流量，两种多目标算法能够同时考虑多个因素，其中MOSCEM过程线吻合性趋势更好，进一步验证了多目标参数率定的有效性和优越性。因此，沁水河流域垂向混合模型应用多目标算法进行流域数值模拟，综合考虑多方面因素，提高了拟合结果的精度。

目录

声明

1前言

1.1研究背景

1.2国内外研究进展

1.2.1水文模型研究历程

1.2.2模型参数优化发展历程

1.3研究内容

1.4技术路线

1.5创新点

2材料与方法

2.1研究区概况

2.1.1自然地理

2.1.2社会经济

2.1.3水文资料概况

2.2水文要素趋势分析方法

2.3研究区水文模型

2.3.1模型结构

2.3.2模型计算

2.3.3模型参数及敏感度分析

2.4模型参数优化

2.4.1单目标优化

2.4.2多目标优化

2.4.3算法参数

2.4.4 Pareto非劣解

2.4.5目标函数和精度评价

3结果与分析

3.1资料分析结果

3.1.1资料审查

3.1.2水文要素趋势分析结果

3.2参数敏感性分析

3.3数值模拟分析

3.3.1Pareto前沿分析

3.3.2日模型模拟分析

3.3.3次洪模型模拟分析

4讨论

4.1流域水文模型选择

4.2模型参数优化的分析

4.3两种模拟方式评价比较

4.4展望

5结论

参考文献

致谢

8攻读学位期间发表论文情况