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一種有限元控制的分布式水文模型的建模方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510593316.0

申請日:

2015.09.17

公開號:

CN105160121A

公開日:

2015.12.16

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 17/50申請日:20150917|||公開
IPC分類號: G06F17/50 主分類號: G06F17/50
申請人: 天津市水文水資源勘測管理中心
發明人: 趙天佑; 謝潤起; 李致家; 于福民; 張強; 李忠; 柴雅彬; 王勇; 吳遜; 秦嘉迎; 王小琛
地址: 300000天津市河西區環湖南道5號
優先權:
專利代理機構: 濟南千慧專利事務所(普通合伙企業)37232 代理人: 商福全
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510593316.0

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.07.13|||2016.01.13|||2015.12.16

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供一種基于有限元控制的分布式水文模型的建模方法,步驟包括流域有限元的劃分,有限元模型的生成以及有限元控制的分布式水文模型的生成。有限元的劃分從流域雨量站的控制密度,下墊面屬性,流域匯流特征上考慮了流域水文現象的線性尺度。有限元模型是下墊面屬性相同或相似的物理水文模型,按照流域的河網分布,通過河網匯流組成有限元控制的分布式水文模型。利用有限元分布控制開關調整人類活動導致的流域下墊面屬性的改變,利用有限元模型參數控制開關調整人類活動所導致的流域蓄水能力的改變,以適應在人類活動影響條件下的水文模擬及預報的要求。本發明具備計算時間短,參數易率定,適應性強,計算結果精確度高等優點。

權利要求書

權利要求書
1.  一種有限元控制的分布式水文模型的建模方法,其特征在于,包括步驟:
將流域進行有限元劃分,生成流域內的有限元分布;
根據所述劃分的有限元生成有限元模型;
根據所述有限元模型通過河網匯流生成有限元控制的分布式水文模型。

2.  根據權利要求1所述有限元控制的分布式水文模型的建模方法,所述有限元劃分是依據流域下墊面屬性及雨量站控制密度進行的,每個有限元內具有相同或近似的下墊面屬性,其中,一個有限元通過一個雨量站進行控制,一個雨量站控制不同屬性的有限元,有限元面積集合等于流域面積。

3.  根據權利要求1所述有限元控制的分布式水文模型的建模方法,所述的有限元劃分是依據流域河網結構進行的,根據流域河網匯流特性按河流分叉劃分匯流節點,其中,當流域河網匯流出現多級分叉時對應劃分出多級節點,在匯流節點以上,根據流域下墊面屬性及雨量站控制劃分有限元,各有限元通過河網組成流域有限元分布。

4.  根據權利要求1所述有限元控制的分布式水文模型的建模方法,所述有限元模型是物理水文模型,利用三水源計算產流且利用線性水庫計算坡面匯流,每個有限元具有單一的下墊面屬性,有限元生成的有限元模型有著獨立而特定的模型參數,其中:
水面有限元蒸散發折算系數K取0.8-0.9,流域蓄水容量分布曲線指數B為1,深層散發系數C為0,流域平均張力水容量WM為0mm,上層張力水容量WUM為0mm,下層張力水容量WLM為0mm,不透水面積比例為1,流域平均自由水容量SM為0mm,流域自由水容量分布曲線指數為1;
丘陵有限元蒸散發折算系數K取0.8-0.9,流域蓄水容量分布曲線指數B為0.33,深層散發系數C為0.15,流域平均張力水容量WM取160-200mm,上層張力水容量WUM取15-25mm,下層張力水容量WLM取60-100mm,不透水面積比例為0.01,流域平均自由水容量SM為40-70mm,流域自由水容量分布曲線指數為1;
山地有限元蒸散發折算系數K取0.8-0.9,流域蓄水容量分布曲線指 數B為0.33,深層散發系數C為0.15,流域平均張力水容量WM取180-220mm,上層張力水容量WUM取15-35mm,下層張力水容量WLM取60-100mm,不透水面積比例為0.01,流域平均自由水容量SM為40-60mm,流域自由水容量分布曲線指數為1;
平原有限元蒸散發折算系數K取0.8-0.9,流域蓄水容量分布曲線指數B為0.33,深層散發系數C為0.15,流域平均張力水容量WM取140-180mm,上層張力水容量WUM取15-25mm,下層張力水容量WLM取60-100mm,不透水面積比例為0.01,流域平均自由水容量SM為45-75mm,流域自由水容量分布曲線指數為1;
農田有限元蒸散發折算系數K取0.8-0.9,流域蓄水容量分布曲線指數B為0.33,深層散發系數C為0.15,流域平均張力水容量WM取190-230mm,上層張力水容量WUM取30-50mm,下層張力水容量WLM取80-120mm,不透水面積比例為0.01,流域平均自由水容量SM為55-85mm,流域自由水容量分布曲線指數為1;
森林有限元蒸散發折算系數K取0.8-0.9,流域蓄水容量分布曲線指數B為0.33,深層散發系數C為0.15,流域平均張力水容量WM取180-220mm,上層張力水容量WUM取20-40mm,下層張力水容量WLM取60-100mm,不透水面積比例為0.01,流域平均自由水容量SM為50-70mm,流域自由水容量分布曲線指數為1;
草地有限元蒸散發折算系數K取0.8-0.9,流域蓄水容量分布曲線指數B為0.33,深層散發系數C為0.15,流域平均張力水容量WM取180-220mm,上層張力水容量WUM取20-40mm,下層張力水容量WLM取60-100mm,不透水面積比例為0.01,流域平均自由水容量SM為45-75mm,流域自由水容量分布曲線指數為1;
城鎮有限元蒸散發折算系數K取0.8-0.9,流域蓄水容量分布曲線指數B為0.33,深層散發系數C為0.15,流域平均張力水容量WM取120-180mm,上層張力水容量WUM取10-20mm,下層張力水容量WLM取55-85mm,不透水面積比例為0.4-0.6,流域平均自由水容量SM為35-55mm,流域自由水容量分布曲線指數為1。

5.  根據權利要求4所述有限元控制的分布式水文模型的建模方法,所述有限元模型通過河網匯流生成有限元控制的分布式水文模型,模型輸出 成果為流域出口的徑流過程及水位過程,河網匯流利用線性水庫或馬斯京干法調節演算。

6.  根據權利要求1所述有限元控制的分布式水文模型的建模方法,所述流域有限元分布是可變動的,當流域下墊面的屬性發生變化或流域的降水站控制密度發生改變時,可調整流域的有限元分布,有限元控制的分布式水文模型則根據新的流域內的有限元分布進行組合,其中,各類有限元模型的參數不變,調整后的有限元面積集合不變。

7.  根據權利要求4所述有限元控制的分布式水文模型的建模方法,所述有限元模型中的流域蓄水能力參數是可變動的,當改變了下墊面的持水能力時,通過地下水埋深與蓄水容量關系對應修正有限元模型的蓄水容量參數。

8.  根據權利要求6所述有限元控制的分布式水文模型的建模方法,所述有限元分布的調整是通過有限元分布控制開關實現的。

9.  根據權利要求7所述有限元控制的分布式水文模型的建模方法,所述的有限元模型參數的變動是通過有限元模型控制開關實現的。

10.  根據權利要求7所述有限元控制的分布式水文模型的建模方法,所述地下水埋深與蓄水容量的關系是通過流域內有限元的地下水代表站與不同地下水埋深的有限元模型建立的,且每個有限元模型都具有對應的蓄水容量參數,地下水埋深與蓄水容量關系參數如下:
平原地區流域平均張力水容量WM為150mm時,地下水埋深1.4-2m;WM為160mm時,地下水埋深2-2.5m;WM為180mm時,地下水埋深2.5-6m;WM為200mm時,地下水埋深6-8m;WM大于200mm時,地下水埋深大于8m;
山丘及高地流域平均張力水容量WM為150mm時,地下水埋深7-8.5m;WM為160mm時,地下水埋深8.5-10m;WM為180mm時,地下水埋深10-14m;WM為200mm時,地下水埋深14-18m;WM大于200mm時,地下水埋深大于18m。

說明書

說明書一種有限元控制的分布式水文模型的建模方法
技術領域
本發明涉及水文學領域,尤其涉及一種有限元控制的分布式水文模型建模方法。
背景技術
針對流域降水徑流的非線性問題,水文學領域提出了眾多分布式水文模型。現有的分布式水文模型的網格是處理流域降水徑流非線性問題的基礎,它把流域下墊面變化的分散和不連續(主要指非漸變和突變)轉化成網格內的漸變和連續,以便于用線性方法處理流域降水徑流的非線性問題。
目前,大多分布式水文模型在進行流域產匯流計算時只考慮流域線性尺度的下限(即網格足夠小),沒有考慮線性尺度的上限(即網格足夠大)。從微分學的角度看,分布式水文模型中所設定的網格步長越小,網格內的水文現象越接近線性變化,但是,針對一個面積較大的流域,網格步長越小,降水徑流計算時間就會越長,這在模型參數的率定和賦值時,參數的變化對計算結果變化表現為很不敏感,使得在有限的資料條件下,很難率定出準確的模型參數。為了節省計算時間,當模型網格選的過大時,超出了線性尺度,網格內本身就出現了非線性問題,使得徑流模擬難以準確,以至于產匯流計算的結果失真,實際上已經違背了分布式水文模型的初衷。
受人類活動的影響,人類對流域下墊面的改變是持續的和變化的,以至于反應同一種流域狀態的降水徑流資料很有限,常規的分布式水文模型很難選擇適合的模型參數適應這樣的變化,在這種條件下有效的模擬流域降水徑流過程是非常困難的,預報結果也無法滿足模型精度的要求。
現有設計的水文模型不能靈活調整從而使得參數率定復雜、計算時間長且不能有效應對下墊面變化對流域產匯流的影響。
因此,如何設計一種參數率定容易、計算時間短,可以有效應對下墊面變化對流域產匯流影響的分布式水文模型是業界亟需解決的課題。
發明內容
本發明實施例的目的在于提供一種有限元控制的分布式水文模型的建模方法旨在解決同有技術不能有效應對下墊面變化對流域產匯流影響且參數率定困難和計算時間長的問題。
本發明提供一種有限元控制的分布式水文模型的建模方法,其包括步驟:
將流域進行有限元劃分,生成流域內的有限元分布;
根據所述劃分的有限元生成有限元模型;
根據所述有限元模型通過河網匯流生成有限元控制的分布式水文模型。
優選地,所述有限元劃分是依據流域下墊面屬性及雨量站控制密度進行的,每個有限元內具有相同或近似的下墊面屬性,其中,一個有限元通過一個雨量站進行控制,一個雨量站控制不同屬性的有限元,有限元面積集合等于流域面積。
優選地,所述的有限元劃分是依據流域河網結構進行的,根據流域河網匯流特性按河流分叉劃分匯流節點,其中,當流域河網匯流出現多級分叉時對應劃分出多級節點,在匯流節點以上,根據流域下墊面屬性及雨量站控制劃分有限元,各有限元通過河網組成流域有限元分布。
優選地,所述第一水文模型是物理水文模型,利用三水源計算產流且利用線性水庫計算坡面匯流,每個有限元具有單一的下墊面屬性,有限元生成的有限元模型有著獨立而特定的模型參數,其中:
水面有限元蒸散發折算系數K取0.8-0.9,流域蓄水容量分布曲線指數B為1,深層散發系數C為0,流域平均張力水容量WM為0mm,上層張力水容量WUM為0mm,下層張力水容量WLM為0mm,不透水面積比例為1,流域平均自由水容量SM為0mm,流域自由水容量分布曲線指數為1;
丘陵有限元蒸散發折算系數K取0.8-0.9,流域蓄水容量分布曲線指數B為0.33,深層散發系數C為0.15,流域平均張力水容量WM取160-200mm,上層張力水容量WUM取15-25mm,下層張力水容量WLM取60-100mm,不透水面積比例為0.01,流域平均自由水容量SM為40-70mm,流域自由水容量分布曲線指數為1;
山地有限元蒸散發折算系數K取0.8-0.9,流域蓄水容量分布曲線指數B為0.33,深層散發系數C為0.15,流域平均張力水容量WM取180-220mm,上層張力水容量WUM取15-35mm,下層張力水容量WLM取60-100mm,不透水面積比例為0.01,流域平均自由水容量SM為40-60mm,流域自由水容量分布曲線指數為1;
平原有限元蒸散發折算系數K取0.8-0.9,流域蓄水容量分布曲線指數B為0.33,深層散發系數C為0.15,流域平均張力水容量WM取140-180mm,上層張力水容量WUM取15-25mm,下層張力水容量WLM取60-100mm,不透水面積比例為0.01,流域平均自由水容量SM為45-75mm,流域自由水容量分布曲線指數為1;
農田有限元蒸散發折算系數K取0.8-0.9,流域蓄水容量分布曲線指數B為0.33,深層散發系數C為0.15,流域平均張力水容量WM取190-230mm,上層張力水容量WUM取30-50mm,下層張力水容量WLM取80-120mm,不透水面積比例為0.01,流域平均自由水容量SM為55-85mm,流域自由水容量分布曲線指數為1;
森林有限元蒸散發折算系數K取0.8-0.9,流域蓄水容量分布曲線指數B為0.33,深層散發系數C為0.15,流域平均張力水容量WM取180-220mm,上層張力水容量WUM取20-40mm,下層張力水容量WLM取60-100mm,不透水面積比例為0.01,流域平均自由水容量SM為50-70mm,流域自由水容量分布曲線指數為1;
草地有限元蒸散發折算系數K取0.8-0.9,流域蓄水容量分布曲線指數B為0.33,深層散發系數C為0.15,流域平均張力水容量WM取180-220mm,上層張力水容量WUM取20-40mm,下層張力水容量WLM取60-100mm,不透水面積比例為0.01,流域平均自由水容量SM為45-75mm,流域自由水容量分布曲線指數為1;
城鎮有限元蒸散發折算系數K取0.8-0.9,流域蓄水容量分布曲線指數B為0.33,深層散發系數C為0.15,流域平均張力水容量WM取120-180mm,上層張力水容量WUM取10-20mm,下層張力水容量WLM取55-85mm,不透水面積比例為0.4-0.6,流域平均自由水容量SM為35-55mm,流域自由水容量分布曲線指數為1。
優選地,所述有限元模型通過河網匯流生成有限元控制的分布式水文模型,模型輸出成果為流域出口的徑流過程及水位過程,河網匯流利用線性水庫或馬斯京干法調節演算。
優選地,所述流域有限元分布是可變動的,當流域下墊面的屬性發生變化或流域的降水站控制密度發生改變時,可調整流域的有限元分布,有限元控制的分布式水文模型則根據新的流域內的有限元分布進行組合,其中,各類有限元模型的參數不變,調整后的有限元面積集合不變。
優選地,所述有限元模型中的流域蓄水能力參數是可變動的,當人類活動改變了下墊面的持水能力時,通過地下水埋深與蓄水容量關系對應修正有限元模型的蓄水容量參數。
優選地,所述有限元分布的調整是通過有限元分布控制開關實現的。
優選地,所述的有限元模型參數的變動是通過有限元模型控制開關實現的。
優選地,所述地下水埋深與蓄水容量的關系是通過流域內有限元的地下水代表站與不同地下水埋深的有限元模型建立的,且每個有限元模型都具有對應的蓄水容量參數,地下水埋深與蓄水容量關系參數如下:
平原地區流域平均張力水容量WM為150mm時,地下水埋深1.4-2m;WM為160mm時,地下水埋深2-2.5m;WM為180mm時,地下水埋深2.5-6m;WM為200mm時,地下水埋深6-8m;WM大于200mm時,地下水埋深大于8m;
山丘及高地流域平均張力水容量WM為150mm時,地下水埋深7-8.5m;WM為160mm時,地下水埋深8.5-10m;WM為180mm時,地下水埋深10-14m;WM為200mm時,地下水埋深14-18m;WM大于200mm時,地下水埋深大于18m。
相較于現有技術,本發明的有限元控制的分布式水文模型的建模方法,通過流域有限元的劃分解決流域水文模擬計算中的非線性問題的線性尺度問題,通過有限元分布控制開關解決由于人類活動所導致的流域下墊面屬性及降水密度的改變對水文模擬的影響問題,通過有限元模型控制開關解決人類活動對流域持水能力的改變后對水文模擬的影響問題,以適應在人類活動影響條件下的水文模擬及預報的要求。
本發明具備計算時間短,參數易率定,適應性強,計算結果精確度高的優點。
附圖說明
圖1A為本發明一優選實施例的有限元控制的分布式水文模型的建模方法的方框示意圖;
圖1B是圖1A的有限元控制的分布式水文模型的建模方法的過程實現示意圖;
圖2為本發明一優選實施例的流域有限元生成示意圖;
圖3為于橋水庫流域河網匯流及匯流節點圖;
圖4為泉水頭站WM與地下水埋深關系圖;
圖5為大柳樹站WM與地下水埋深關系圖;
圖6為新店子站WM與地下水埋深關系圖;
圖7為南新城站WM與地下水埋深關系圖;
圖8為有限元控制的分布式水文模型計算過程示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖說明及具體實施方式對本發明進一步說明。
請參閱圖1A和圖1B,本發明優選實施例的有限元控制的分布式水文模型的建模方法,包括步驟:
S1:將流域進行有限元劃分,生成流域內的有限元分布;
本步驟中,再請參閱圖2。所述有限元劃分是依據流域下墊面屬性及雨量站控制密度進行的,每個有限元具有相同或近似的下墊面屬性,其中,一個有限元通過一個雨量站進行控制,一個雨量站控制不同屬性的有限元,有限元面積集合等于流域面積。
具體地,在網格分布式水文模型中,對相同或相似下墊面屬性的網格進行合并,并根據雨量站控制密度生成各類流域屬性質相同的有限元。
其中,有限元是根據流域下墊面屬性及雨量控制密度生成,其分布考慮流域河網匯流時間。主要分為山地、平原、農田、草地、城鎮、水面、森林有限元等。
值得注意是,線性尺度是處理流域降水徑流非線性問題的關鍵,亦即流域中用線性方法處理降水徑流問題的最大尺度(或者步長),計算步長小于這個尺度時,可以用線性方法分段(分塊,或者分格)處理流域降水徑流非線性問題,當計算步長過小時,針對較大的流域時,會出現參數率定不敏感、計算時間過長,模型參數賦值不確定等缺點。當計算步長超過了這個尺度時,步長內已經出現了非線性問題,違背分布式水文模型的原始初衷,以至于流域的降水徑流模擬失真。流域內的有限元的劃分是處理流域降水徑流非線性問題的主要手段和方式,通過流域下墊面屬性控制流域產流空間分布的非線性問題,通過降水站密度控制降水空間分布的非線性問題,通過河網匯流節點控制流域匯流空間分布的非線性問題。從而達到既滿足計算步長不超過線性尺度而又足夠的長,縮短計算時間,模型參數易率定,降水徑流模擬準確的目的。
整個流域依據流域河網結構,考慮流域河網匯流特性,劃分匯流節點。當流域河網匯流復雜時,可以劃分出多級節點。在匯流節點以上,根據流域下墊面屬性及雨量站控制劃分有限元,各個有限元通過河網組成流域有限元分布。見于橋水庫流域節點分布圖3:
依據流域劃分的各類有限元,生成獨立的有限元水文模型,或稱第一水文模型。第一水文模型通過河網匯流生成有限元控制的分布式水文模型,或稱第二水文模型。
進行有限元分布的變動控制時,有限元分布是可變動的,當人類活動改變了流域下墊面的屬性時(草地變成農田,農田變成水面,或城鎮等),或流域的降水控制密度發生了改變時,僅調整流域有限元的分布,有限元控制的分布式模型根據新的流域有限元的分布進行組合,有限元控制的分布式水文模型不變,各類有限元模型的參數不變,調整后的有限元面積集合不變。有限元分布的調整是通過有限元分布控制開關實現的,實現依據在于下墊面年際觀測及調查資料。
S2:根據所述劃分的有限元生成有限元模型;
所述有限元模型或稱第一水文模型,本步驟中,所述有限元模型是物理水文模型,利用三水源計算產流,利用線性水庫計算坡面匯流,各類有限元具有單一的下墊面屬性,生成的有限元模型有著獨立而特定的模型參數,各有限元模型參數如下表1至8。
表1:水面有限元模型參數

表2:丘陵有限元模型參數

表3:山地有限元模型參數


表4:平原有限元模型參數

表5:農田有限元模型參數

表6:森林有限元模型參數

表7:草地有限元模型參數

表8:城鎮有限元模型參數


進一步的,所述有限元對應的模型中的流域蓄水能力參數是可變動的,當人類活動改變了流域下墊面的持水能力時,通過地下水埋深與蓄水容量關系對應修正有限元模型的蓄水容量參數。
S3:根據所述有限元模型通過河網匯流生成有限元控制的分布式水文模型。
本步驟中,有限元控制的分布式水文模型生成過程中,有限元模型通過河網匯流計算至流域出口生成有限元控制的分布式水文模型,河網匯流采用線性水庫或馬斯京干法調節演算,其輸出結果為徑流過程及水位過程。
當人類活動改變了下墊面的持水能力時,如流域地下水的開發導致包氣帶厚度發生變化時,通過多年資料建立的地下水埋深與蓄水容量關系,修正有限元模型蓄水容量參數。如泉水頭等站WM與地下水埋深關系圖,水位蓄量關系線見下圖4、圖5、圖6和圖7:
地下水埋深與蓄水容量關系如下表:

具體地,所述有限元分布的調整是通過有限元分布控制開關實現的。所述的有限元模型參數的變動是通過有限元模型控制開關實現的。所述地下水埋深與蓄水容量的關系是通過流域內有限元的地下水代表站與不同地下水埋深的有限元模型建立的,且每個有限元都具有對應的蓄水容量參數,地下水埋深與蓄水容量關系參數如下:
平原地區流域平均張力水容量WM為150mm時,地下水埋深1.4-2m;WM為160mm時,地下水埋深2-2.5m;WM為180mm時,地下水埋深2.5-6m;WM為200mm時,地下水埋深6-8m;WM大于200mm時,地下水埋深大于8m。
山丘及高地流域平均張力水容量WM為150mm時,地下水埋深7-8.5m;WM為160mm時,地下水埋深8.5-10m;WM為180mm時,地下水埋深10-14m;WM為200mm時,地下水埋深14-18m;WM大于200mm時,地下水埋深大于18m。
相較于現有技術,本發明的有限元控制的分布式水文模型的建模方法,通過流域有限元的劃分解決流域水文模擬計算中的非線性問題的線性尺度問題,通過有限元分布控制開關解決由于人類活動所導致的流域下墊面屬性及降水密度的改變對水文模擬的影響問題,通過有限元模型控制開關解決人類活動對流域持水能力的改變后對水文模擬的影響問題,以適應在人類活動影響條件下的水文模擬及預報的要求。
本發明具備計算時間短,參數易率定,適應性強,計算結果精確度高的優點。
以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明,不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說,在不脫離本發明構思的前提下,還可以做出若干簡單推演或替換,都應當視為屬于本發明的保護范圍。

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一種 有限元 控制 分布式 水文 模型 建模 方法
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