一种气陆库水四维耦合的中长期径流预报方法技术

本发明专利技术提供了一种气陆库水四维耦合的中长期径流预报方法，分别建立基于气候模式、串联两参数水量平衡模型、蓄量差值模型、来水合成模型的流域气

【技术实现步骤摘要】
一种气陆库水四维耦合的中长期径流预报方法


[0001]本专利技术涉及流域中长期径流预报
，尤其涉及一种气陆库水四维耦合的中长期径流预报方法。

技术介绍

[0002]中长期径流预报是实现水资源合理分配和高效利用的重要技术手段，传统中长期水文预报方法一般是根据河川径流变化具有连续性、周期性、地区性和随机性等特征有针对性地开展统计方法研究，由于水文过程是一种复杂的高度非线性过程，现代一些新的可以描述非线性信息的人工智能方法陆续被引入水文长期预报领域中，如深度学习、大数据挖掘分析等。但上述方法主要是利用气候因子、历史径流等作为输入直接推算某个断面未来时段的径流状况，缺少明确的物理机制，有时难以解释水文气象耦合不匹配的问题，如日常作业中往往面对流域降雨预报偏多，但流量预报偏少的矛盾问题。同时采用上述方法进行单一断面时的预报效果尚可，但若利用其进行流域内多个断面的径流预报时，往往会出现水量不平衡的问题，如可能出现多个子流域出口径流预测偏少，但最终出口流域径流预测偏多的问题。此外，传统的中长期径流预测对水库调蓄的影响考虑较少，即使有考虑也仅是简单的将其分为汛期的汛限水位和非汛期正常蓄水位，然而实际水库调度运行要远比此复杂。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种气陆库水四维耦合的中长期径流预报方法。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：本专利技术提供了一种气陆库水四维耦合的中长期径流预报方法，包括以下步骤： S1、预报对象建立：选择需要预报的预报断面和预报时间，以所述预报断面为出口建立闭合流域；S2、水文气象数据收集：收集相应的气候模式历史预报资料、气候因子资料、水雨工情实测资料；S3、建立大气、陆面、水库、来水计算模型；大气模型采用气候数值模式输出产品，陆面模型采用两参数串联水量平衡模型，水库模型采用蓄量差值模型，来水模型采用来水合成模型；S4、建立气
‑
陆耦合器：通过分区值转化、高相关因子集选取、智能订正，将所述大气模型输出的格点雨量和气温数据转化为所述陆面模型所需的输入数据，实现气候数值模式与两参数串联水量平衡模型的耦合；S5、建立陆
‑
库耦合器：构建限制水位知识规则库和来水状态判断机，将陆面模型计算的流量转化为水库模型需要的水位差值，实现所述陆面模型与所述水库模型的耦合；S6、建立库
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水耦合器：通过空间拓扑关系和时间均匀分配，将所述水库模型输出
的水库蓄水量差值转为所述来水模型需要的影响流量，实现所述水库模型与所述来水模型的耦合；S7、气
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陆
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库
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水四维耦合预报：综合所述S3、S4、S5和S6，得到中长期径流耦合预报模型，收集预报时段的气候模式资料以及相应的气候因子数据，将数据输入耦合模型得到实际入库流量预报值。
[0005]进一步，所述S1中，选择需要预报的预报断面，确定预报起始日期和结束日期，按流域内水库节点、水系特征和预报对象将大流域划分为子流域。
[0006]进一步，所述S3中的具体步骤为：S31、所述大气模型中采用的气候数值模式为CFS气候数值模式，获取未来9个月的模式降水格点预测和气温格点预测；S32、所述陆面模型中基于水量平衡原理，建立各子流域和大流域的两参数串联水量平衡模型，通过输入分区雨量和气温信息计算各流域出口断面天然流量，为保证子流域与大流域间流量的平衡，引入权重项，构建所述两参数串联水量平衡模型，串联方式为：其中，为大流域出口断面的流量计算结果；为子流域出口断面水量初始计算结果；为修正后的计算结果；为子流域个数；S33、所述水库模型采用蓄量差值方法，需要输入时段初和时段末的水库水位，依据水库蓄水位差值信息，利用水库库容曲线计算水库蓄量差值：利用水库库容曲线计算水库蓄量差值：其中，为水库的库容曲线；为水库的蓄量差值；为水库的时段初水位；为水库的时段末水位；为上游水库合计蓄量差值；为水库个数；S34、来水模型采用来水合成方法，通过天然来水减去上游水库对下游断面的影响流量，得到断面的实际流量：得到断面的实际流量：其中，为断面的实际流量；为断面的天然流量；为上游水库对断面的合
计影响流量；为水库对断面的影响流量。
[0007]进一步，所述S4的具体步骤为：S41、分区值转化：利用模式降水格点预测、气温格点预测值和子流域边界，采用算术平均计算子流域的面雨量和面气温；S42、高相关因子集选取：用表示和，表示时段内的变量，对应预报对象的时间段，和分别表示预报起始日期和结束日期，表示时段内的第种因子，为因子种类数，表示超前时间，则对于组成如下的前期气候因子集：，其中，前期气候因子集中共有种因子，设定搜索半径为，在前期气候因子集中取任意个因子进行排列，共有种因子组合，对于每组因子计算相应的复相关系数；其中，为利用因子对的拟合值；为拟合系数；为误差项；为的平均值；为的平均值；表示搜索因子的编号，表示预报对象的编号，表示预报对象序列总长度；值最大对应的一组因子，即为最优因子集；S43、分区值校正：构建基于深度学习算法的订正模型C，所述订正模型C为三层的全连接神经网络模型，以双曲正切函数Tanh为激活函数，以Sigmoid函数为输出层函数，采用有监督的BP网络结构，模型表达式如下：其中，表示和；为误差项；为因子校正后的预测值；对于变量，Tanh函数、Sigmoid函数、Z
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score公式如下：
其中，表示变量的序列均值；表示变量的序列标准差。
[0008]进一步，所述S5的具体步骤为：S51、将流域水库进行分类，一类为在建水库，另一类为已运行水库，其中，所述在建水库对应蓄水计划，所述已运行水库对应调度规程及往年运行情况；S52、划分时段为汛期和非汛期，针对每个水库，利用正规表达式和模式匹配法与人工结合的方法从调度规程和蓄水计划中提取关键词，并进行标准化处理，形成供计算机识别的结构化知识规则库K，每一条知识规则的记录格式为< >；：表示水库编号，每个水库均有唯一的编号；：表示水库状态，分为0和1两种状态，0表示在建水库，1表示运行水库；：表示起始日期；：表示结束日期；：表示时段里限制水位的值；其中，汛期对应汛限水位，非汛期对应正常蓄水位；S53、建立水库水位自适应寻优算法，根据知识规则库和某段时间的流量状态，推算时段初和时段末的水库蓄水位；S531、构建来水状态判断机；其中，表示月的流量；表示多年的流量均值；表示月初的水位；表示月末的水位；表示月初丰水水位状态集；表示月末丰水水位状态集；表示月初平水水位状态集；表示月末平水水位状态集；表示月初枯水水位状态集；表示月末枯水水位状态集；S532、对于某一水库在时段的流量，在知识规则库K中搜索该水库在开始时间，结束时间是否有对应的值，若有，则采用值；若无，则进入下一步；
S533、若年时段流量为，将输入状态判断机中，得到水位的状态，将年前五年时段流量集()输入状态判断机中，获取状态对应的水位集和；如果和为非空集，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气陆库水四维耦合的中长期径流预报方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、预报对象建立：选择需要预报的预报断面和预报时间，以所述预报断面为出口建立闭合流域；S2、水文气象数据收集：收集相应的气候模式历史预报资料、气候因子资料、水雨工情实测资料；S3、建立大气、陆面、水库、来水计算模型；大气模型采用气候数值模式输出产品，陆面模型采用两参数串联水量平衡模型，水库模型采用蓄量差值模型，来水模型采用来水合成模型；S4、建立气
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陆耦合器：通过分区值转化、高相关因子集选取、智能订正，将所述大气模型输出的格点雨量和气温数据转化为所述陆面模型所需的输入数据，实现气候数值模式与两参数串联水量平衡模型的耦合；S5、建立陆
‑
库耦合器：构建限制水位知识规则库和来水状态判断机，将陆面模型计算的流量转化为水库模型需要的水位差值，实现所述陆面模型与所述水库模型的耦合；S6、建立库
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水耦合器：通过空间拓扑关系和时间均匀分配，将所述水库模型输出的水库蓄水量差值转为所述来水模型需要的影响流量，实现所述水库模型与所述来水模型的耦合；S7、气
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陆
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库
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水四维耦合预报：综合所述S3、S4、S5和S6，得到中长期径流耦合预报模型，收集预报时段的气候模式资料以及相应的气候因子数据，将数据输入耦合模型得到实际入库流量预报值。2.根据权利要求1所述的一种气陆库水四维耦合的中长期径流预报方法，其特征在于：所述S1中，选择需要预报的预报断面，确定预报起始日期和结束日期，按流域内水库节点、水系特征和预报对象将大流域划分为子流域。3.根据权利要求1所述的一种气陆库水四维耦合的中长期径流预报方法，其特征在于，所述S3中的具体步骤为：S31、所述大气模型中采用的气候数值模式为CFS气候数值模式，获取未来9个月的模式降水格点预测和气温格点预测；S32、所述陆面模型中基于水量平衡原理，建立各子流域和大流域的两参数串联水量平衡模型，通过输入分区雨量和气温信息计算各流域出口断面天然流量，为保证子流域与大流域间流量的平衡，引入权重项，构建所述两参数串联水量平衡模型，串联方式为：其中，为大流域出口断面的流量计算结果；为子流域出口断面水量初始计算结果；为修正后的计算结果；为子流域个数；S33、所述水库模型采用蓄量差值方法，需要输入时段初和时段末的水库水位，依据水库蓄水位差值信息，利用水库库容曲线计算水库蓄量差值：
其中，为水库的库容曲线；为水库的蓄量差值；为水库的时段初水位；为水库的时段末水位；为上游水库合计蓄量差值；为水库个数；S34、来水模型采用来水合成方法，通过天然来水减去上游水库对下游断面的影响流量，得到断面的实际流量：得到断面的实际流量：其中，为断面的实际流量；为断面的天然流量；为上游水库对断面的合计影响流量；为水库对断面的影响流量。4.根据权利要求1所述的一种气陆库水四维耦合的中长期径流预报方法，其特征在于，所述S4的具体步骤为：S41、分区值转化：利用模式降水格点预测、气温格点预测值和子流域边界，采用算术平均计算子流域的面雨量和面气温；S4...

【专利技术属性】
技术研发人员：官学文，冯宝飞，陈瑜彬，邱辉，王乐，邢雯慧，訾丽，许银山，秦昊，曾明，张涛，牛文静，田逸飞，顾丽，严方家，
申请(专利权)人：长江水利委员会水文局，
类型：发明
国别省市：