【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于形态参数的时变非线性单位线汇流方法，属于水文模型领域，主要用于数据计算改善半干旱半湿润地区的洪水模拟效果，为洪水预报和预警提供技术支撑。
技术介绍
1、洪水预报是防洪减灾重要的技术手段，业务化应用较多的方法是水文模型。流域汇流是水文模型不可规避的重要过程，传统水文学计算方法有单位线法、等流时线法和线性水库法等。数十年来，这些方法在大多数情况下会得到令人满意的预报结果，但流域本身非常复杂，不确定性和非线性特征显著。在同一流域，洪峰大小和雨强可能不成比例，洪峰滞时也并非恒定；不同场次洪水推求的单位线峰值可能会相差数倍，马斯京根法的参数也并不一致，模拟的精度也会受到影响。半干旱半湿润地区的洪水预报一直是技术难点，其主要原因之一是流域洪水形成过程缺乏规律，简单的参数难以适应多变的洪水过程。
2、单位线是使用最为广泛的坡面汇流模型，很多著名的水文模型一直延续着单位线的使用。对单位线的改进有很多，如丁氏变动单位线、基于扩散波的地貌瞬时单位线、分布式单位线等，这些方法从不同角度描绘了坡面汇流过程，都关注了雨强等时变因子对某个要素的影响，也得到了截然不同的单位线形式，并能在一定程度上提高预报精度，但它们无一例外的默许了单位线之间的线性叠加，即现有方法对汇流非线性的描绘尚存在一定的局限性，且调整单位线的参数简单，难以做到准确适配，洪水预报精度仍有提升空间。提出一种基于形态参数的时变非线性单位线，以适应复杂多变的干旱半干旱地区洪水预报，具有重要意义。
技术实现思路
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2、为了解决上述存在的技术问题，本专利技术采用了以下方案：
3、一种基于形态参数的时变非线性单位线汇流方法，包括以下步骤：
4、步骤1、计算时段暴雨中心相对位置；
5、步骤2、根据时段暴雨中心位置依次计算各时段的单位线初值；
6、步骤3、根据各时段的产流量与单位线初值得到各时段的流量子过程初值；
7、步骤4、根据河道中已有流量过程逐时段修正流量子过程并叠加；
8、步骤5、比对实测流量进行参数率定。
9、建立了“参数化单位线—暴雨中心修正—已有流量修正”的时变非线性单位线汇流方法。
10、进一步，步骤1中定义了时段暴雨中心的相对位置：αk＝l/l，其中l为时段暴雨中心到流域出口的距离，l为流域长度。时段暴雨中心的位置近似看作几个雨量站位置向量的加权平均值，权重为各雨量站测的时段降雨量。记流域n个雨量站的地理坐标分别为(x1,y1)，(x2,y2)，…，(xn,yn)，第k时段的降水量分别为p1，p2，…，pn，流域长度为l，则时段暴雨中心的相对位置：
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12、式中k是降雨的时段序数，与单位线的自变量t不同。在产流与单位线的卷积计算中，k·δt充当了单位线的时间延迟，即函数的水平平移量，其中δt为时间步长。
13、进一步，步骤2提出了一种参数化的单位线。由于现有的参数化单位线(如nash单位线、scs单位线、ding单位线)的形态比较单一，只能呈现出正偏的形态，也不能单独调节退水快慢，对径流形态的控制能力较差。因此有必要构建一个参数化的单位线，单位线的参数最好与其形态特征直接相关联，每个参数单独控制单位线的一种特性，以实现对单位线形态的精细化控制。根据单位线与概率密度函数形态上的相似性，选择能同时呈现出正偏和负偏两种形态的weibull分布进行改进。其概率密度函数为：
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15、注意到这个函数指数内外x的幂次并不相同，外侧为c-1，内侧为c，正是这种其他分布不具有的特征带来了呈现负偏的可能。因此单位线函数应该参考并放大这种特征，即分别用两个不同的参数做指数内外x的幂次：
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17、这是一个单峰函数，如果视作单位线，则其峰值为滞时为可以通过缩放使其峰值和滞时都为1：
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19、作变换a＝ξη,b＝η，上式变为：
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21、再进行平移和缩放，得到五参数单位线：
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23、其中a,b,h,d,ω是一组形式参数，直接表达了单位线的形态特征。a近似代表单位线方差，a∈(0,∞)，a越小方差越大、单位线越尖瘦，a越大方差越小、单位线越矮胖；b近似代表单位线偏态，b∈r，b越小越显正偏、b越大越显负偏，b在3附近时呈现正态形式；h为单位线峰值；d/ω为起涨时间延迟；(d+1)/ω为单位线峰值滞时。
24、从数值稳定性的角度看，单位线中指数内外的计算结果量级差别很大，可能会超出计算机储存范围。为了避免计算过程中出现过大或过小的数字，应对单位线表达式取对数再还原：
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26、当b取0时，单位线还会显示出奇异性，利用洛必达法则可知：
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28、进一步，步骤2定义了单位线参数随时段暴雨中心相对位置的改变，改变方式如下：
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34、其中a0,b0,h0,d0,ω0,a1,b1,h1,d1,ω1,a2,b2,h2,d2,ω2为参数。若以θ代表a,b,h,d,ω五个形式参数，则单位线可简记为uhk'(t；θ)或即为单位线的初值。每个形式参数θ都会随着暴雨中心相对位置αk的增大而逐渐偏离其初值θ0，这样就可以将暴雨中心位置的改变反映到洪水模拟结果当中，增加了对降雨信息的利用。
35、进一步，步骤3中根据各时段的产流量与单位线得到各时段的流量子过程。对于第k时段，如果产流量为rk，经过暴雨中心位置αk修正的单位线(单位线初值)为则本时段的流量子过程即为qk(t)＝rk·uhk'。
36、进一步，步骤4中定义了流量子过程受河道中已有流量过程的影响程度βk＝sk0/sk，其中sk为第k时段的产流量，在q-t图中为“第k时段的产流量对应的流量子过程”与时间轴围成的面积；而sk0为“已经计算好的前k-1时段产流量对应的流量子过程”与“第k时段的产流量对应的流量子过程”在q-t图上围成的公共面积。二者比值βk越大，说明当前时段产生的流量子过程会受到河道中已有流量过程更多的影响，单位线的形态会因此发生更大的变化。例如，对于第k时段，记当前时段产流对应的流量子过程为qk(t)，记前k-1个时段所有产流对应的流量子过程之和(已经过修正)为qk-(t)，则：
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38、进一步，步骤4在步骤1的基础上，考虑了单位线形态会受到河道中已有流量的影响βk。将βk视为受河道已有流量过程影响下第k时段产流量的增加本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于形态参数的时变非线性单位线汇流方法，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述一种基于形态参数的时变非线性单位线汇流方法，其特征在于：步骤1中定义了时段暴雨中心的相对位置：αk＝l/L，其中l为时段暴雨中心到流域出口的距离，L为流域长度,时段暴雨中心的位置近似看作几个雨量站位置向量的加权平均值，权重为各雨量站测的时段降雨量,记流域n个雨量站的地理坐标分别为(x1,y1)，(x2,y2)，…，(xn,yn)，第k时段的降水量分别为P1，P2，…，Pn，流域长度为L，则时段暴雨中心的相对位置：
3.根据权利要求1所述一种基于形态参数的时变非线性单位线汇流方法，其特征在于：所述步骤2采用的单位线为
4.根据权利要求3所述一种基于形态参数的时变非线性单位线汇流方法，其特征在于：所述步骤2单位线的形态会随暴雨中心位置的移动而改变，将单位线形态的改变等效为单位线参数的改变，其改变方式如下：
5.根据权利要求1所述一种基于形态参数的时变非线性单位线汇流方法，其特征在于：步骤4中定义了流量子过程受河道中已有流量过程的影响程度βk＝Sk0/S
6.根据权利要求5所述一种基于形态参数的时变非线性单位线汇流方法，其特征在于：所述步骤4在步骤1的基础上，考虑了单位线形态会受到河道中已有流量的影响，进一步以参数修正的方式来反映单位线的改变，修正方式如下：
7.根据权利要求6所述一种基于形态参数的时变非线性单位线汇流方法，其特征在于：所述步骤1-5建立了“参数化单位线—暴雨中心修正—已有流量修正”的时变非线性单位线汇流方法。
8.根据权利要求1所述一种基于形态参数的时变非线性单位线汇流方法，其特征在于：所述步骤5采用全局优化算法，根据历史洪水场次的降雨径流数据，对单位线的25个参数连通产流模型的参数一同率定得到；所述优化算法可以采用梯度下降法、贝叶斯优化算法等数学方法，采用遗传算法、洗牌复形演化算法等智能算法；在所有参数确定后，即可对接降雨预报对未来将发生的洪水进行模拟。
...【技术特征摘要】
1.一种基于形态参数的时变非线性单位线汇流方法，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述一种基于形态参数的时变非线性单位线汇流方法，其特征在于：步骤1中定义了时段暴雨中心的相对位置：αk＝l/l，其中l为时段暴雨中心到流域出口的距离，l为流域长度,时段暴雨中心的位置近似看作几个雨量站位置向量的加权平均值，权重为各雨量站测的时段降雨量,记流域n个雨量站的地理坐标分别为(x1,y1)，(x2,y2)，…，(xn,yn)，第k时段的降水量分别为p1，p2，…，pn，流域长度为l，则时段暴雨中心的相对位置：
3.根据权利要求1所述一种基于形态参数的时变非线性单位线汇流方法，其特征在于：所述步骤2采用的单位线为
4.根据权利要求3所述一种基于形态参数的时变非线性单位线汇流方法，其特征在于：所述步骤2单位线的形态会随暴雨中心位置的移动而改变，将单位线形态的改变等效为单位线参数的改变，其改变方式如下：
5.根据权利要求1所述一种基于形态参数的时变非线性单位线汇流方法，其特征在于：步骤4中定义了流量子过程受河道中已有流量过程的影响程度βk＝sk0/sk，其中sk为第k时段的产流量，在q-t图中为“第k时段的产...
【专利技术属性】
技术研发人员：田济扬，段嘉程，张博，张婷，康彦付，李建柱，杨永森，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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