CN105160121B - 一种有限元控制的分布式水文模型的建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于有限元控制的分布式水文模型的建模方法，步骤包括流域有限元的划分，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。有限元的划分从流域雨量站的控制密度，下垫面属性，流域汇流特征上考虑了流域水文现象的线性尺度。有限元模型是下垫面属性相同或相似的物理水文模型，按照流域的河网分布，通过河网汇流组成有限元控制的分布式水文模型。利用有限元分布控制开关调整人类活动导致的流域下垫面属性的改变，利用有限元模型参数控制开关调整人类活动所导致的流域蓄水能力的改变，以适应在人类活动影响条件下的水文模拟及预报的要求。本发明具备计算时间短，参数易率定，适应性强，计算结果精确度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及水文学领域，尤其涉及一种有限元控制的分布式水文模型建模方法。
背景技术
针对流域降水径流的非线性问题，水文学领域提出了众多分布式水文模型。现有的分布式水文模型的网格是处理流域降水径流非线性问题的基础，它把流域下垫面变化的分散和不连续(主要指非渐变和突变)转化成网格内的渐变和连续，以便于用线性方法处理流域降水径流的非线性问题。
目前，大多分布式水文模型在进行流域产汇流计算时只考虑流域线性尺度的下限(即网格足够小)，没有考虑线性尺度的上限(即网格足够大)。从微分学的角度看，分布式水文模型中所设定的网格步长越小，网格内的水文现象越接近线性变化，但是，针对一个面积较大的流域，网格步长越小，降水径流计算时间就会越长，这在模型参数的率定和赋值时，参数的变化对计算结果变化表现为很不敏感，使得在有限的资料条件下，很难率定出准确的模型参数。为了节省计算时间，当模型网格选的过大时，超出了线性尺度，网格内本身就出现了非线性问题，使得径流模拟难以准确，以至于产汇流计算的结果失真，实际上已经违背了分布式水文模型的初衷。
受人类活动的影响，人类对流域下垫面的改变是持续的和变化的，以至于反应同一种流域状态的降水径流资料很有限，常规的分布式水文模型很难选择适合的模型参数适应这样的变化，在这种条件下有效的模拟流域降水径流过程是非常困难的，预报结果也无法满足模型精度的要求。
现有设计的水文模型不能灵活调整从而使得参数率定复杂、计算时间长且不能有效应对下垫面变化对流域产汇流的影响。
因此，如何设计一种参数率定容易、计算时间短，可以有效应对下垫面变化对流域产汇流影响的分布式水文模型是业界亟需解决的课题。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种有限元控制的分布式水文模型的建模方法旨在解决同有技术不能有效应对下垫面变化对流域产汇流影响且参数率定困难和计算时间长的问题。
本发明提供一种有限元控制的分布式水文模型的建模方法，其包括步骤：
将流域进行有限元划分，生成流域内的有限元分布；
根据所述划分的有限元生成有限元模型；
根据所述有限元模型通过河网汇流生成有限元控制的分布式水文模型。
优选地，所述有限元划分是依据流域下垫面属性及雨量站控制密度进行的，每个有限元内具有相同或近似的下垫面属性，其中，一个有限元通过一个雨量站进行控制，一个雨量站控制不同属性的有限元，有限元面积集合等于流域面积。
优选地，所述的有限元划分是依据流域河网结构进行的，根据流域河网汇流特性按河流分叉划分汇流节点，其中，当流域河网汇流出现多级分叉时对应划分出多级节点，在汇流节点以上，根据流域下垫面属性及雨量站控制划分有限元，各有限元通过河网组成流域有限元分布。
优选地，所述第一水文模型是物理水文模型，利用三水源计算产流且利用线性水库计算坡面汇流，每个有限元具有单一的下垫面属性，有限元生成的有限元模型有着独立而特定的模型参数，其中：
水面有限元蒸散发折算系数K取0.8-0.9，流域蓄水容量分布曲线指数B为1，深层散发系数C为0，流域平均张力水容量WM为0mm，上层张力水容量WUM为0mm，下层张力水容量WLM为0mm，不透水面积比例为1，流域平均自由水容量SM为0mm，流域自由水容量分布曲线指数为1；
丘陵有限元蒸散发折算系数K取0.8-0.9，流域蓄水容量分布曲线指数B为0.33，深层散发系数C为0.15，流域平均张力水容量WM取160-200mm，上层张力水容量WUM取15-25mm，下层张力水容量WLM取60-100mm，不透水面积比例为0.01，流域平均自由水容量SM为40-70mm，流域自由水容量分布曲线指数为1；
山地有限元蒸散发折算系数K取0.8-0.9，流域蓄水容量分布曲线指数B为0.33，深层散发系数C为0.15，流域平均张力水容量WM取180-220mm，上层张力水容量WUM取15-35mm，下层张力水容量WLM取60-100mm，不透水面积比例为0.01，流域平均自由水容量SM为40-60mm，流域自由水容量分布曲线指数为1；
平原有限元蒸散发折算系数K取0.8-0.9，流域蓄水容量分布曲线指数B为0.33，深层散发系数C为0.15，流域平均张力水容量WM取140-180mm，上层张力水容量WUM取15-25mm，下层张力水容量WLM取60-100mm，不透水面积比例为0.01，流域平均自由水容量SM为45-75mm，流域自由水容量分布曲线指数为1；
农田有限元蒸散发折算系数K取0.8-0.9，流域蓄水容量分布曲线指数B为0.33，深层散发系数C为0.15，流域平均张力水容量WM取190-230mm，上层张力水容量WUM取30-50mm，下层张力水容量WLM取80-120mm，不透水面积比例为0.01，流域平均自由水容量SM为55-85mm，流域自由水容量分布曲线指数为1；
森林有限元蒸散发折算系数K取0.8-0.9，流域蓄水容量分布曲线指数B为0.33，深层散发系数C为0.15，流域平均张力水容量WM取180-220mm，上层张力水容量WUM取20-40mm，下层张力水容量WLM取60-100mm，不透水面积比例为0.01，流域平均自由水容量SM为50-70mm，流域自由水容量分布曲线指数为1；
草地有限元蒸散发折算系数K取0.8-0.9，流域蓄水容量分布曲线指数B为0.33，深层散发系数C为0.15，流域平均张力水容量WM取180-220mm，上层张力水容量WUM取20-40mm，下层张力水容量WLM取60-100mm，不透水面积比例为0.01，流域平均自由水容量SM为45-75mm，流域自由水容量分布曲线指数为1；
城镇有限元蒸散发折算系数K取0.8-0.9，流域蓄水容量分布曲线指数B为0.33，深层散发系数C为0.15，流域平均张力水容量WM取120-180mm，上层张力水容量WUM取10-20mm，下层张力水容量WLM取55-85mm，不透水面积比例为0.4-0.6，流域平均自由水容量SM为35-55mm，流域自由水容量分布曲线指数为1。
优选地，所述有限元模型通过河网汇流生成有限元控制的分布式水文模型，模型输出成果为流域出口的径流过程及水位过程，河网汇流利用线性水库或马斯京干法调节演算。
优选地，所述流域有限元分布是可变动的，当流域下垫面的属性发生变化或流域的降水站控制密度发生改变时，可调整流域的有限元分布，有限元控制的分布式水文模型则根据新的流域内的有限元分布进行组合，其中，各类有限元模型的参数不变，调整后的有限元面积集合不变。
优选地，所述有限元模型中的流域蓄水能力参数是可变动的，当人类活动改变了下垫面的持水能力时，通过地下水埋深与蓄水容量关系对应修正有限元模型的蓄水容量参数。
优选地，所述有限元分布的调整是通过有限元分布控制开关实现的。
优选地，所述的有限元模型参数的变动是通过有限元模型控制开关实现的。
优选地，所述地下水埋深与蓄水容量的关系是通过流域内有限元的地下水代表站与不同地下水埋深的有限元模型建立的，且每个有限元模型都具有对应的蓄水容量参数，地下水埋深与蓄水容量关系参数如下:
平原地区流域平均张力水容量WM为150mm时，地下水埋深1.4-2m；WM为160mm时，地下水埋深2-2.5m；WM为180mm时，地下水埋深2.5-6m；WM为200mm时，地下水埋深6-8m；WM大于200mm时，地下水埋深大于8m；
山丘及高地流域平均张力水容量WM为150mm时，地下水埋深7-8.5m；WM为160mm时，地下水埋深8.5-10m；WM为180mm时，地下水埋深10-14m；WM为200mm时，地下水埋深14-18m；WM大于200mm时，地下水埋深大于18m。
相较于现有技术，本发明的有限元控制的分布式水文模型的建模方法，通过流域有限元的划分解决流域水文模拟计算中的非线性问题的线性尺度问题，通过有限元分布控制开关解决由于人类活动所导致的流域下垫面属性及降水密度的改变对水文模拟的影响问题，通过有限元模型控制开关解决人类活动对流域持水能力的改变后对水文模拟的影响问题，以适应在人类活动影响条件下的水文模拟及预报的要求。
本发明具备计算时间短，参数易率定，适应性强，计算结果精确度高的优点。
附图说明
图1A为本发明一优选实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图；
图1B是图1A的有限元控制的分布式水文模型的建模方法的过程实现示意图；
图2为本发明一优选实施例的流域有限元生成示意图；
图3为于桥水库流域河网汇流及汇流节点图；
图4为泉水头站WM与地下水埋深关系图；
图5为大柳树站WM与地下水埋深关系图；
图6为新店子站WM与地下水埋深关系图；
图7为南新城站WM与地下水埋深关系图；
图8为有限元控制的分布式水文模型计算过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
请参阅图1A和图1B，本发明优选实施例的有限元控制的分布式水文模型的建模方法，包括步骤：
S1:将流域进行有限元划分，生成流域内的有限元分布；
本步骤中，再请参阅图2。所述有限元划分是依据流域下垫面属性及雨量站控制密度进行的，每个有限元具有相同或近似的下垫面属性，其中，一个有限元通过一个雨量站进行控制，一个雨量站控制不同属性的有限元，有限元面积集合等于流域面积。
具体地，在网格分布式水文模型中，对相同或相似下垫面属性的网格进行合并，并根据雨量站控制密度生成各类流域属性质相同的有限元。
其中，有限元是根据流域下垫面属性及雨量控制密度生成，其分布考虑流域河网汇流时间。主要分为山地、平原、农田、草地、城镇、水面、森林有限元等。
值得注意是，线性尺度是处理流域降水径流非线性问题的关键，亦即流域中用线性方法处理降水径流问题的最大尺度(或者步长)，计算步长小于这个尺度时，可以用线性方法分段(分块，或者分格)处理流域降水径流非线性问题，当计算步长过小时，针对较大的流域时，会出现参数率定不敏感、计算时间过长，模型参数赋值不确定等缺点。当计算步长超过了这个尺度时，步长内已经出现了非线性问题，违背分布式水文模型的原始初衷，以至于流域的降水径流模拟失真。流域内的有限元的划分是处理流域降水径流非线性问题的主要手段和方式，通过流域下垫面属性控制流域产流空间分布的非线性问题，通过降水站密度控制降水空间分布的非线性问题，通过河网汇流节点控制流域汇流空间分布的非线性问题。从而达到既满足计算步长不超过线性尺度而又足够的长，缩短计算时间，模型参数易率定，降水径流模拟准确的目的。
整个流域依据流域河网结构，考虑流域河网汇流特性，划分汇流节点。当流域河网汇流复杂时，可以划分出多级节点。在汇流节点以上，根据流域下垫面属性及雨量站控制划分有限元，各个有限元通过河网组成流域有限元分布。见于桥水库流域节点分布图3：
依据流域划分的各类有限元，生成独立的有限元水文模型，或称第一水文模型。第一水文模型通过河网汇流生成有限元控制的分布式水文模型，或称第二水文模型。
进行有限元分布的变动控制时，有限元分布是可变动的,当人类活动改变了流域下垫面的属性时(草地变成农田，农田变成水面，或城镇等)，或流域的降水控制密度发生了改变时，仅调整流域有限元的分布，有限元控制的分布式模型根据新的流域有限元的分布进行组合，有限元控制的分布式水文模型不变，各类有限元模型的参数不变，调整后的有限元面积集合不变。有限元分布的调整是通过有限元分布控制开关实现的，实现依据在于下垫面年际观测及调查资料。
S2:根据所述划分的有限元生成有限元模型；
所述有限元模型或称第一水文模型，本步骤中，所述有限元模型是物理水文模型，利用三水源计算产流，利用线性水库计算坡面汇流，各类有限元具有单一的下垫面属性，生成的有限元模型有着独立而特定的模型参数，各有限元模型参数如下表1至8。
表1：水面有限元模型参数
表2：丘陵有限元模型参数
表3：山地有限元模型参数
表4：平原有限元模型参数
表5：农田有限元模型参数
表6:森林有限元模型参数
表7:草地有限元模型参数
表8:城镇有限元模型参数
进一步的，所述有限元对应的模型中的流域蓄水能力参数是可变动的，当人类活动改变了流域下垫面的持水能力时，通过地下水埋深与蓄水容量关系对应修正有限元模型的蓄水容量参数。
S3:根据所述有限元模型通过河网汇流生成有限元控制的分布式水文模型。
本步骤中，有限元控制的分布式水文模型生成过程中，有限元模型通过河网汇流计算至流域出口生成有限元控制的分布式水文模型，河网汇流采用线性水库或马斯京干法调节演算，其输出结果为径流过程及水位过程。
当人类活动改变了下垫面的持水能力时，如流域地下水的开发导致包气带厚度发生变化时，通过多年资料建立的地下水埋深与蓄水容量关系，修正有限元模型蓄水容量参数。如泉水头等站WM与地下水埋深关系图，水位蓄量关系线见下图4、图5、图6和图7：
地下水埋深与蓄水容量关系如下表:
具体地，所述有限元分布的调整是通过有限元分布控制开关实现的。所述的有限元模型参数的变动是通过有限元模型控制开关实现的。所述地下水埋深与蓄水容量的关系是通过流域内有限元的地下水代表站与不同地下水埋深的有限元模型建立的，且每个有限元都具有对应的蓄水容量参数，地下水埋深与蓄水容量关系参数如下:
平原地区流域平均张力水容量WM为150mm时，地下水埋深1.4-2m；WM为160mm时，地下水埋深2-2.5m；WM为180mm时，地下水埋深2.5-6m；WM为200mm时，地下水埋深6-8m；WM大于200mm时，地下水埋深大于8m。
山丘及高地流域平均张力水容量WM为150mm时，地下水埋深7-8.5m；WM为160mm时，地下水埋深8.5-10m；WM为180mm时，地下水埋深10-14m；WM为200mm时，地下水埋深14-18m；WM大于200mm时，地下水埋深大于18m。
相较于现有技术，本发明的有限元控制的分布式水文模型的建模方法，通过流域有限元的划分解决流域水文模拟计算中的非线性问题的线性尺度问题，通过有限元分布控制开关解决由于人类活动所导致的流域下垫面属性及降水密度的改变对水文模拟的影响问题，通过有限元模型控制开关解决人类活动对流域持水能力的改变后对水文模拟的影响问题，以适应在人类活动影响条件下的水文模拟及预报的要求。
本发明具备计算时间短，参数易率定，适应性强，计算结果精确度高的优点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种有限元控制的分布式水文模型的建模方法，其特征在于，包括步骤：
将流域进行有限元划分，生成流域内的有限元分布；
根据所述划分的有限元生成有限元模型；
根据所述有限元模型通过河网汇流生成有限元控制的分布式水文模型；
所述有限元划分是依据流域下垫面属性及雨量站控制密度进行的，每个有限元内具有相同的下垫面属性，其中，一个有限元通过一个雨量站进行控制，一个雨量站控制不同属性的有限元，有限元面积集合等于流域面积；
所述的有限元划分是依据流域河网结构进行的，根据流域河网汇流特性按河流分叉划分汇流节点，其中，当流域河网汇流出现多级分叉时对应划分出多级节点，在汇流节点以上，根据流域下垫面属性及雨量站控制划分有限元，各有限元通过河网组成流域有限元分布。
2.根据权利要求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，利用三水源计算产流且利用线性水库计算坡面汇流，每个有限元具有单一的下垫面属性，有限元生成的有限元模型有着独立的模型参数，其中：
水面有限元蒸散发折算系数K取0.8-0.9，流域蓄水容量分布曲线指数B为1，深层散发系数C为0，流域平均张力水容量WM为0mm，上层张力水容量WUM为0mm，下层张力水容量WLM为0mm，不透水面积比例为1，流域平均自由水容量SM为0mm，流域自由水容量分布曲线指数为1；
丘陵有限元蒸散发折算系数K取0.8-0.9，流域蓄水容量分布曲线指数B为0.33，深层散发系数C为0.15，流域平均张力水容量WM取160-200mm，上层张力水容量WUM取15-25mm，下层张力水容量WLM取60-100mm，不透水面积比例为0.01，流域平均自由水容量SM为40-70mm，流域自由水容量分布曲线指数为1；
山地有限元蒸散发折算系数K取0.8-0.9，流域蓄水容量分布曲线指数B为0.33，深层散发系数C为0.15，流域平均张力水容量WM取180-220mm，上层张力水容量WUM取15-35mm，下层张力水容量WLM取60-100mm，不透水面积比例为0.01，流域平均自由水容量SM为40-60mm，流域自由水容量分布曲线指数为1；
平原有限元蒸散发折算系数K取0.8-0.9，流域蓄水容量分布曲线指数B为0.33，深层散发系数C为0.15，流域平均张力水容量WM取140-180mm，上层张力水容量WUM取15-25mm，下层张力水容量WLM取60-100mm，不透水面积比例为0.01，流域平均自由水容量SM为45-75mm，流域自由水容量分布曲线指数为1；
农田有限元蒸散发折算系数K取0.8-0.9，流域蓄水容量分布曲线指数B为0.33，深层散发系数C为0.15，流域平均张力水容量WM取190-230mm，上层张力水容量WUM取30-50mm，下层张力水容量WLM取80-120mm，不透水面积比例为0.01，流域平均自由水容量SM为55-85mm，流域自由水容量分布曲线指数为1；
森林有限元蒸散发折算系数K取0.8-0.9，流域蓄水容量分布曲线指数B为0.33，深层散发系数C为0.15，流域平均张力水容量WM取180-220mm，上层张力水容量WUM取20-40mm，下层张力水容量WLM取60-100mm，不透水面积比例为0.01，流域平均自由水容量SM为50-70mm，流域自由水容量分布曲线指数为1；
草地有限元蒸散发折算系数K取0.8-0.9，流域蓄水容量分布曲线指数B为0.33，深层散发系数C为0.15，流域平均张力水容量WM取180-220mm，上层张力水容量WUM取20-40mm，下层张力水容量WLM取60-100mm，不透水面积比例为0.01，流域平均自由水容量SM为45-75mm，流域自由水容量分布曲线指数为1；
城镇有限元蒸散发折算系数K取0.8-0.9，流域蓄水容量分布曲线指数B为0.33，深层散发系数C为0.15，流域平均张力水容量WM取120-180mm，上层张力水容量WUM取10-20mm，下层张力水容量WLM取55-85mm，不透水面积比例为0.4-0.6，流域平均自由水容量SM为35-55mm，流域自由水容量分布曲线指数为1。
3.根据权利要求2所述有限元控制的分布式水文模型的建模方法，所述有限元模型通过河网汇流生成有限元控制的分布式水文模型，模型输出成果为流域出口的径流过程及水位过程，河网汇流利用线性水库或马斯京干法调节演算。
4.根据权利要求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变动的，当流域下垫面的属性发生变化或流域的降水站控制密度发生改变时，可调整流域的有限元分布，有限元控制的分布式水文模型则根据新的流域内的有限元分布进行组合，其中，各类有限元模型的参数不变，调整后的有限元面积集合不变。
5.根据权利要求2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参数是可变动的，当改变了下垫面的持水能力时，通过地下水埋深与蓄水容量关系对应修正有限元模型的蓄水容量参数。
6.根据权利要求4所述有限元控制的分布式水文模型的建模方法，所述有限元分布的调整是通过有限元分布控制开关实现的。
7.根据权利要求5所述有限元控制的分布式水文模型的建模方法，所述的有限元模型参数的变动是通过有限元模型控制开关实现的。
8.根据权利要求5所述有限元控制的分布式水文模型的建模方法，所述地下水埋深与蓄水容量的关系是通过流域内有限元的地下水代表站与不同地下水埋深的有限元模型建立的，且每个有限元模型都具有对应的蓄水容量参数，地下水埋深与蓄水容量关系参数如下:
平原地区流域平均张力水容量WM为150mm时，地下水埋深1.4-2m；WM为160mm时，地下水埋深2-2.5m；WM为180mm时，地下水埋深2.5-6m；WM为200mm时，地下水埋深6-8m；WM大于200mm时，地下水埋深大于8m；
山丘及高地流域平均张力水容量WM为150mm时，地下水埋深7-8.5m；WM为160mm时，地下水埋深8.5-10m；WM为180mm时，地下水埋深10-14m；WM为200mm时，地下水埋深14-18m；WM大于200mm时，地下水埋深大于18m。
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| CN102034001A (zh) * | 2010-12-16 | 2011-04-27 | 南京大学 | 一种以栅格为模拟单元的分布式水文模型设计方法 |
| CN102156779A (zh) * | 2011-04-13 | 2011-08-17 | 北京石油化工学院 | 地下水流仿真与预测分析方法 |
| CN104142812A (zh) * | 2014-07-30 | 2014-11-12 | 中国水利水电科学研究院 | 一种分布式水文模型并行运算方法 |
-
2015
- 2015-09-17 CN CN201510593316.0A patent/CN105160121B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102034001A (zh) * | 2010-12-16 | 2011-04-27 | 南京大学 | 一种以栅格为模拟单元的分布式水文模型设计方法 |
| CN102156779A (zh) * | 2011-04-13 | 2011-08-17 | 北京石油化工学院 | 地下水流仿真与预测分析方法 |
| CN104142812A (zh) * | 2014-07-30 | 2014-11-12 | 中国水利水电科学研究院 | 一种分布式水文模型并行运算方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| "基于物理基础与基于栅格的分布式水文模型研究";李致家等;《水力发电学报》;20120430;第31卷(第2期);第5-13,32页 * |
| "基于物理基础的分布式水文模型应用研究";晁丽君等;《水力发电》;20130930;第39卷(第9期);第13-16,34页 * |
| "沁河流域分布式水文模型不确定性的初步研究";倪广恒等;《2004年全国水文学术讨论会》;20041201;正文第289-294页第1节 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105160121A (zh) | 2015-12-16 |
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