基于misohrm模型的非一致性洪水頻率計(jì)算方法及應(yīng)用i原理與方法

1、Journal of Water Resources Research 水資源研究 水資源研究, 2012, 1, 217-221 doi:10.4236/jwrr.2012.14030 Published Online August 2012 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html) Algorithm and Application of Inconsistent Flood Fr

2、equency Based on the MISOHRM Model (I): Principles and Algorithm* Ping Xie, Bin Xu#, Yu Liu, Xi’nan Li State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan Email: pxie@wh

3、u.edu.cn, #taibaidugu@163.com Received: May 2nd, 2012; revised: May 17th, 2012; accepted: May 29th, 2012 Abstract: With the higher and harder levees and no lakes to storage the flood at the middle stream of Xijiang Rive

4、r, the encounter and return to main channel of flood were strengthened and the frequency and intensity of flood were changed, and the consistency was affected. The Multiple Input Single Output Hydrological Rele- vant Mo

5、del (MISOHRM) was used to analyze the affection of multiple affecters upstream to the certain hy- drological station downstream, with the principles of inconsistent hydrological frequency calculation, the al- gorithm of

6、inconsistent flood series frequency calculation was put forward. This algorithm could be useful to the construction of levees and the formulation of flood control planning in the changing environment nowa- days. Keyword

7、s: Hydrology; MISOHRM; Inconsistency; Frequency Analysis; Xijiang River 基于 基于MISOHRM模型的非一致性洪水頻率計(jì)算方法及應(yīng) 用模型的非一致性洪水頻率計(jì)算方法及應(yīng) 用 I：原理與方法 ：原理與方法* 謝 平，許 平，許 斌#，劉 ，劉 宇，李析男 宇，李析男 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 Email: pxie@whu.edu.cn

8、, #taibaidugu@163.com 收稿日期：2012 年 5 月 2 日；修回日期：2012 年 5 月 17 日；錄用日期：2012 年 5 月 29 日 摘 要： 要：西江中游由于缺乏湖泊對(duì)洪水的調(diào)蓄，加之防洪堤不斷地加高加固引起洪水歸槽，加強(qiáng)了洪水遭遇效應(yīng)，導(dǎo)致洪水發(fā)生的頻率和強(qiáng)度發(fā)生變化，其一致性受到影響。多輸入單輸出水文相關(guān)模型(MISOHRM)可以較好地分析某一站點(diǎn)的水文要素受到其上游多個(gè)站點(diǎn)因素的影響情況， 結(jié)

9、合非一致性水文頻率計(jì)算原理，提出適用于非一致性洪水序列的頻率計(jì)算方法，該方法將對(duì)變化環(huán)境下的堤防建設(shè)和流域防洪減災(zāi)規(guī)劃制定，具有一定的參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞： 關(guān)鍵詞：水文；多輸入單輸出；非一致性；頻率計(jì)算；西江 1. 引言 引言 洪水一直以來都是影響人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)生活和國家事務(wù)的重大自然災(zāi)害之一。千百年來，人們總結(jié)了無數(shù)的經(jīng)驗(yàn)來抵御洪水的侵害。除了加強(qiáng)流域管理等非工程措施外，修建提防、水庫等各種水利工程，仍是目前對(duì)洪水進(jìn)行調(diào)

10、蓄的主要手段。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，防洪工程* 基 金 項(xiàng) 目 ： 國 家 自 然 科 學(xué) 基 金 項(xiàng) 目 (50979075 ； 51179131 ； 51190094；50839005)。 #通訊作者。 Copyright © 2012 Hanspub 217 基于 MISOHRM 模型的非一致性洪水頻率計(jì)算方法及應(yīng)用 I：原理與方法 發(fā)展，兩岸防洪堤逐年興建并加高加固，致使遇一般洪水或較大洪水時(shí)原有的蓄滯洪

11、水功能逐步喪失。西江段洪泛面積只有 200 km2 左右，洪水歸槽下泄對(duì)水文情勢(shì)影響不大；而潯江段洪泛面積達(dá) 1000 km2，洪水歸槽下泄和新的洪水遭遇情勢(shì)，導(dǎo)致洪峰增大的非常明顯[10]。 3. 研究方法 研究方法 3.1. 多輸入單輸出水文相關(guān)模型 多輸入單輸出水文相關(guān)模型 在水文相關(guān)分析中，對(duì)于某一站點(diǎn)的水文要素常常是受其上游多個(gè)站點(diǎn)因素的影響。相關(guān)模型是水文相關(guān)分析常用的一種模型，其主要是通過建立輸出因子 y 與各輸入因子 x

12、i 的相關(guān)關(guān)系來研究隨機(jī)變量 yi 和xi 間相互關(guān)系，同時(shí)分析輸出因子與多個(gè)輸入因子相互關(guān)系的密切程度并進(jìn)行未來預(yù)測。在相關(guān)模型中，非一致性水文序列在分析計(jì)算時(shí)，將導(dǎo)致分析出來的水文規(guī)律失真，引起防洪供水決策及判斷失誤，危及區(qū)域水資源安全，因此建立相關(guān)模型時(shí)，要求水文序列具有一致性。 建立相關(guān)模型之前，對(duì)建模因子時(shí)間序列的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)是保證模型準(zhǔn)確性的第一步，若序列出現(xiàn)了非一致性，則需要通過一定的手段進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)于滿足一致性要求的

13、輸出因子 y 與各輸入因子 xi，建立線性相關(guān)關(guān)系，其方程如式(1)所示： 0 1ni i output i y x ? ?? ? ? ?(1) 式中：youtput 為輸出因子，n 為模型輸入因子個(gè)數(shù)，βi、β0 為未知參數(shù)。 水文相關(guān)模型參數(shù)具有一定的統(tǒng)計(jì)意義，參數(shù)大小能夠反映輸入因子與輸出因子的相關(guān)程度。模型參數(shù)的求解方法在很大程度上影響著模型的模擬精度。本文采用 SCE-UA(Shuffle Complex Evolution)

14、全局優(yōu)化算法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。 SCE-UA算法是Duan[11,12]等人提出的一種結(jié)合了單純形法、隨機(jī)搜索、生物競爭進(jìn)化以及混合分區(qū)等方法優(yōu)點(diǎn)的全局優(yōu)化算法，其特點(diǎn)是收斂速度快、穩(wěn)定性好，可以一致、有效、快速地搜索到水文模型參數(shù)的全局最優(yōu)解，并能解決高維參數(shù)的全局優(yōu)化問題，在水文模型的參數(shù)優(yōu)選中得到了廣泛的應(yīng)用。SCE-UA 的主要步驟如下： 步驟 1 初始化。選擇 p ≥ 1 和 m ≥ n + 1。此處 p是復(fù)雜形的個(gè)數(shù)，m

15、是每一個(gè)復(fù)雜形的點(diǎn)數(shù)，計(jì)算樣本數(shù) s = p × m。 步驟 2 產(chǎn)生樣本。在可行空間 采取 s 個(gè)點(diǎn) x1、x2、…、xs。計(jì)算在點(diǎn) xi 處的函數(shù)值 fi。在缺少前驗(yàn)信息的條件下，采用均勻采樣分布。 n R ? ?步驟 3 對(duì)點(diǎn)進(jìn)行排序。 將 s 個(gè)點(diǎn)以升序進(jìn)行排列，將它們存貯到數(shù)組中： ，i = 1 代表目標(biāo)最小的函數(shù)點(diǎn)。 ? ? , , 1 , i i D x f i s ? ? ? ,步驟 4 復(fù)雜形劃分。將 D 劃

16、分為 p 個(gè)復(fù)雜形A1，…，Ap，每一個(gè)包括 m 個(gè)點(diǎn)，使得 ? ? ? ? ? ? , 1 1 , , , 1 k k k k j j j k p j k p j , , x f x x f j m A ? ? ? ? ? ? ? ? 。 步驟 5 根據(jù)競爭復(fù)雜形演化算法對(duì)每一個(gè)復(fù)雜形進(jìn)行演化。 步驟 6 混合復(fù)雜形。將 A1，…，Ap 代替到 D 中，以使 ? ? , 1, , k D A k p ? ? ? ，對(duì) D 按目標(biāo)函數(shù)的

17、升序進(jìn)行排列。 步驟 7 收斂性判斷。如果滿足手鏈條件則停止，否則返回步驟 3。 當(dāng)模型構(gòu)建完成后，需要對(duì)模型的模擬精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，一般采用模型 Nash 效率系數(shù) R2以及相對(duì)誤差兩個(gè)指標(biāo)，相對(duì)誤差計(jì)算公式如下： i c E Q Q Q ? ? it(2) 式中：E 為相對(duì)誤差；Qi 為隨機(jī)性成分原始值；Qc 為隨機(jī)性成分模擬值。 3.2. 非一致性洪水頻率計(jì)算方法 非一致性洪水頻率計(jì)算方法 水文序列一般是由兩種或兩種以上成分合成的序列

18、。 假定水文序列 Xt 的各個(gè)成分滿足線性疊加特性[13](即加法模型)，Xt 可按式(3)表示。 t t t X Y P S ? ? ?(3) 式中： Yt 為確定性的非周期成分(包括趨勢(shì)、 跳躍等暫態(tài)成分以及近似周期成分等)； Pt 為確定性的周期成分(包括簡單的或復(fù)合周期的成分等)；St 為隨機(jī)成分(包括平穩(wěn)的或非平穩(wěn)的隨機(jī)成分)。 根據(jù)謝平等[9]提出的變化環(huán)境下非一致性年徑流序列的水文頻率計(jì)算原理，本文針對(duì)洪水序列提出如下假設(shè)