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专利号: 2022101806861
申请人: 金陵科技学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-09-09
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种面向多水塘蓄满溢流的流域水文模拟方法,其特征在于,包括如下步骤:

S1、获取流域内的基础数据和水文气象数据,对原始HSPF模型的参数进行初步率定;

S2、构建水塘水量平衡方程,如下:

其中ΔHpond为水塘蓄水量变化值,P为塘面接收降雨量,E为水面蒸发速率,Hpump为抽水用水消耗量;Hcatch为水塘自身汇水区的入流流量;Hl,in_cover为水塘通过第l个入流暗管增加汇水面积而获得的入流流量,l=1,2,…,L,L为水塘入流暗管的总数量;Hm,out_cover为水塘通过第m个出流暗管出流的流量,m=1,2,…,M,M为水塘出流暗管的总数量;Hn,in_open为水塘通过第n个沟渠而获得的入流流量,n=1,2,…,N,N为水塘入流沟渠的总数量;Hground为浅层地下水渗透补给量;Hout_open为水塘通过沟渠实现的出流总流量;R为流入河道的水量比例,rk为通过沟渠流入下游第k个水塘的水量比例,k=1,2,…,K,K为由沟渠连通的下游水塘数量;e为是蒸发、侧渗损失量;

S3、以完成初步率定的原始HSPF模型为基础,将HSPF中水塘水量平衡方程表征的水体模拟模块RCHRES与陆面水量平衡模块PWATER集成,形成初始流域水文模型,具体步骤为:S31、将子流域、土地利用、土壤类型数据、水塘和所述水塘汇水区范围,作为HSPF默认陆面单元划分的输入条件,对流域进行空间离散化;

S32、对流域内每个水塘建立入流暗管、出流暗管、沟渠的连接关系;

S33、对各个子流域内水塘汇水区以外的范围,和整个流域的水文过程采用默认的HSPF‑PWATER模拟;对子流域内部的水塘采用水塘水量平衡方程表征的水体模拟模块RCHRES模拟;

S4、对初始流域水文模型中的参数R和rk进行率定,得到最终流域水文模型,进行面向多水塘蓄满溢流的流域水文模拟。

2.根据权利要求1所述的流域水文模拟方法,其特征在于,所述步骤S4采用非支配排序遗传算法,从源头子流域开始,依次求解流域范围内上游至下游各水塘流入河道的水量比例R和通过沟渠流入下游第k个水塘的水量比例rk;

所述非支配排序遗传算法中种群规模为Sum;通过野外调查估计R的最大值Rmax和最小值Rmin,估计rk的最大值rkmax和最小值rkmin;根据如下条件确定个体初始值分布范围:Rmin≤R≤Rmax,rkmin≤rk≤rkmax且

在个体初始值分布范围内以均匀分布选取Sum个点,以第s个点的坐标 作为种群中第s个个体的初始取值,s=0,1,…,Sum‑1;

所述非支配排序遗传算法中个体适应度F为:

其中fwatershed为流域出口流量的均方根误差,fpond为水塘水位的均方根误差,fstream为常年输水沟渠流量的均方根误差; 和 分别为第q次实测与模拟的流域出口流量,Q为流域流量的总观测与模拟次数; 和 分别为流域内第a个水塘第b次实测与模拟水位,A为流域内的水塘总数,B为水位的总观测与模拟次数; 和 分别为流域内第c条沟渠第d次实测与模拟流量,C为流域内沟渠总条数,D为沟渠流量的总观测与模拟次数;

种群个体间支配与非支配排序按照从源头至下游的原则排序,每次迭代在种群个体初始值的基础上,以百分比ε0为幅度调整个体取值。

3.根据权利要求2所述的流域水文模拟方法,其特征在于,在对初始流域水文模型中的参数R和rk进行率定前对流域中的子流域构建蓄满溢流优先级,所述蓄满溢流优先级为:第一级:若子流域内存在沟渠连通的多个水塘以及河道,则断面和坡降大于第一预设坡降阈值的路径,变异操作中概率事件的概率为ε1;

第二级:沟渠水量输送跨越至下级子流域时,则断面和坡降大于第二预设坡降阈值的路径,变异操作中概率事件的概率为ε2;

第三级:沟渠水量输送至同级相邻子流域时,则断面和坡降大于第三预设坡降阈值的路径,变异操作中概率事件的概率为ε3;

第四级:沟渠水量输送至下级相邻子流域时,则断面和坡降大于第四预设坡降阈值的路径,变异操作中概率事件的概率为ε4;

第五级:沟渠水量输送至下级相邻子流域的上级子流域时,则断面和坡降大于第五预设坡降阈值的路径,变异操作中概率事件的概率为ε5;

其中0<ε5<ε4<ε3<ε2<ε1<1,且

在采用非支配排序遗传算法对初始流域水文模型中的参数R和rk进行率定时,按水塘和水塘流入的河道、通过沟渠流入的下游水塘的位置关系、断面和坡降值确定蓄满溢流优先级以及变异操作中概率事件的概率;每次迭代过程中以蓄满溢流优先级所对应的变异操作中概率事件的概率来判断是否命中大幅度调整个体取值,如果命中,则对应的个体以百分比ε′0为幅度调整取值,ε′0>ε0;以此引入新的变量解,产生下一代种群。

4.根据权利要求3所述的流域水文模拟方法,其特征在于,所述蓄满溢流优先级采用开源工具箱RDFLib以本体与规则的形式化表达来实现,所述本体包括:流域、子流域、水塘、河道,以及这些要素之间的包含、静态的沟渠连通两种关系;所述规则表示所述蓄满溢流优先级的设置规则。

5.根据权利要求3所述的流域水文模拟方法,其特征在于,所述蓄满溢流优先级的构建步骤为:S41、将河道嵌入DEM汇流分析,得到各子流域划分的Strahler分级;建立描述各子流域拓扑关系的倒置二叉树树状结构,所述倒置二叉树树状结构中节点为子流域,其中根节点位于最下层,表示流域出口的子流域,层级最高的节点为最上游的子流域,而其下级子流域作为父节点;节点之间的连线表示子流域的上下游关系;

S42、蓄满溢流优先级的第一级为所述树状结构中节点内部通过沟渠连通的水塘以及河道输送水量;

第二级为所述树状结构中一个节点向其父节点输送水量;

第三级为所述树状结构中一个节点向其兄弟节点输送水量;

第四级为所述树状结构中一个节点向其父节点的兄弟节点输送水量;

第五级为所述树状结构中一个节点向其堂兄弟节点输送水量。

6.根据权利要求1所述的流域水文模拟方法,其特征在于,所述水塘通过第n个沟渠而获得的入流流量Hn,in_open,为上游水塘通过第n个沟渠流出的水量与所述第n个沟渠水量的改变量之和;

所述沟渠水量的改变量为沟渠连通路径上的水量增加量或减少量;所述水量增加量包括农田排水、退水的水量之和,值为正;所述水量减少量包括取水灌溉的水量之和,值为负。

7.根据权利要求1所述的流域水文模拟方法,其特征在于,所述步骤S4中对初始流域水文模型中的参数R和rk进行率定后还包括对率定后的模型进行评价,如评价结果不满足精度要求,采用步骤S1获取的数据再次优化原始HSPF模型中的参数,以优化原始HSPF模型的表现,并进一步根据不同等级降雨与干旱过程,对初始流域水文模型中的参数R和rk进行率定、优化。

8.根据权利要求7所述的流域水文模拟方法,其特征在于,所述评价包括流域出口流量2

和典型沟渠的水量输送两种物理量;采用的评价指标为决定系数R、效率系数Ens和百分比偏差PBIAS。

9.根据权利要求1所述的流域水文模拟方法,其特征在于,还包括:

S5、从上游水塘开始,逐步向下游水塘,推演计算每个水塘蓄水量、蓄满溢流水量的动态变化;具体包括:根据水塘水量平衡方程得到水塘蓄水量变化值ΔHpond、水塘通过沟渠实现的出流总流量Hout_open、向下游一个或多个水塘、河道的实际输送水量;逐步向下游各个水塘推演计算;

最终,得到流域内各个水塘通过沟渠分别向下游水塘、河道的输送水量,形成水塘蓄满溢流的动态过程。