一种基于参数自动寻优的基流分割方法技术

本发明专利技术公开了一种基于参数自动寻优的基流分割方法，包括基于流域平均退水时长和计算长系列径流过程退水时长的退水曲线公式，建立第一目标函数；利用优化算法对第一目标函数寻优，确定退水曲线公式中的最优参数值，利用参数最优值获取长系列径流过程退水时长；计算最大基流指数；基于最大基流指数利用ECkhardt数字滤波法建立第二目标函数，并利用优化算法确定第二目标函数的最小值，进而确定ECkhardt数字滤波法中的最优退水系数；基于最大基流指数以及最优退水系数，利用ECkhardt数字滤波法进行基流分割，获取逐时段的基流过程。优点是：克服现有基流分割方法参数选取主观性强造成的水文预报误差大的问题，提供相对精确的基流过程，从而能够提高水文预报的精度。从而能够提高水文预报的精度。从而能够提高水文预报的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于参数自动寻优的基流分割方法


[0001]本专利技术涉及基流分割
，尤其涉及一种基于参数自动寻优的基流分割方法。

技术介绍

[0002]基流是地下水补给河川径流的基本流量，也称深层地下径流，是枯水期河川径流的主要补给来源，对流域水资源规划与河流生态保护具有重要作用。基流分割是水文预报过程中的一个重要环节，其结果直接影响流域产汇流计算及水文模拟与预报的精度。因此，基流分割研究受到国内外学者的广泛关注。
[0003]目前，基流分割的常见方法主要包括图解法、数字滤波法等方法。
[0004]图解法通常包括直线分割法、斜线分割法等，是依据流量过程线的几何特征，并结合水文工作者的经验来确定基流分割的位置。直线分割法以年内枯季月均流量的最小平均值为基流阈值，水平切割流量过程线，该方法的关键是确定枯水期月份数，其结果与历史资料长度有较大关系，具有一定的不确定性；斜线分割法则是需要人工判断洪水起涨点与退水拐点，将二者连线以下作为基流，该方法的关键则是需要确定退水曲线，其精度同样受历史场次退水资料长度影响。总体来看，图解法简单、实用，但主观性强、随意性大，且难以进行长系列、多批次的基流分割，无法满足水文预报业务应用的需求。
[0005]数字滤波法是将地表径流量与基流量作为高频和低频信号，通过信号分析手段将高频和低频信号分离，从而得到基流过程。数字滤波法易操作、可重复性强，可以快速、有效地获取长系列基流过程，然而，该方法中的滤波参数通常根据经验取为固定值，忽略了研究区地形地貌等的不同所造成的差异，因此，其计算结果也存在一定的偏差，进而为后续的水文预报带来一定误差。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于参数自动寻优的基流分割方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]一种基于参数自动寻优的基流分割方法，包括如下步骤，
[0009]S1、基于流域平均退水时长和计算长系列径流过程退水时长的退水曲线公式，建立第一目标函数；利用优化算法对第一目标函数寻优，确定退水曲线公式中的最优参数值，并将参数最优值回代入退水曲线公式中，获取长系列径流过程退水时长；
[0010]S2、基于长系列径流过程退水时长，计算最大基流指数；
[0011]S3、基于最大基流指数利用ECkhardt数字滤波法建立第二目标函数，并利用优化算法确定第二目标函数的最小值，进而确定ECkhardt数字滤波法中的最优退水系数；
[0012]S4、基于最大基流指数以及最优退水系数，利用ECkhardt数字滤波法进行基流分割，获取逐时段的基流过程。
[0013]优选的，步骤S1具体包括如下内容，
[0014]S11、确定用于计算长系列径流过程退水时长的退水曲线公式如下，
[0015]N＝a
·
F
b
[0016]其中，N为退水持续时间；F为流域面积；a和b为经验参数；
[0017]S12、设定第一目标函数，并利用粒子群优化算法对第一目标函数寻优，获取最优参数值，即经验参数a和b的最优值；
[0018][0019]其中，g(N(a,b))为第一目标函数；i为迭代次数；N
i
为第i次迭代的退水时长；为流域平均退水时长；
[0020]S13、将最优的参数值回代入经验公式，进而确定长系列径流过程退水时长。
[0021]优选的，步骤S12中利用粒子群优化算法对第一目标函数寻优的具体过程为，确定经验参数a和b的取值范围，即粒子的位置与速度的取值范围；初始化粒子群，设定其规模、迭代次数、位置与速度；使用第一目标函数计算每个粒子的适应度值，根据适应度最小的值来确定粒子的个体最优位置和粒子群的全局最优位置，并更新每个粒子的速度和位置；反复迭代上述步骤，直至满足结束条件，得到最优位置的粒子，该最优位置的坐标即为退水曲线公式中经验参数a和b的最优值。
[0022]优选的，步骤S2具体为，设径流数据系列长度为T，则按照退水时长N，将其分割为T/N个不重叠的时段，统计每个时段内的最小流量与最大流量，并计算最小流量与最大流量的比值，取T/N个比值中的最大值作为最大基流指数BFI
max
。
[0023]优选的，步骤S3具体包括如下内容，
[0024]S31、采用ECkhardt数字滤波法进行基流分割计算，计算公式为，
[0025][0026]式中，q
j
和q
j
‑1分别为第j和j
‑
1时刻的基流；Q
j
为j时刻的总径流；k为退水系数，取值为0.9～1；BFI
max
为最大基流指数；
[0027]S32、在[0.9,1]取值范围内，以t为步长遍历生成1/(10t)组k值样本，设定第二目标函数，并利用遍历法计算各组k值下的第二目标函数，当第二目标函数最小时对应的k值即为k的最优值；
[0028]h(q(k))＝(q
j
‑
q
j
‑1)2[0029]其中，h(q(k))为第二目标函数。
[0030]优选的，步骤S1之前需要获取流域平均退水时长，获取的具体过程为，
[0031]获取基础数据，包括水文站逐小时径流数据、流域平均退水曲线、水文站控制流域面积；
[0032]将各场次洪水过程线的退水部分与流域平均退水曲线重合，取重合点至各场次洪水洪峰流量出现时刻的距离为典型场次洪水的退水时长，取典型场次洪水的退水时长的平均值为流域平均退水时长。
[0033]优选的，在获取流域平均退水时长的过程中，
[0034]若要进行日尺度基流分割，则需要将水文站小时尺度径流数据统计为日尺度数据；
[0035]若无法获取流域平均退水曲线，则需要从长系列径流数据中筛选若干典型场次洪水过程线，将各场次洪水过程线沿着时间轴平移，使退水过程重合，并画一条光滑的下包线作为流域平均退水曲线；
[0036]若无法获取水文站控制流域面积，则需获取水文站经纬度坐标，基于ArcGIS的水文分析工具，计算出水文站控制流域面积。
[0037]本专利技术的有益效果是：1、优化了ECkhardt数字滤波法中的退水系数k与最大基流指数BFImax两个关键参数，提高了基流的计算精度。相较于现行通用的ECkhardt数字滤波法，引入了退水时长经验公式来计算最大基流指数BFImax，并通过粒子群算法优化了退水时长经验公式中两个参数的取值，提高了计算精度，从而能够考虑不同研究区下垫面的空间异质性，参数选择具有全局最优性。2、针对退水系数k通常取定值0.95这一问题，在0.9～1范围内采用遍历法优化其取值，进一步提高了基流分割的准确性与合理性。所提出的方法在保证计算效率的基础上，可有效避免参数选取的主观性与随意性，从而提升水文预报的精度。
附图说明
[0038]图1是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于参数自动寻优的基流分割方法，其特征在于：包括如下步骤，S1、基于流域平均退水时长和计算长系列径流过程退水时长的退水曲线公式，建立第一目标函数；利用优化算法对第一目标函数寻优，确定退水曲线公式中的最优参数值，并将参数最优值回代入退水曲线公式中，获取长系列径流过程退水时长；S2、基于长系列径流过程退水时长，计算最大基流指数；S3、基于最大基流指数利用ECkhardt数字滤波法建立第二目标函数，并利用优化算法确定第二目标函数的最小值，进而确定ECkhardt数字滤波法中的最优退水系数；S4、基于最大基流指数以及最优退水系数，利用ECkhardt数字滤波法进行基流分割，获取逐时段的基流过程。2.根据权利要求1所述的基于参数自动寻优的基流分割方法，其特征在于：步骤S1具体包括如下内容，S11、确定用于计算长系列径流过程退水时长的退水曲线公式如下，N＝a
·
F
b
其中，N为退水持续时间；F为流域面积；a和b为经验参数；S12、设定第一目标函数，并利用粒子群优化算法对第一目标函数寻优，获取最优参数值，即经验参数a和b的最优值；其中，g(N(a,b))为第一目标函数；i为迭代次数；N
i
为第i次迭代的退水时长；为流域平均退水时长；S13、将最优的参数值回代入经验公式，进而确定长系列径流过程退水时长。3.根据权利要求2所述的基于参数自动寻优的基流分割方法，其特征在于：步骤S12中利用粒子群优化算法对第一目标函数寻优的具体过程为，确定经验参数a和b的取值范围，即粒子的位置与速度的取值范围；初始化粒子群，设定其规模、迭代次数、位置与速度；使用第一目标函数计算每个粒子的适应度值，根据适应度最小的值来确定粒子的个体最优位置和粒子群的全局最优位置，并更新每个粒子的速度和位置；反复迭代上述步骤，直至满足结束条件，得到最优位置的粒子，该最优位置的坐标即为退水曲线公式中经验参数a和b的最优值。4.根据权利要求1所述的基于参数自动寻优的基流分割方法，其特征在于：步骤S2具体为，设径流数据系列长度为T，则按照退水时长N，将其...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹述红，王贺佳，李红刚，董宁澎，木永军，杨明祥，管镇，刘春雨，彭杰，郝浩然，李江，王军，文凡，
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：