基于misohrm模型的非一致性洪水頻率計算方法及應用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算方法及應 用模型的非一致性洪水頻率計算方法及應 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 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，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洪水的調蓄，加之防洪堤不斷地加高加固引起洪水歸槽，加強了洪水遭遇效應，導致洪水發(fā)生的頻率和強度發(fā)生變化，其一致性受到影響。多輸入單輸出水文相關模型(MISOHRM)可以較好地分析某一站點的水文要素受到其上游多個站點因素的影響情況， 結

9、合非一致性水文頻率計算原理，提出適用于非一致性洪水序列的頻率計算方法，該方法將對變化環(huán)境下的堤防建設和流域防洪減災規(guī)劃制定，具有一定的參考價值。 關鍵詞： 關鍵詞：水文；多輸入單輸出；非一致性；頻率計算；西江 1. 引言 引言 洪水一直以來都是影響人類經濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境、社會生活和國家事務的重大自然災害之一。千百年來，人們總結了無數的經驗來抵御洪水的侵害。除了加強流域管理等非工程措施外，修建提防、水庫等各種水利工程，仍是目前對洪水進行調

10、蓄的主要手段。隨著經濟社會發(fā)展和科學技術的進步，防洪工程* 基 金 項 目 ： 國 家 自 然 科 學 基 金 項 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算方法及應用 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，洪水歸槽下泄對水文情勢影響不大；而潯江段洪泛面積達 1000 km2，洪水歸槽下泄和新的洪水遭遇情勢，導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模型 多輸入單輸出水文相關模型 在水文相關分析中，對于某一站點的水文要素常常是受其上游多個站點因素的影響。相關模型是水文相關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 的相關關系來研究隨機變量 yi 和xi 間相互關系，同時分析輸出因子與多個輸入因子相互關系的密切程度并進行未來預測。在相關模型中，非一致性水文序列在分析計算時，將導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，因此建立相關模型時，要求水文序列具有一致性。 建立相關模型之前，對建模因子時間序列的一致性進行檢驗是保證模型準確性的第一步，若序列出現了非一致性，則需要通過一定的手段進行預處理。對于滿足一致性要求的

13、輸出因子 y 與各輸入因子 xi，建立線性相關關系，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 為模型輸入因子個數，βi、β0 為未知參數。 水文相關模型參數具有一定的統計意義，參數大小能夠反映輸入因子與輸出因子的相關程度。模型參數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)化算法對模型參數進行計算。 SCE-UA算法是Duan[11,12]等人提出的一種結合了單純形法、隨機搜索、生物競爭進化以及混合分區(qū)等方法優(yōu)點的全局優(yōu)化算法，其特點是收斂速度快、穩(wěn)定性好，可以一致、有效、快速地搜索到水文模型參數的全局最優(yōu)解，并能解決高維參數的全局優(yōu)化問題，在水文模型的參數優(yōu)選中得到了廣泛的應用。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是復雜形的個數，m

15、是每一個復雜形的點數，計算樣本數 s = p × m。 步驟 2 產生樣本。在可行空間 采取 s 個點 x1、x2、…、xs。計算在點 xi 處的函數值 fi。在缺少前驗信息的條件下，采用均勻采樣分布。 n R ? ?步驟 3 對點進行排序。 將 s 個點以升序進行排列，將它們存貯到數組中： ，i = 1 代表目標最小的函數點。 ? ? , , 1 , i i D x f i s ? ? ? ,步驟 4 復雜形劃分。將 D 劃

16、分為 p 個復雜形A1，…，Ap，每一個包括 m 個點，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 根據競爭復雜形演化算法對每一個復雜形進行演化。 步驟 6 混合復雜形。將 A1，…，Ap 代替到 D 中，以使 ? ? , 1, , k D A k p ? ? ? ，對 D 按目標函數的

17、升序進行排列。 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。 當模型構建完成后，需要對模型的模擬精度進行評價，一般采用模型 Nash 效率系數 R2以及相對誤差兩個指標，相對誤差計算公式如下： i c E Q Q Q ? ? it(2) 式中：E 為相對誤差；Qi 為隨機性成分原始值；Qc 為隨機性成分模擬值。 3.2. 非一致性洪水頻率計算方法 非一致性洪水頻率計算方法 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、 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(包括簡單的或復合周期的成分等)；St 為隨機成分(包括平穩(wěn)的或非平穩(wěn)的隨機成分)。 根據謝平等[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算原理，本文針對洪水序列提出如下假設