本发明涉及水文预报领域，尤其涉及一种流域水文模型参数校准方法。
背景技术：
水文模型在流域水资源调控及水库调度方面有着重要应用。传统的水文模型有新安江模型、陕北模型、大伙房模型、萨克拉门托模型等，一般被称为概念性流域水文模型。随着gis、rs技术的出现与发展，又出现了分布式流域水文模型如swat模型、she模型等。概念性水文模型结构简单，模型要求的基础数据容易获取，在工程中的应用更为广泛。概念性流域水文模型的参数是流域的概化平均值，无法实际测量到，必须通过校准才能获取。因此，模型参数的准确确定是流域水文模型应用成败的关键。目前，在流域水文模型参数校准方面的研究多集中在参数智能优选方法的研究方面，然而对于水文模型的校准，从基础数据准备到参数的优选确定，各个步骤都是十分关键的，但针对水文模型参数校准方面系统化方法尚未见报道。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种流域水文模型参数校准方法，提高水文预报精度。本发明以概念性水文模型为基础，提出了基础数据准备及处理、参数认知、参数优选等模型参数校准的流程。其中，参数优选时将模型参数区分为产、汇流参数两大类，并采用不同的目标函数分别进行优选，这是提高径流预报精度的关键所在，可为防洪调度提供参考。
本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：
一种流域水文模型参数校准方法，包括以下步骤：
第一步，基础数据准备及处理
模型参数校准所需的基础数据一般包括场次洪水、降雨及蒸发数据。蒸发数据用于计算土壤含水量，模型输入直接采用蒸发站实测数据即可，流域实际蒸发量通过引入的一个折算系数计算。降雨数据一般采用泰森多边形法转换为流域面平均雨量。场次洪水的处理需要按场次洪水的降雨中心位置、洪水量级依次进行分类，以供参数优选时选择使用。若收集的场次洪水数量有限，为确定模型参数不失代表性，不宜分组过多，这种情况下，可采用分散性模型，将流域划分为多个子流域，以减小降雨空间差异的影响。
第二步，模型参数认知
模型参数认知要求明确模型每个参数的物理意义，对参数进行分类。模型参数一般区分为产流参数和汇流参数两大类，应分别进行校准。此外，在参数正式校准之前，还应进行参数敏感性分析，需明确每个参数值的取值变化对模拟结果的影响，参数校准过程中需对模拟结果影响大的参数进行格外关注。
第三步，参数优选
参数优选宜区分产流参数和汇流参数依次进行优选。首先进行产流参数的优选，这是最基本的水量平衡校核，采用日模型，模拟时间宜足够长。当产流参数优选结果满足误差要求时，再进行汇流参数的优选，汇流参数优选是寻求模拟洪水过程与实测洪水过程的形状尽量一致，模拟时间包括一个完整的洪水起涨、消退过程即可。
模型参数优选应采用自动优化与手动优化相结合的方式进行。先假定一个参数初值并限定参数的取值区间，采用自动优化算法进行优选，自动优选过程结束后，检查结果合理性，对不合理的进行调整，然后试算或重新进行优选，如此反复，确定模型参数值。自动优化算法有很多，包括遗传算法、sce-ua算法、粒子群算法等。对于概念性水文模型，结构简单，参数数量不多，不要求十分复杂的优化算法，遗传算法更为简单实用。
第四步，目标函数
使用自动优化算法时，目标函数的选择对优选结果至关重要，水文过程不同的水文特性需要用不同的目标函数来评价。显然，产流参数优选和汇流参数优选期望达到的目标是不一样的，这就要求在产、汇流优选时需选择不同的目标函数，然而现有的研究很多都忽略了这一点。
产流参数优选的目标是尽量使模拟流量过程与实测流量过程保持水量平衡，可采用式(1)所示的水量平衡误差wbe作为目标函数。
在进行汇流参数优化时，应考虑使模拟流量过程与实测流量过程形状尽可能一致，一般采用式(2)所示的确定性系数dc作为目标函数。若洪水预报要求对洪峰流量、峰现时间有特别的关注，此时可选择式(3)所示的均方误差函数rmse作为目标函数。系列中的特大值对rmse有重要影响，选其作为目标函数时，场次洪水间的洪峰不宜相差过大，否则，洪峰流量较小的模拟效果会比较差。总之，在进行模型参数优选时，可自行选择或定义能有效达到期望目标的目标函数。
以上各式中：y0(i)为实测值；yc(i)为预测值；
第五步，合理性检查
参数优选结束后，还应根据参数值的物理意义，检查是否有不合理现象，若有，应作相应调整，若调整后模拟结果不能满足精度要求，则需重新进行优选。由于在参数优选之前已经对各参数的合理的取值范围进行了限定，正常情况下优选结束后不会存在个体参数取值不合理现象。参数合理性检查一般针对以下两个方面进行：
1)参数间的相关关系
对于与其他参数有一定关联性的参数，应检查其取值的合理性。例如参数甲和参数乙的取值区间相同，但理论上参数甲的值应大于参数乙，但在参数优选过程中，难以对其大小关系进行限定，此时就需要对其优选后的取值合理性进行格外关注。
2)参数值的空间差异
当采用分散性模型时，需要将研究区划分为多个子流域，此时还要检查参数值的空间差异是否合理。对于汇流参数，子流域间参数值的空间差异相对较大，对于产流参数，空间差异一般不太明显。
一种流域水文模型参数校准方法，其特征是聚焦概念性模型参数校准这个关键问题，将其过程划分为：基础数据准备及处理、参数认知、参数优选三个步骤。在基础数据准备及处理工作中，对于集总式水文模型，需特别注重对场次洪水的分析，应按降雨中心位置、洪水量级的不同对其进行分类，供参数优选时选择使用。参数认知的目的是要明确每个参数的取值变化对水文过程的影响，这是模型应用最基本的。参数优选时将参数区分为产流参数和汇流参数进行分步优选，每个优选阶段需根据期望的目标选择适当的目标函数，这样处理可保障优选结果在满足洪水过程相似程度的同时满足水量平衡，提高优选效率。
本发明的有益效果是：
针对概念性水文模型参数校准问题，提供了一种系统的参数校准流程和方法，提出了校准各步骤的关键性问题，对揭示流域产、汇流机制，提高洪水预报精度具有十分重要的意义。
附图说明
图1是新安江模型计算流程图；
图2是流域水文模型参数校准流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。
下面结合附图描述本发明的具体实施例。
以基于新安江模型的云峰水库入库洪水预报模型的参数校准为实例，进一步阐明一种流域水文模型参数校准方法的全过程。新安江模型计算流程见图1。
图2是流域水文模型参数校准流程图。
云峰水库入库洪水预报的具体步骤如下：
第一步，基础数据准备与处理
云峰水库坝址以上流域面积17165km2。流域内雨量遥测站共计12个。采用泰森多边形法，计算各雨量站权重，进而计算流域平均降雨。蒸发数据采用云峰站水面蒸发日观测数据。收集了1995年～2016年间12场洪峰流量大于1800m3/s的日洪水过程，并选择7场降雨中心在下游的洪水用于模型校准。由于降雨中心相同的场次洪水数量有限，为确保参数代表性，不再进一步按照洪水量级进行分组率定。
第二步，参数认知
模型需要校准的参数有15个，严格来讲区分为蒸散发参数、产流参数、分水源参数及汇流参数。在参数校准过程中，蒸散发参数和产流参数主要影响水量平衡，归并为产流参数处理，共有7个；分水源参数和汇流参数主要影响洪水过程线的形状，归并为汇流参数处理，共有8个(包括两个瞬时单位线参数)，各类参数之间基本上是相互独立的，可以分别进行校准。各参数的物理意义及对水文过程的影响，以及敏感性如表1所示。模型中有7个参数是比较敏感的。关联性较密切的参数有：k与wum、kss与kkss、kg与kkg。由新安江模型原理可知，模型对壤中流和地下径流的计算公式的形式是完全一致的，两者属于并联关系，通过kss、kkss、kg、kkg这四个参数来控制其总产流量和消退过程，显然kg+kss应小于1。
表1模型参数
第三步，参数优选
优化算法采用遗传算法，首先优选产流参数，目标函数采用式(1)，每个参数假设一个初始值，并限定其可能的取值区间，当达到指定的优化步数或误差指标后，保持产流参数不变，目标函数切换为式(2)，并按相同的步骤优选汇流参数。所有参数优选结束后，检查参数值的合理性，并进一步缩小取值区间，重新进行优选或手动试算，如此反复多次，确定最终参数值。参数优选结果见表2，检查各参数取值均在合理范围内，再检查参数间相关关系：kg+kss＜1合理；kkss小于kkg，表示壤中流消退速度大于地下径流，符合实际情况。
表2参数优选结果
第四步，模拟精度分析
从模拟的结果来看(见表3)，在7场洪水模拟中，洪水径流总量和洪峰流量的模拟误差均小于20％，合格率为100％；峰现时间有2场洪水的误差为1个时段，其他与实际峰现时间吻合；对于确定性系数，共有6场大于0.75，其中有5场大于0.85，其均值为0.85。按照《水文情报预报规范》(gb/t22482-2008)的有关规定，新安江模型在云峰水库入库洪水的模拟结果达到了甲级标准，表明所采用的模型参数校准方法是有效的，模型参数取值能够反映云峰水库流域真实的降雨径流特性。
模型模拟精度高的一个重要原因是选择的用于校准的场次洪水均为降雨中心在下游的大洪水，前期土壤含水量较湿润，流域产流符合蓄满产流机制。若不对场次洪水进行遴选，采用不同降雨中心的12场洪水进行参数校准，其模拟精度就会大幅下降；从参数优选结果上看，模型产流参数变化不大，但汇流参数特别是单位线参数ke、ne的值变化很大。
表3模拟结果精度评价
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。