一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法

本发明涉及水文模型，更具体地涉及一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法。

背景技术：

1、分布式水文模型是一种用于模拟流域内水文过程的数学模型，与传统的集中式水文模型不同，分布式水文模型将流域划分为许多小的单元，并在每个单元内考虑水文过程的动态变化，这些模型考虑了地表径流、地下径流、蒸发腾发、降水和下垫面特征等因素，并且能够在不同地点和不同时间尺度上对水文过程进行模拟和预测，分布式水文模型常用于洪水预测、水资源管理、土地利用规划以及生态环境保护等领域。

2、现有技术的不足之处：传统的子流域划分通常依赖于天然水系的分叉，即将流入同一河段的区域划分为一个子流域，然而，这种方法往往导致个别子流域面积过大，使得在模拟特定断面径流时只能采用上下游的断面模拟值代替，从而引起了模拟精度的降低，这种划分方式无法充分反映出地表水文过程的复杂性和多样性，需要更精细的划分方法来减小误差，划分结构复杂，对专业知识要求高，不利于用户进行使用，同时水文模型的核心模块需要处理大量数据，目前大部分划分采用串行计算方式，计算效率低，因此，需要设计一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，以解决上述背景技术中存在的问题。

2、本发明提供如下技术方案：一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，包括如下步骤：

3、s1，基于原始dem数据进行dem数据预处理，确定整个待划分流域的边界；

4、s2，基于现有的水文数据和arcgis软件来获取各个水文站的位置，建立包含多个水文站和总流域的上下游拓扑关系表，根据拓扑关系表构建拓扑结构模型；

5、s3，提取水文地貌要素并进行栅格划分，拟合栅格集群，提取数字河网；

6、s4，基于dem数据和流域分析的结果，计算每个水文站的集水面积，对比每个水文站，比较其对应的集水面积大小，将具有最大集水面积的水文站确定为流域分割点；

7、s5，基于s3流域分割点，将待划分流域划分为多个子流域，每个子流域都由一个或多个水文站及其上游区域组成；

8、s6，基于s4划分的多个子流域，将子流域按照集水面积由小到大排列，采用干支拓扑编码规则将子流域进行划分与编码，从最小的子流域到最大的子流域依次标识为子流域1到子流域m。

9、s7，基于栅格的集水面积进行分级，同级栅格可以并行计算，在并行计算的基础上，基于sce-ua全局最优随机搜索算法进行参数自动率定，对于每个子流域，根据不同级别的栅格数目和系统可利用的线程数，决定线程的分配，以实现并行计算；

10、s8，对划分的子流域进行验证，确保其符合实际地形和水文特征，并进行调整以确保划分的准确性和合理性。

11、优选的，所述s1中的输入数据包括地形数据、土地覆盖数据、土壤数据、实测降水和日径流数据、潜在蒸散发数据，所述s1中的dem数据预处理通过arcgis软件进行，包括计算栅格单元大小、将流域划分栅格并按顺序编列为一维序列号并输出、dem处理及生成河网相关计算、流域下垫面地貌特性、根系层土壤含水量计算。

12、优选的，所述s3包括以下步骤：

13、s3.1：向arcgis软件中导入实测水系数据、流域边界数据和s2中所述的拓扑结构模型数据，对dem数据进行修正，进行水系流向计算和流量累积计算；

14、s3.2：建立栅格单元，对流域进行划分；

15、s3.3：基于d8流向编码，根据地势选择流域水流的总体方位，采用最小高程法确定每个栅格的水流方向，将无流向栅格加入出水口备选集合，获得出水口备选集合。

16、优选的，所述s4中集水面积最大的水文站点成为流域分割点，所述流域分割点上游的所有地表径流将汇集到该点，所述流域分割点确定后通过地形地貌、水文特征以及实地考察进行验证。

17、优选的，所述s5中的多个子流域通过参数率定顺序，所述参数率定从最小的子流域开始，逐步到大的子流域，当模型率定到一个套合了其他子流域的水文站点时，已经完成率定的上游子流域无需重复，只需输出其率定流量过程到目标水文站的区间入流网点，使得参数率定只专注于区间栅格。

18、优选的，所述s7中的采用模型性能评价目标函数，同级栅格可以并行计算，所述模型性能评价目标函数包括简单最小二乘误差、时错最小误差、对数时错最小误差、平衡时错最小误差、异方差最大似然估计、时错异方差最大似然估计和nash效率系数与各水文过程水量平衡误差的几何平均。

19、优选的，所述并行计算还包括系统sce-ua算法的默认参数值，选用系统默认的参数值，并选用nash效率系数与各水文过程水量平衡误差的几何平均评价函数。

20、优选的，所述s8中对划分子流域进行验证的方法包括采用openmp并行编程实现了并行计算算法，并在待划分流域进行实验验证和在不同的服务器上，对流域进行了汇流并行计算，获得了相应的效率提升。

21、本发明的技术效果和优点：

22、1.本发明根据待划分流域水流拓扑关系，按子流域集水面积由小到大的顺序，基于栅格分级的并行计算方法，以及水文站点分布，将大流域划分成若干子流域，同时按子流域集水面积由小到大的顺序，在子流域内基于栅格集水面积分级进行的流域汇流并行计算，有效地提高了流域模拟计算效率，参数自动率定，省略了人工判读参数的困难和节省了判读时间，多层架构体系，层间解耦，便于后期维护和扩展。

23、2.本发明采用openmp并行编程实现并行计算算法进行实验验证，可以显著提高计算效率、资源利用率和实时性，同时也为算法的扩展和适用性提供了更好的基础，并通过在不同服务器上进行汇流并行计算并获得效率提升，可以评估性能、提高效率、充分利用资源、验证算法鲁棒性并为算法优化提供指导。

技术特征：

1.一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，其特征在于：所述s1中的输入数据包括地形数据、土地覆盖数据、土壤数据、实测降水和日径流数据、潜在蒸散发数据，所述s1中的dem数据预处理通过arcgis软件进行，包括计算栅格单元大小、将流域划分栅格并按顺序编列为一维序列号并输出、dem处理及生成河网相关计算、流域下垫面地貌特性、根系层土壤含水量计算。

3.根据权利要求1所述的一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，其特征在于，所述s3包括以下步骤：

4.根据权利要求1所述的一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，其特征在于，所述s4中集水面积最大的水文站点成为流域分割点，所述流域分割点上游的所有地表径流将汇集到该点，所述流域分割点确定后通过地形地貌、水文特征以及实地考察进行验证。

5.根据权利要求1所述的一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，其特征在于：所述s5中的多个子流域通过参数率定顺序，所述参数率定从最小的子流域开始，逐步到大的子流域，当模型率定到一个套合了其他子流域的水文站点时，已经完成率定的上游子流域无需重复，只需输出其率定流量过程到目标水文站的区间入流网点，使得参数率定只专注于区间栅格。

6.根据权利要求1所述的一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，其特征在于：所述s7中的采用模型性能评价目标函数，同级栅格可以并行计算，所述模型性能评价目标函数包括简单最小二乘误差、时错最小误差、对数时错最小误差、平衡时错最小误差、异方差最大似然估计、时错异方差最大似然估计和nash效率系数与各水文过程水量平衡误差的几何平均。

7.根据权利要求6所述的一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，其特征在于：所述并行计算还包括系统sce-ua算法的默认参数值，选用系统默认的参数值，并选用nash效率系数与各水文过程水量平衡误差的几何平均评价函数。

8.根据权利要求1所述的一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，其特征在于：所述s8中对划分子流域进行验证的方法包括采用openmp并行编程实现了并行计算算法，并在待划分流域进行实验验证和在不同的服务器上，对流域进行了汇流并行计算，获得了相应的效率提升。

技术总结
本发明涉及水文模型技术领域，且公开了一种考虑多要素的分布式水文模型子流域划分方法，本发明包括S1，基于原始DEM数据进行DEM数据预处理，确定整个待划分流域的边界；S2，基于现有的水文数据和ArcGIS软件来获取各个水文站的位置，建立包含多个水文站和总流域的上下游拓扑关系表，根据拓扑关系表构建拓扑结构模型；S3，提取水文地貌要素并进行栅格划分，拟合栅格集群，提取数字河网；根据待划分流域水流拓扑关系，按子流域集水面积由小到大的顺序，基于栅格分级的并行计算方法，以及水文站点分布，将大流域划分成若干子流域，在子流域内基于栅格集水面积分级进行的流域汇流并行计算，参数自动率定，减少了人工判读的困难与判读时间。

技术研发人员：周买春,马诗蔚
受保护的技术使用者：华南农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21