基于SCE-UA算法的新安江日模型参数优化稳定性分析

为了探讨水文模型参数优化结果在不同流域上的稳定性,采用SCE-UA算法优化了抚河流域内的娄家村、南丰、沙子岭子流域新安江日模型参数,以径流总量误差最小和纳什效率系数最大为目标函数,分别对参数优化结果进行分析。结果表明,其中有3个新安江日模型参数(上层张力水容量W_(WUM)、下层张力水容量W_(WLM)、张力水容量W_(WDM))在三个子流域上的率定结果的稳定性相差较大,有1个参数(表层自由水容量曲线方次E_(EX))率定结果有波动,剩余的12个参数的率定结果均较稳定。通过分析新安江日模型参数的稳定性,可为未来新安江模型参数优化的理论研究提供重要参考依据。     

优选伸缩比SCE-UA算法与新安江模型参数率定研究

洗牌复合形进化(SCE-UA)算法作为寻优能力较强的全局寻优算法已被广泛应用于水文模型参数率定领域。经典SCE-UA算法中的下山单纯形搜索采用固定伸缩比实现反射和收缩操作,其寻优效率还有待提升,实际应用中发现变动伸缩比能够改善算法的寻优效率。针对以上问题,结合数值实验与分析,发现伸缩比取值存在最优区间,在伸缩比最优区间内均匀采样,利用优选法在单纯形搜索过程中动态确定最适伸缩比,提出了基于优选伸缩比的SCE-UA算法。本研究利用改进的算法,基于多组人工降雨—径流资料开展了新安江模型参数率定研究。结果表明,相较于固定伸缩比,优选伸缩比算法在多组人工降雨—径流资料下的参数率定测试中均表现出相同迭代次数下目标函数值更优的结果,显著提升了优化效率,进一步提升了算法的深度搜索能力,具有推广应用价值。     

新安江模型参数优化的一种约束SCE-UA算法研究

在新安江模型参数优化领域,洗牌复合形进化(Shuffled Complex Evolution,简称SCE-UA)算法得到了广泛的应用。但在长序列降雨径流模拟和模型参数优化中面临一些问题需要解决。当模型参数适配不当时,土壤含水量易于出现负值,此外,不同径流成分对应的汇流参数需要满足一定的大小关系。上述问题的处理,决定着优化算法能否找到具有正确物理意义的最优模型参数,以及径流模拟结果的合理性和可靠性。针对这些问题,提出了一种约束SCE-UA算法,通过罚函数法对土壤含水量和汇流参数施加约束,引导优化算法向具有正确物理意义的参数可行域展开搜索,在寻优的同时确保了物理意义的正确性。在呈村流域开展了基于约束SCE-UA算法的新安江模型参数优化研究,数值模拟结果表明,约束SCE-UA算法能够确保模型参数物理意义的正确性,解决了土壤含水量出现负值和汇流参数大小关系错误的问题。利用优化获得的最优参数开展水文模拟,能够取得更好的水量平衡效果和更高的模拟精度。     

数据驱动模型与概念性模型的应用对比

BP神经网络与K-最近邻(KNN)算法相耦合所建立的BK(BP-KNN)模型是一种数据驱动模型,它克服了传统的BP神经网络模型必需前期实测流量、泛化能力不强的缺点。IHACRES模型是一种结构简单、应用广泛的以单位线为基础的集总式概念性模型。选择板桥、马渡王两个流域分别运用BK模型、IHACRES模型和新安江模型进行径流模拟。模拟结果表明,BK模型的模拟效果最好,IHACRES模型次之;说明数据驱动模型在水文模拟中有着巨大的运用空间。     

艾丁湖区域地下水资源变化对旱生植被覆盖度的影响

为探究艾丁湖区域地下水资源与旱生植被覆盖度之间的关系,采用流域调研、数据收集、遥感反演、理论分析等方法研究了艾丁湖区域地下水资源变化对旱生植被覆盖度的影响规律。结果表明,植被覆盖度与地下水资源开采量关系密切,人工植被平均覆盖度与地下水开采量的变化趋势具有一致性;天然植被平均覆盖度与地下水开采量在1976~2005年期间的变化趋势呈负相关,而在2005~2017年期间变化趋势一致。生态保护政策和科学治理方略的实施,有利于控制地下水资源的利用量,天然绿洲的面积及天然植被|覆盖度均开始回升,生态环境得到了改善。     

单目标与多目标的全局优化算法在新安江模型参数率定中的耦合应用研究北大核心CSCD

基于已有的研究成果,对利用SCE-UA算法优化新安江模型参数做了一些相关研究,发现目标函数的选取、参数的优化范围以及资料的长度均会对算法最终的寻优结果产生一定的影响,并且异参同效等原因使得最优解并不能稳定唯一。本文选择了呈村,胡乐,东湾等流域作为研究流域,旨在通过"降维"的思想经验性地固定一些参数,以期能使寻优结果稳定,得到唯一的最优解;此外,将多目标优化算法NSGAII应用到新安江模型参数优化中,并对其优化结果做了一些必要的讨论与分析。最后,在利用SCE-UA优化全部参数得到多组参数解的基础上,将两种算法耦合,提出以Pareto前沿确定的径流流量预报区间作为实测流量过程线之外衡量SCE-UA参数解可靠性的又一标准,提出以"不可靠度"量化这一标准,以期能够从中选取一组参数解供实际使用。     

基于短期降雨预报的大桥水库汛限水位动态控制研究

大桥水库是金沙江支流雅砻江下游左岸一级支流安宁河干流上的一座龙头水库,工程任务以灌溉和工业城镇生活供水为主。随着安宁河流域社会经济的快速发展,大桥水库的供水日趋紧张,水资源供需矛盾日益突出。通过对中央气象台针对大桥水库所在区域的未来48 h短期降雨预报精度和实际降雨分布规律进行研究,表明中央气象台对于大桥水库所在区域的未来48 h无雨、小雨预报在大桥水库汛限水位动态控制中是可以应用的;在此基础上采用预泄能力约束法确定了大桥水库汛限水位动态控制域,基于预蓄预泄法提出了大桥水库汛限水位动态控制方案,并对动态控制方案的防洪安全进行了分析。应用结果表明,大桥水库按照汛限水位动态控制方案进行动态调度,不会影响上下游及大坝本身的防洪安全,同时能有效地提高水库蓄水量和洪水资源的利用率。     

基于GPU加速的水文模型参数率定

针对水文模型参数率定问题,为显著提升计算效率,选择SCE-UA算法和新安江模型为研究对象,围绕SCE-UA算法并行化与程序化实现、并行SCE-UA算法在图形处理器(GPU)上的加速效果这两个关键科学问题,以GPU硬件平台和通用计算设备架构(CUDA)软件平台为工具,采用时空复杂度分析、算法并行性挖掘、代码深度优化、数值模拟实验等多种手段相结合的方法,进行了水文模型参数率定提速研究。内容包括:①搭建基于CUDA和GPU的并行计算软硬件平台,进行配置与调优;②并行SCE-UA算法及其程序化实现;③并行SCE-UA算法在GPU上的加速效果。研究结果表明:所提出的方法显著提升了参数率定效率,能够促进水文模拟、最优化方法、计算机科学与技术等多学科的交叉、融合与发展,对水文模拟与预报、防洪快速应急响应具有科学意义和实用价值。     

仁化县丹霞源水利风景区规划研究

水利风景区建设是推动生态文明，传承地域文化，创造美好城市人居环境的重要途径。通过对仁化县的水利工程、丹霞山水、本土人居三大脉络开展分析研究，提出了新形势下丹霞源水利生态景区高质量发展规划的战略定位、空间布局及功能区划方案。研究成果对推进生态修复、维护水生态安全、促进社会经济快速发展具有重要意义。     

无资料嵌套流域水文相似性及参数移植研究

以江西赣江的虎山流域(嵌套香屯、婺源和德兴流域)和南城流域(嵌套南丰和沙子岭流域)两组嵌套流域为研究区域,对比基于嵌套的参数移植方法与基于相似的参数移植方法;采用相似性指标排列组合法识别在相似性判断中起主要作用的指标;并初步探究了参数移植的方向性问题。结果表明基于嵌套的参数移植与基于相似的参数移植效果均较好;地形指标和土地利用/覆盖在判断流域相似性时起主要作用,采用它们作为相似性指标开展参数移植效果最优;基于嵌套的参数移植与基于相似的参数移植均不能避免参数移植方向性问题,基于地形指标和土地利用/覆盖作为相似性指标的参数移植可降低参数移植方向性的影响;此外研究发现,采用不同相似性指标排列组合开展参数移植方向性问题研究是一条值得进一步探索的途径。