流溪河模型V3.0(1)
参数敏感性分析
流溪河模型云计算与服务平台中山大学水灾害管理与水利信息化实验室∙首页∙理论方法o理论方法o建模数据o参数敏感性o参数优选o单元分类o断面估算o参数分类∙应用案例o新安江水库o乐昌峡水库o长湖水库o流溪河流域∙论文论著∙科技团队∙大记事∙软件系统∙新手上路∙我的模型∙联系我们∙理论方法∙建模数据∙参数敏感性∙参数优选∙单元分类∙断面尺寸估算∙参数分类1、参数敏感性分析方法流溪河模型将参数分成高度敏感参数、敏感参数和不敏感参数。
由于流溪河模型的参数较多，那些参数是高度敏感参数，那些参数是敏感参数，那些参数是不敏感参数，就需要通过敏感性分析确定。
参数敏感性分析分参数逐个进行，一次仅进行一个参数的敏感性分析。
将当前进行敏感性分析的参数称为分析参数，其它参数称为非分析参数。
敏感性分析的具体方法是，固定所有非分析参数的值不变，对分析参数，以其现值为中心，上、下各取若干个值分别进行洪水模拟计算，求出洪水模拟结果的变化随参数值变化的规律，以此判断参数是否敏感，原则上，当参数的值变化时，模拟的洪水过程有剧烈变化或较大变化时，该参数为高度敏感参数；当参数的值变化时，模拟的洪水过程有明显变化时，该参数为敏感参数；当参数的值变化时，模拟的洪水过程有一定变化，但不明显时，该参数为不敏感参数。
对流溪河模型各可调参数，逐个进行敏感性分析，包括河道单元糙率、边坡单元糙率、土壤饱和含水率、田间持水率、凋萎含水率、饱和水力传导率、土壤层厚度、土壤特性参数b、蒸发系数、潜在蒸发率和地下径流消退系数共11个参数。
在进行模型可调参数的敏感性分析时，为了全面、深入的进行分析，得到较为合理的结论，一般要选择1-3场洪水进行敏感性分析。
如何对参数的敏感性进行评判，一般通过分析由于参数变化引起的模型模拟结果变化的程度来判别。
如当参数发生一定比例的变化时，引起的模型模拟计算结果的变化幅度较大，并且其变化幅度大于参数的变化幅度时，可认为该参数是敏感的，如引起的模型模拟计算结果的变化幅度特别大，则可认为该参数是高度敏感的。
河流水质数学模型讲课文档
(1)托马斯模型
在S-P模型的基础上，引进沉淀作用对BOD去除的影响：
u为河水流速(m/s)。
第十一页，共45页。
2.1稳态解
稳态是指均匀河段定常排污条件，即过水断面、流速、流量等都
不随时间变化，
此时(1)式变化为
C 0 t
d2C u
dx2
ks
dc dx
K1 ks
C0
通过解析得稳态解为
当x≥0时， 当x＜0时，
CC0e2x,2
u 2ks
(1)
CC0e1x,1
u 2ks
第十六页，共45页。
河段划分 河段划分的主要原则就是保持所分割的河段中水
质参数不变。河段的划分是通过在适当的位置设置 计算断面实现的。断面设置的方法是：
①在河流断面形状变化处，例如由宽变窄处或由窄变宽处，由深 变浅处或由浅变深处，这些河段的变化会引起流速及水质参数 的变化；
②支流或污水汇入处，由于流量的输入会导致流速的变化，也会 导致污染物浓度的变化；
第二十三页，共45页。
2.4 QUAL-Ⅱ河流水质综合模型
由于污染物在水中的迁移转化是一种物理的、化学的和生物 学的极其复杂的综合过程，因此要全面描述水体的水质就必须 研究水生生态系统和水质组分之间的联系，就需要对多组合的 综合体系建立水质模型。20世纪70年代，美国建立了不少综 合水质模型。其中最早的两个模型是QUAL-Ⅰ和QUAL-Ⅱ。
基于BP神经网络的流溪河水库短期水位预报
基于BP神经网络的流溪河水库短期水位预报发布时间：2022-08-28T01:21:11.858Z 来源：《中国科技信息》2022年4月第8期作者：管一1,2 龙岩1,2 张少恺1,2 唐一凡1,2 王继选1,2 陈江海3,4[导读] 流溪河水库作为广州市唯一的大型水库，研究其调度运行对于广州市的防汛抗旱具有重大意义。
水位是水库维持正常运作的一个重要参数管一1,2 龙岩1,2 张少恺1,2 唐一凡1,2 王继选1,2 陈江海3,41 河北工程大学水利水电学院；河北邯郸 0560382 河北省智慧水利重点实验室河北邯郸 0560383 上海勘测设计研究院有限公司上海 200434；4 中国长江三峡集团有限公司湖北武汉 430010摘要：流溪河水库作为广州市唯一的大型水库，研究其调度运行对于广州市的防汛抗旱具有重大意义。
水位是水库维持正常运作的一个重要参数，也是水库实时调度的基础。
为预测流溪河水库水位实时变化，本文采用BP神经网络方法，构建了流溪河水位预报模型，模型以预报断面前期水位、上游断面前期水位和区间面雨量为输入参数，对流溪河水库进行了预见期为3h、6h、12h和24h的水位预报。
结果表明：（1）该模型能够较好实现流溪河水库的短期水位预报，各预见期精度均达到甲级标准；（2）不同预见期的精度各有差异，其中3小时预见期的精度最高。
研究结果证明了该方法的可行性和高精度，可应用于流溪河水库的运行和其他相关工作。
关键词:水位预测；BP神经网络；流溪河水库；预见期1引言流溪河水库是广州市唯一一座集防洪、灌溉、发电、养殖、旅游于一体的大型水库[1]。
水位是水库保持各种功能平衡的重要指标。
在水库运行中，多目标综合调度是水库的主要任务，水位预测是水库运行的基础。
随着机器学习技术的发展，基于深度学习的预测模型逐渐成为一种新的发展趋势。
要震等人[2]建立了基于遗传算法(GA)优化Elman神经网络的河流水位预测模型，该模型具有收敛速度快、精度高等优点；纪国良等人[3]将灰色模型和神经网络模型相结合进行水位预报，结果表明比单独运用灰色模型或者神经网络模型预测精度更高；Ashaary等人[4]研究了神经网络预测水库水位的潜力，通过建立6个不同的神经网络模型并进行比较，结果建运用前期长达2天的水库水位的变化数据进行建模时，预报结果最优。
基于LH_OAT分布式水文模型参数敏感性分析
4 模型参数敏感性分析与讨论
运用 LH － OAT 方法分别对上述 3 个流域进行参 数敏感性分析，对流溪河模型的 12 个参数分成 10 层
图 1 模型敏感性分析
22
人民长江
敏感度，（ 图 1 （ b） 坡度为其中 RSS 的敏感度） 。本研 究就两个方面内容对计算结果开展讨论。
4． 1 不同目标函数的影响研究
的分布式物理水文模型———流溪河模型的参数敏感性，将其参数敏感性归为： 极敏感，敏感，一般敏感和不敏
感 4 类。研究表明，模型参数的敏感性并不是一成不变的，在不同流域，不同评价目标下，会发生一定程度的
改变。
关 键 词： 分布式物理水文模型； LH － OAT； 参数敏感性； 流溪河模型
中图法分类号： P334． 92
算法首先根据 LH 抽样思想，将整个参数空间划 分为 m 层，接着分别从每个分层中随机抽样一次，生成 一个 LH 抽样参数组（ 包含 P 个参数的参数集合） ，然 后按照 OAT 思路，对每个 LH 抽样参数组进行 P 次参 数微小改变（ 每次只改变其中一个参数） ，计算每次微 小改变前后目标函数的变化情况。根据 LH － OAT 方法 定义，模型总共需运行 m（ P + 1） 次。
大坝。流域内主要有两条支流： 吕田水和玉溪水。
黄龙带水库坐落在流溪河上游支流汾田水上，是
黄龙带水库流域的出口，水库流域集水面积为 92． 3 km2 。流域内有 3 个雨量站分别为： 联星、枫木郞、黄
龙带水库。
赤溪流域位于韶关乐昌市东北部，北江一级支流
武江上游支流田头水流域内，流域内暴雨洪水发生频
繁，是广东省山洪灾害重点监测流域。流域出口设在 赤溪水文站位置，控制面积为 402 km2 。
土地利用和气候变化对流溪河水库流域径流的影响
影响成为了当前水文学的热点问题。
模型模拟是分析 流 域 径 流 对 土 地 利 用 和 气 候 变
化响应的主要方法,其中分布式水文模型得到了广泛
应用。例如,窦小 东 等
利 用 SWAT 模 型 研 究 了 澜
[
4]
沧江流域土地利用和气候变化对径流的影响,并对流
g
[
]
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最全地城市洪涝、河道、水质模型模拟软件介绍
一、相关模型简介清单1011121314151617 ECOLaMIKE2InfoWorksRSWARMQUAL2MIKESHEBioWinWASPQUASAREFDC水质和水生态模拟DHI丹华水利模拟河口、海岸或海洋区域的物理、化学或生物学过程用于水资源优化调度，防洪管理、规划，实时调度和决策分析，水污染防治与评价，河网整治，冲淤分析的模拟以水环境为中心的流域管理决策支持系统，用于水质管理、总量负荷计算、分配及其成本/效益分析.应用于河流水环境规划、水质评价、水质预测等方面的综合性、多样化的河流水质模型模拟陆相水循环中所有主要的水文过程，综合考虑了地下水、地表水、补给以及蒸散发等水量交换过程。
涉及湿地管理修复，环境影响评价。
模拟污水处理厂的所有处理单元，即全污水处理厂的模型是为分析池塘、湖泊、水库、河流、河口和沿海水域等•系列水质问题而设计的动态多箱模型在河流水环境规划、治理的一维动态水质模型能用于模拟点源和面源的污染、有机物迁移及归趋的模型DHI丹华水利华霖富美国EPRI美国环境保护局(USEPA)DHI丹华水利华霖富美国国家环保央国Whitehead美国弗吉尼亚州海洋研究所(VIMS)二、城市内涝模型1)MIKEURBAN城市排水模拟软件MIKEURBAN城市排水软件是顶级的排水管网模拟软件。
它整合了ESRI 的ArcGIS以及排水管网模拟软件，形成了一套城市排水模拟系统。
该模型广泛应用于城市排水与防洪、分流制管网的入流或渗流、合流制管网的溢流、受水影响、在线模型、管流监控等方面,可为水资源的可持续利用、污染控制、雨水和污水管网管理及城市防洪提供综合管理方案。
应用领域•雨污水泵站优化调度•排水管网溢流(CSO/SSO)分析•管网泥沙淤积评估•管网水质分析•城市降雨径流过程分析•城市内涝分析与风险评估•低影响开发(LID)的模拟•海绵城市的规划2)MIKEFLOODMIKEFLOOD是迄今为止最完整的洪水模拟工具。
基于SWAT模型的流溪河流域土地利用与气候变化对径流的影响_袁宇志
* 国家自然科学基金项目（ 41471147） 资助． ＊＊通讯作者． E-mail： zhangzdedu@ 163．com 2014-05-30 收稿，2014-12-12 接受．ຫໍສະໝຸດ 990应用生态学报
26 卷
precipitation change （ increase of 11．6% in annual runoff with increase of 10% in annual precipitation） ，but negatively with air temperature change （ reduction of 0．8% in annual runoff with increase of 1 ℃ in annual mean air temperature） ，which showed that the impact of precipitation variability was stronger than that of air temperature change． Therefore，in face of climate variability，we need to pay attention to strong rainfall forecasts，optimization of land use structure and spatial distribution，which could reduce the negative hydrological effects （ such as floods） induced by climate change．
流溪河模型系统建模操作手册
目 录1.ARCGIS数据处理流程 (1)1.1.A RC G IS D ESKTOP运行软硬件环境 (1)1.1.1.硬件环境（推荐） (1)1.1.2.软件环境 (1)1.2.A RC G IS DESKTOP 界面介绍 (1)1.3.数据来源： (2)1.4.空间数据处理过程 (2)1.4.1.数据下载： (2)1.4.2.定义坐标系统 (4)1.4.3.ASCII数据转为Raster数据：(以DEM为例) (5)1.4.4.空间坐标定义 (6)1.4.5.截取流溪河流域 (9)1.4.6.水文分析 (14)1.4.7.坡度分析 (22)1.4.8.其他操作： (22)1.5.土壤类型与土地利用类型数据处理过程 (19)1.5.1.土壤类型数据处理 (19)1.5.2.土地利用类型数据处理 (24)2.基于GOOGLE EARTH遥感估测断面尺寸 (25)2.1.G OOGLE E ARTH软件的安装 (25)2.1.1.Google Earth最低配置 (25)2.1.2.Google Earth软件步骤 (25)2.2.启动G OOGLE E ARTH (26)2.3.寻找软件区域 (26)2.4.河道断面宽的估测 (28)2.5.断面估测 (30)3.土壤与土地利用初值确定 (33)3.1.土地利用属性数据： (33)3.2.土壤属性数据： (33)3.3.土壤水特征软件安装说明 (33)3.4.启动土壤水特征软件 (35)3.5.土壤成分组成的获得 (35)3.6.初值确定 (36)4.流溪河模型系统使用说明 (37)4.1.模型简介 (37)4.2.流溪河模型系统运行软硬件环境 (37)4.2.1.硬件环境: (37)4.2.2.软件环境： (37)4.3.软件安装 (38)4.3.1.软件运行平台的安装： (38)4.3.2.流溪河模型系统软件安装： (38)4.4.流溪河模型系统数据格式 (39)4.4.1.模型输入数据文件 (39)4.4.2.数据格式说明： (39)4.5.流溪河模型系统结构框架介绍 (43)4.5.1.工程菜单： (43)4.5.2.数据管理菜单： (44)4.5.3.参数推求菜单： (45)4.5.4.洪水模拟菜单： (45)4.6.流溪河模型建模过程 (46)4.6.1.新建工程 (46)4.6.2.数据浏览 (47)4.6.3.更新数据 (47)4.6.4.历史洪水导入 (48)4.6.5.土壤属性与土地利用属性离散 (49)4.6.6.流向、累计流和坡度数据的导入 (51)4.6.7.水库单元划分 (51)4.6.8.河道单元划分 (51)4.7.洪水模拟 (55)4.8.初始土壤含水量率定与确定 (57)4.9.可调参数敏感性分析 (58)1.ARCGIS数据处理1.1.A rcGis Desktop运行软硬件环境1.1.1.硬件环境（推荐）CPU：英特尔(R) P4 3.0G（以上）内存：1G （推荐）硬盘：10G1.1.2.软件环境操作系统为：Windows XP Professional SP 2软件运行平台：.NET Framework 2.0数据处理软件1：ESRI ArcGis 9.2数据处理软件2：Google Earth 4.01.2.A rcGis desktop 界面介绍安装好ArcGis Desktop 后点击图标 ，即运行ArcGis Desktop，系统启动后出现如图 1.2-1所示）ArcGis Desktop 主要分为几部分：1. 图层管理器（Layers of Content）：主要进行GIS图层的显示，着色等管理操作。
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单元流域出口的流量可计算如下
L 5 1 Q vhL h 3 S02 n
改写上式
3 3 n 1 5 5 h ( S0 2 ) Q L
边坡汇流计算方法
令
则
3 n 1 5 a ( S0 2 ) L
3 b 5
h a Q
b
代入圣维南方程组的质量方程中有
Q Q abQ(b1) q 0 x t
K K s sat
2b 3
fc fc
产流计算模块
渗漏量的计算
v per K v per 0
fc fc
Qper v per L L
汇流计算模块
边坡汇流（hill slope routing） 河道汇流（river routing） 水库汇流(reservoir routing)
采用有限差分法，离散为如下的形式
t t 1 t t 1 1 Qi 1 a(Qit11 )b Qi a(Qit1 )b qit1 t x x
采用牛顿迭代法进行计算，迭代计算公式
t t 1 k t t 1 k b 1 Qi 1 a( Qi 1 ) Qit 1 a(Qit1 )b qit1 t k 1 k x Qit11 Qit11 x t t 1 k b 1 ab( Qi 1 ) x
流溪河模型参数推求方法
流溪河模型部分研究成果
CYB流溪河模型系统介绍
流溪河模型研发历程与工程示范
后续工作
流溪河模型理论与方法
什么是流溪河模型
中山大学陈洋波教授领导的水灾害与水利信息化
国际科技团队经10余年研究开发而成的
主要用于流域洪水预报的分布式物理水文模型
因在流溪河流域洪水预报中首先研究成功而得名
流域物理特性数据获取
土地利用类型
利用卫星遥感数据加工
全球免费的土地利用数据库，美国USGS全球土地覆 盖数据库/，在国内镜像网 站 ，分辨率为1kmx1km，可满 足流溪河模型建模需求
土壤类型
采用牛顿迭代法进行迭代计算，公式如下
t t 1 k t k 1 Qi 1 c( Qit11 )b Qit 1 c(Qit1 )b qit1 t k 1 k x Qit11 Qit11 x t k cb( Qit11 )b 1 x
按蓄满产流模式计算地表产流量 由降雨引起的水流运动过程描述 单元流域上的降雨扣除蒸散发后的部分称 为净雨 当净雨大于零时，净雨通过下渗作用进入 地表层中的土壤中，补充地表层中含水量 的不足 只有当地表层蓄满时，即土壤含水量达到 饱和含水量时，多余水量转变为地表径流
产流计算模块
壤中流的计算
流溪河模型的总体思路
蒸散发模块
Es E p
Es (1 ) E p
fc
w fc w
w fc
E水量
w
：凋萎含水量
：土壤当前含水量
E p ：潜在蒸发率
：蒸发系数
产流计算模块
利用全国普查成果 全球免费的土地利用数据库，国际粮农组织(FAO) 于2008年发布的中国土壤分布数据
单元划分
D8法
每个单元有8种可能的流向
分别用8个不同的整数表示
水流沿坡度最陡的方向流动
流向 东 东南 南 西南 西 西北 北 东北
代码 1 2 4 8 16 32 64 128
开发的流溪河模型软件系统CYB.LMS，获国家计 算机软件著作权登记
流溪河模型的总体思路
采用可获取的，有质量保证的，适当分辨 率的DEM对整个流域进行划分 从水平方向将流域划分成一 系列的单元
单元被看作是一个有物理意义 的流域 单元流域有自己的物理特性数 据：DEM、植被类型、土壤类 型和降雨量 单元分成边坡单元、河道单元 和水库单元三种
壤中流汇流（subsurface routing）
地下径流汇流(underground routing)
边坡汇流计算方法
采用一维运动波法进行边坡汇流计算
忽略圣维南方程组的运动方程中的惯性项和压力项
只考虑摩阻比降和坡度的影响，即摩阻比降等于坡度
Q h L q x t S f S0 0
流溪河模型的总体思路
在单元流域层次进行产流量计算 在流域层次进行汇流计算
流溪河模型的总体思路
模型分成6个独立的部分，每个部分称为一个模块 数据处理与流域划分模块 收集流域特性数据，包括DEM，土地利用类型，土 壤类型 将流域划分成单元流域，分成三种类型之一 确定单元流域的物理特性 估算单元流域上的降雨 蒸散发模块 产流模块 汇流模块 参数确定模块 洪水模拟模块
河道分段
结点设置：结点间的河段为一个虚拟河段
两条或以上河流的交汇点处
河道的宽度明显变窄处 河道流向明显变化处
河道底坡明显变化处
河段较长时分段
辅助工具：Google Earth遥感影像
覆盖全球，适用范围广 精度可基本满足洪水预报要求
河道断面尺寸估算
假定河道断面形状为梯形，3个断面数据
则
A c Qb
Q Q cbQ(b 1) q 0 x t
代入圣维南方程组的质量方程中有
采用有限差分法，将上式离散为
t t 1 t t 1 1 Qi 1 c(Qit11 )b Qi c(Qit1 )b qit1 t x x
河道底宽
Google Earth遥感影像
河道底坡
根据DEM估算
河道侧坡
根据经验，在无条 件时可假定为90度
流溪河模型
Liuxihe Model
陈洋波
中山大学自然灾害研究中心
中山大学水灾害与水利信息化联合实验室
eescyb@，
2010年7月15日 中国广州 中山大学
主要内容
流溪河模型理论与方法
流溪河模型数据需求与挖掘
河道分级
strahler河道分级
河道的最低级支流均 命名为第1级 低级支流汇入高级支 流时，级别不增加
同级支流相汇时，级 别增加1级
河道分级
累积流阀值的临界值：当累积流值增加1时，河道 分级增加1级
河道分段
将同一级河道分成若干段 每一段为一个虚拟河段 虚拟河段各单元断面尺寸相同
河道汇流计算方法
在流域的中上游地区及少资料及无资料地区，河流 断面的形状及尺寸资料不易确定 在流溪河模型中，将河流断面概化为梯形
A为过水断面面积，h为径流深，w为梯形底宽，为 河流侧面坡度
河道汇流计算方法
过水断面面积A的计算公式如下 A w h h h / tan 对上式进行变换，得到如下的公式
河道汇流计算方法
过水断面的湿周可按下式计算
w 2 h / sin (1 sec ) w (sec w) 4sec csc A
2 1 2
根据曼宁公式，河道水流速度可按下式计算 根据断面过水流量计算公式，并将上式代入，则有 由于 A R
流域物理特性数据获取
DEM
高分辨率的实测数据，全国1:1万，局部更高
网上全球范围内的免费数据
HYDRO1K数字地形高程数据，美国联邦地质调 查局(USGS)免费提供http：///gtopo30/hydro ， 分辨率为1kmx1km，相对较低，可在大流域模拟 时使用 SRTM 数字地形高程数据，90mx90m,30mx30m, ，在山区等地形较陡的地 区效果较好，基本可满足流溪河模型建模需求
采用线性水库法进行地下径流汇流计算
Qg ,t t Qg ,t (1 )Qper
流溪河模型需要的数据及其挖掘
流溪河模型建模需要的数据
流域物理特性数据获取方法
单元划分方法
河道断面尺寸估算方法
流溪河模型建模需要的数据
流域物理特性数据 DEM 土地利用类型 土壤类型 气象数据 蒸发率 河网及断面尺寸数据 河网组成 断面形状及尺寸 水文数据 实测降雨 实测流量
水库单元汇流计算方法
洪水在水库中的传播速度非常快，一般要比
计算时段短很多
忽略洪水在水库中的传播时间，认为水库单元
上的流量就是进入水库的流量
将所有水库单元上的流量相加，就可得到入库
流量
通过设置水库，实现对水库水位的预报
地下径流汇流计算方法
流溪河模型将地下层作为一个整体，不划分成单
元
按集总式方法进行地下径流汇流计算
h2 w tan h A tan 0
则h可通过如下的公式计算
w tan ( w tan ) 2 4 A tan h 2
则可按如下的差分公式近似计算
hit1 hit h S f S0 S0 x x
单元划分
河道单元划分
计算累积流：累积流 入单元格的上游单元 的个数
设定累积流的阀值 累积流值大于阀值的 单元为河道单元
单元划分
水库单元划分
设定水库的控制水位
高程低于控制水位的 单元为水库单元 边坡单元划分 非河道单元和水库单 元的单元
累积流阀值的讨论
累积流取值不同，河道单元划分不同
流溪河模型的总体思路
从垂直方向将单元分成三层
植被覆盖层（Canopy Layer）： 地表面至树叶顶部的空间区域。 假定蒸散发只发生在植被覆盖 层，各单元流域的蒸散发量之 间没有相互影响 地表层（Soil Layer）：地表 面往地下若干深度的浅表土壤 层，具有调蓄水能力 地下层（Underground Layer）：地表层以下的含水 层 对地下层不进行网格划分，整 个流域的地下层看作一个整体