[发明专利]考虑产流结构不确定性的水文模型及对地表地下水文过程影响的量化方法

权利要求书

1.一种考虑产流结构不确定性的水文模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)收集资料：收集流域内水文气象站点观测序列，包括流域内站点观测的降水量、水面蒸发量和径流数据；

步骤(2)计算产流：建立以SIMHYD模型结构为基础的产流计算模块，主要包括蒸发损失计算、土壤下渗计算、水分储蓄计算和产流计算四个部分；

①蒸发损失计算：蒸发损失包括三部分，地表植被截留蒸发、土壤水蒸发和不透水面上的降水蒸发；其中，地表植被截留和不透水面上的降水按照蒸发能力的速率计算，而土壤水蒸发则根据土壤含水量和剩余蒸发能力计算，公式如下：

ET₁＝min(INS,PET)

POT＝PET-ET₁

式中，ET₁表示地表植被截留和不透水面上的降水蒸发；ET为土壤水蒸发；INS为植被截留储蓄量，按照水量平衡关系计算；PET为潜在蒸发能力，一般由实测水面蒸发量代替；SMS为土壤湿度；SMSC为土壤蓄水容量；POT表示剩余蒸发能力；

②土壤下渗计算：假设下渗率同土壤含水量之间具有负幂指数关系，公式为：

RMO＝min(INF,INR)

INR＝max[(RAIN+INS-INSC),0]

式中，INF表示下渗率；COEFF为最大下渗损失量，mm；SQ为下渗损失指数；INR为扣除植被截留部分的降水量，即地表植被水分储蓄量；RAIN为时段降水量；INSC为截留储蓄容量参数；RMO为土壤下渗量；

③水分储蓄量计算：包括地表植被水分储蓄INR、土壤湿度和地下水储蓄三种水分储蓄量；其中土壤湿度为最重要的中间状态变量，决定了壤中流、地下水补充的计算，土壤湿度和地下水计算公式如下：

SMF＝RMO-SRUN-REC

式中，REC表示地下水储蓄补充量；SMF为土壤湿度补充量；CRAK为地下水补充系数；

④径流计算：模型共包含地表径流、壤中流和基流三种径流成分，具体计算如下：

IRUN＝INR-RMO

BAS＝Kg×GW

式中，IRUN表示地表径流；SRUN代表壤中流；BAS为基流；SUB为壤中流出流系数；Kg为地下径流系数；GW为地下水储蓄量；

步骤(3)处理产流结构不确定性：假定SIMHYD模型不同径流成分的产流量与真实产流量的差异服从正态分布，即SIMHYD模型的地表径流、壤中流和基流三种径流成分的产流量与服从正态分布的随机数的乘积等于对应的真实产流量；

对于地表径流，服从正态分布的随机数可以定量表达为均值为m_IRUN，方差为δ²_IRUN的正态分布随机数；对于壤中流，服从正态分布的随机数可以定量表达为均值为m_SRUN，方差为δ²_SRUN的正态分布随机数；对于基流，服从正态分布的随机数可以定量表达为均值为m_BAS，方差为δ²_BAS的正态分布随机数；方差δ²_IRUN、δ²_SRUN和δ²_BAS的大小分别代表了产流结构中地表径流、壤中流和基流的不确定性大小；

步骤(4)计算汇流：采用滞后演算法对考虑产流结构不确定性的SIMHYD模型总出流过程进行调节，以考虑河道汇流；计算汇流公式如下：

其中，Q_t为t时刻流域出口流量，m³/s；CR表示河道蓄水消退系数，表示t时刻实际地表径流，表示t时刻实际壤中流，表示t时刻实际基流；

式中，IRUN_t表示t时刻模型计算的地表径流，SRUN_t表示t时刻模型计算的壤中流，BAS_t表示t时刻模型计算的基流，表示t时刻实际地表径流，表示t时刻实际壤中流，表示t时刻实际基流，φ_IRUN、φ_SRUN和φ_BAS分别为地表径流、壤中流和基流的随机乘数；

步骤(5)优化参数：选定某连续年度内流域出口水文气象站观测的径流序列，划定模型率定期和验证期，以NSE效率系数作为目标函数，以NSE系数最大为优化目标，采用SCE-UA全局优化算法，输入率定期的流域面平均降水量、面平均水面蒸发量和出口观测的径流数据，并对待优化的参数设置上下边界值，对水文模型参数进行优化；

步骤(6)将优化后的参数值代入率定期和验证期进行计算，得到率定期和验证期的模拟径流数值。