水电能源学2学习教案.pptx

会计学 1水电(shu din)能源学2第一页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 要使发布的径流预报具有实际意义，就必须给出正确(zhngqu)的预报值和预见期。下图为某次洪水预报(ybo)过程线。图中，为当前时刻；为预见期；为峰值；为峰值时间。第2页/共260页第二页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 理论预见期指按照水文要素变化或演变规律获得的预见期；有效预见期指在进行预报时，必须从理论预见期中扣除信息传递和分析计算(j sun)花费的时间后剩余的预见期。显然，有效预见期小于或等于(dngy)理论预见期。有效预见期才具有真正的实际意义。预见(yjin)期有理论预见(yjin)期和有效预见(yjin)期之分：第3页/共260页第三页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 凡预报的预见期小于或等于流域汇流时间(shjin)的称为短期径流预报，否则称为中长期径流预报。径流预报按照预见期可以分为短期径流预报和中长期径流预报。一般(ybn)以流域汇流时间为界：第4页/共260页第四页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 如何提高径流预报精度和增长有效预见(yjin)期，是径流预报中的两个重要问题。因此，开展对水文要素变化(binhu)及演变规律的研究，建立精确的预报方法，以及应用包括遥测遥感、信息实时处理等现代化测报技术是十分必要的。第5页/共260页第五页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 径流(jngli)的形成过程：地面径流壤中径流地下径流蒸散发流域蓄水流域降雨坡地汇流径流产流过程降雨量蓄水量蒸散发损失产流量河网汇流第6页/共260页第六页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 水文现象是一种非常复杂的物理现象，它不仅受降雨的时空分布特性的影响，还受流域下垫面、人类活动等因素的影响。因此，多年来水文学者一直在不断探索(tn su)和研究，以便揭示水文现象及其发展变化规律。二、流域水文(shuwn)模型及其发展第7页/共260页第七页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 但是，至今仍有许多问题没有解决。在没有完全弄清楚水文规律之前，水文学家总是试图(sht)通过建立模型对水文过程进行模拟。在对复杂的水文过程进行研究时，水文模型可以认为是描述水文现象和水文过程的有效工具。即：流域水文模型是对自然界中复杂水文现象的近似模拟，是水文科学研究的重要手段。流域水文模型的发展主要经历了如下三个阶段：第8页/共260页第八页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学1、概念、理论的确立以及系统(xtng)黑箱模型阶段 自上世纪20年代开始，一批重要的水文原理和计算方法陆续出现，如：以达西定律为代表的非饱和土壤水运动方程；以霍顿公式为代表的下渗曲线公式；以彭曼方程为代表的流域蒸散发计算方法；Sherman的单位线法；尤其是霍顿超渗产流和蓄满产流概念的提出，使人们(rn men)认识到自然界中存在两种截然不同的产流机制。这些理论和方法在实践中不断得到发展和完善，为水文模型的雏形经验性的“黑箱”模型亦应运而生。第9页/共260页第九页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学2、概念性水文模型(mxng)阶段 进入上世纪50年代以后，随着人们对下渗理论、土壤水运动(yndng)理论和河道水力学理论认识的不断加深，以及将计算机技术引入水文学研究领域，水文学家开始把水文循环的整体过程作为一个完整的系统来研究，并于50年代后期提出了“流域模型”的概念。第10页/共260页第十页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 到了上世纪50年代中期至80年代中期，概念性水文模型进入蓬勃发展阶段，其中代表性模型有美国的Stanford模型和HEC-1模型、日本Tank模型、瑞典的HBV模型、我国的新安江模型等。概念性模型比经验黑箱模型先进，但其最大缺陷是忽略(hl)了气象强迫输入和地形、土壤、植被等流域下垫面特性的空间不均匀性，且无法给出水文变量在流域内的分布，满足不了规划管理和预报实践中对流域内各个位置的水位水量情报的需要。第11页/共260页第十一页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学3、分布式水文(shuwn)模型阶段 上世纪80年代中期开始，随着计算机、GIS和遥感技术的迅速发展，具有一定(ydng)物理基础并能反映流域内各种要素空间异质特性的分布式水文模型开始兴起，国际上较成熟的分布式水文模型有TOPMODEL、SHE、SWAT等。针对我国实况建立具有我国流域特色的分布式水文模型，近10年来取得了不少创新性研究成果。第12页/共260页第十二页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 随着环境变化(binhu)下水文水资源影响问题的日益关注，现代分布式水文模型开始更多地考虑地球生物圈、全球气候变化(binhu)及人类活动的影响，同时对土壤湿度的侧向分布、产流机制、汇流机制、蒸发估计等方面的描述更加完善。为改进陆面过程模拟，实现大气水文模式的耦合提供了可能。第13页/共260页第十三页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 概念性水文模型用概化的方法表达流域的水文过程，虽然有一定的物理基础，但都是经验性概述。分布式物理模型的参数具有明确的物理意义，可以通过连续方程和动力方程求解，因而能更准确地描述(mio sh)水文过程，具有很强的适应性，在模拟土地利用、水土流失变化的水文响应及非点源污染、陆面过程、气候变化影响评价等方面得到了广泛应用。第14页/共260页第十四页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 在径流预报和水文计算中都需要对大面积以至(yzh)全流域的降水量进行计算。5.2 流域(liy)的降水量计算 从降水成因及分类可知，降水在空间的分布是不均匀的，往往某一局部范围内的降雨(jin y)量相对其周围要大，而其它位置的降雨(jin y)量则随距离加大而逐渐减少。我们将降雨(jin y)集中处称为暴雨中心。第15页/共260页第十五页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 由于暴雨中心在流域上的分布是随机的，因此需要(xyo)有足够多的雨量观测站捕捉多变的降雨量，才能较好地反映降雨的空间分布。由于水文工作多以流域(liy)为对象，因此所谓降雨量，多指流域(liy)的平均降雨量。根据雨量(yling)观测站测量的降雨量(yling)来估算流域平均降雨量(yling)的方法有算术平均法和泰森多边形法等。第16页/共260页第十六页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学一、算术平均法 设：在流域(liy)上均匀分布了 个雨量观测站；在某时段第 个雨量观测站测量的降雨量为；流域(liy)的平均降雨量为，则算术平均法的计算式为 算术平均法适用于流域内地形起伏不大，雨量站网分布均匀且较稠密(chum)的地区。第17页/共260页第十七页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学二、泰森多边形法 泰森多边形法又称为垂直平分法。该法是将相邻(xin ln)雨量站用直线连接成若干三角形，然后对每个三角形各边作垂直平分线，连接这些垂直线的交点，得若干多边形，每个多边形各有一个雨量站。第18页/共260页第十八页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 泰森多边形法即以此多边形面积 作为该雨量站所控制(kngzh)的面积，并按下式计算流域的平均降雨量 泰森多边形法适用于雨量站网分布不均匀的流域。该法假定雨量站点所代表的区域在不同降雨过程中视为固定(gdng)不变，因此与实际降水空间分布不完全符合。第19页/共260页第十九页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学5.3 流域(liy)的蓄水容量曲线 考察流域上沿垂向的土柱结构。可以看出，以地下水面为界，土柱被分为(fn wi)两个不同的土壤含水带：地下水面以下，土壤处于饱和含水状态，是土壤颗粒和水分(shufn)组成的两相系统，称为饱和带；地下水面以上，土壤含水量处于非饱和状态，是土壤颗粒、水分和空气组成的三相系统，称为包气带。地下水面地表包气带饱和带第20页/共260页第二十页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 在降雨过程中，流域上产生径流的区域(qy)称为产流区，其占有的面积称为产流面积。在降雨过程中，流域的产流面积变化的。第21页/共260页第二十一页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 降雨特性主要指降雨量、降雨强度和降雨的时间和空间(kngjin)分布；流域下垫面特性(txng)主要指包气带的厚薄、土质、土壤结构和土壤湿度等的空间分布。流域的产流面积的变化与降雨(jin y)特性和流域下垫面特性有关：第22页/共260页第二十二页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 蓄水容量曲线是将流域内各个点，按照包气带蓄水容量的大小排列(pili)，所得到的一条蓄水容量和面积关系的统计曲线，如图。第23页/共260页第二十三页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 由于蓄水容量曲线实质上反映了包气带缺水容量（张力水容量），因而曲线上 可当作流域上各点缺水容量值，为其中最大值；曲线与坐标轴包围(bowi)的面积 为全流域缺水容量值。图中：为流域内各点包气带蓄水容量值，为最大值；为流域各点包气带蓄水容量 的面积(min j)；为流域面积(min j)。第24页/共260页第二十四页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 流域(liy)的总径流量（降雨产流量）为地面径流量与地下径流量 之和，即。5.4 流域(liy)总径流量的计算 当降雨空间分布均匀时，超蓄产流的总径流量可根据蓄水(x shu)容量曲线确定:若流域某时段的初始蓄水为，且该时段的降雨量为，则该时段蓄水容量的增量为：第25页/共260页第二十五页，共260页。其中(qzhng)，为该时段的蒸散发损失；第五章 径流预报 水电能源学 该时段的总径流量为：第26页/共260页第二十六页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 设流域的初始(ch sh)蓄水，由蓄水容量曲线得由于(yuy)已知，故 可根据上式求出。第27页/共260页第二十七页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 于是产流的总径流量及蓄水(x shu)容量增量的分别为：若 则出现(chxin)全流域超蓄产流。若 则流域(liy)上为局部面积超蓄产流；第28页/共260页第二十八页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 流域蓄水容量曲线常采用如下(rxi)抛物线函数：对于闭合流域，可导出下列(xili)一组公式：式中，为经验(jngyn)常数。；，当 时，当 时第29页/共260页第二十九页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 流域(liy)的水量平衡方程式为：式中：为时段初和时段末的流域蓄水容量(rngling)；为时段降雨量；为时段蒸散发量；为时段总径流量;为时段长；为时间。第30页/共260页第三十页，共260页。为流域的蒸散发(snf)能力，其取值与平均温度和日照等因素有关；为最大流域蓄水容量。第五章 径流预报 水电能源学 流域的蒸散发主要由流域的土壤蒸发和植物散发决定。设流域的蒸散发量 与流域的蓄水容量(rngling)成正比，则蒸散发量可采用下列实用计算式计算式中，上式也称为一层蒸散发计算(j sun)模型。5.5 流域蒸散发量的估算第31页/共260页第三十一页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 由于一层蒸散发模型(mxng)在久旱之后的情况下误差较大，此时可采用如下蒸散发计算方法：根据流域蓄水情况，可将流域蒸散发分为三个不同阶段（如图）。其中第一个临界流域蓄水量 应该略小于田间持水量，第二个临界流域蓄水量 应该比毛管断裂含水量小。第32页/共260页第三十二页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学5.6 流域(liy)总径流量的划分 由于超蓄产流时地面径流形成条件之一是包气带达到田间持水量后的超渗，即降雨强度(qingd)超过稳定下渗率，因此可得到如下总径流量的划分方法：考虑到地下径流(jngli)和地面径流(jngli)在汇流特性上的差异，将流域的总径流(jngli)划分为地下径流(jngli)和地面径流(jngli)两部分：第33页/共260页第三十三页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 在超蓄产流的情况下，若稳定(wndng)下渗率空间分布均匀式中，为产流面积(min j)相对于流域面积(min j)的比重。则流域上分布均匀的降雨所产生的地下径流量，取决于产流面积(min j)上降雨强度 与稳定下渗率 的对比关系。第34页/共260页第三十四页，共260页。如果(rgu)，则该时段降雨所产生的地下径流量 应为：第五章 径流预报 水电能源学 如果(rgu)，则有：令流域稳定下渗率为，计算时段为，时段降雨量和蒸发量分别为 和；由该时段降雨所产生的总径流量和相应(xingyng)的产流面积比重为 和。第35页/共260页第三十五页，共260页。例：根据实测的洪水过程线来求取流域(liy)的下渗率。已知某流域(liy)的一次洪水过程所产生的地下径流量为，相应的降雨、蒸散发过程及产流计算所得的时段总径流量、时段末的产流面积列于下表（计算时段），试确定该流域(liy)的下渗率。第五章 径流预报 水电能源学 由以上计算式可知，只要(zhyo)已知流域的，就可把超蓄产流的总径流量划分为地面径流量和地下径流量两部分。第36页/共260页第三十六页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学时间 17日 8:00 14:00 4.2 2.0 0.48 20:00 14.6 10.5 0.7218日 2:00 31.6 29.1 0.92 8:00 25.9 25.9 1.00 14:00 3.2 3.2 1.00 20:00 0.5 0.5 1.0019日 2:00 0.6 0.6 1.00第37页/共260页第三十七页，共260页。以上(yshng)两项之和为，不等于，故说明假定 不合理。设，则根据(gnj)上表数据有 第五章 径流预报 水电能源学第38页/共260页第三十八页，共260页。再设，则有 第五章 径流预报 水电能源学 该两项之和为，与 很接近，故得本次(bn c)洪水过程的下渗率。第39页/共260页第三十九页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学5.7 流域(liy)汇流计算 河网汇流由各级(j)河流交汇而成；流域降雨所产生的径流汇集到流域出口断面的过程称为汇流(huli)。流域的汇流(huli)可划分为坡地汇流(huli)和河网汇流(huli)两个阶段。坡地则指流域上能使雨水直接汇入到各级河流的那部分面积。第40页/共260页第四十页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 由此可见，流域汇流是一种很复杂的水流(shuli)运动。但水文学研究流域汇流的目的，只是为寻找将流域上降雨过程转变为流域出口断面洪水过程的方法。坡地汇流(huli)一般又可分为地面径流汇流(huli)、壤中径流汇流(huli)、地下径流汇流(huli)等汇流(huli)形式。第41页/共260页第四十一页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学一、地面(dmin)汇流计算 单位(dnwi)线的是指：在单位(dnwi)时间内，流域上分布均匀的一个单位(dnwi)地面净雨量形成的流域出口断面地面径流过程线，记为。在工程实践(shjin)中常应用单位线法对地面径流进行汇流计算。第42页/共260页第四十二页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 单位净雨量是指单位时段内流域(liy)的单位净雨深，一般取。单位时段长可选取为 等，具体取值视流域(liy)的大小而定；时间流量过程单位净雨量第43页/共260页第四十三页，共260页。如果单位时段内净雨深不是一个单位，而是 个单位，它所形成的出流过程线，总历时(l sh)与 相同，流量则为 的 倍；第五章 径流预报 水电能源学 如果净雨历时不是一个时段，而是 个时段，则各时段净雨所形成的出流过程之间互不干扰(gnro)，出流断面的流量过程等于 个流量过程之和。第44页/共260页第四十四页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 单位(dnwi)线法计算图示：第45页/共260页第四十五页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 单位(dnwi)线法计算的步骤可写成公式的形式：式中:为时段末地面径流(jngli)出流量；为单位线的纵标值；为时段地面净雨量。第46页/共260页第四十六页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学均为已知，故成为一个(y)以 为未知数的线性代数方程组，求解即可得到单位线纵坐标值。当流域具有实测(sh c)降雨和径流资料时，以上各式的和第47页/共260页第四十七页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 地下水汇流的分析计算(j sun)，理论上属于渗流力学问题。但实践证明，地下水的贮水构造可视作为一个线性水库，地下净雨量为其入流，地下水流量过程为其出流。二、地下水汇流(huli)计算线性水库地下水出流地下净雨量地面第48页/共260页第四十八页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 因此，在水文学中通常基于联立求解以下(yxi)两式来处理地下水汇流问题：式中：为地下(dxi)净雨率，即为降雨对地下(dxi)水的补给强度；为地下水出流量(liling)；为地下水蒸发量；为地下水蓄量；为地下水蓄量常数。水量平衡方程线性水库方程第49页/共260页第四十九页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 若用有限差分法求解以上两式，则可导出地下水汇流计算(j sun)的基本公式式中：为时段初，末地下水出流量(liling)；为地下(dxi)净雨率的时段平均值；为时段长。为地下水蒸发时段平均值；第50页/共260页第五十页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 新安江模型是我国水文(shuwn)工作者经过多年的研究与实践，建立的流域短期径流预报模型，在水库运行的实践中得到了广泛地应用。5.8 新安江模型(mxng)第51页/共260页第五十一页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学一、新安江模型(mxng)的基本原理出口断面 新安江模型(mxng)属分散性概念模型(mxng)，它把全流域分成若干个（个）单元面积。第52页/共260页第五十二页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 新安江模型(mxng)的输入为流域降雨量 和流域蒸散发能力；输出为单元面积蒸发量 和单元面积出口断面流量过程。新安江模型如图所示，模型方框(fn kun)内为状态变量，方框(fn kun)外为模型参数。第53页/共260页第五十三页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学新安江模型(mxng)第54页/共260页第五十四页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 在新安江模型中，首先对每个单元面积作产汇流(huli)计算，得出各单元面积的出流过程 然后进行(jnxng)河道洪水演算，得到流域出流过程 把由每个单元(dnyun)面积算得的流域出流过程相加起来，最后得到流域出口断面总的出流过程第55页/共260页第五十五页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 新安江模型包括产流计算、蒸散发(snf)计算、分水源计算和单元面积的汇流计算。其中：采用超蓄产流概念进行产流计算，并用流域蓄水容量曲线考虑(kol)产流面积的变化；蒸散发损失按三层蒸散发模型(mxng)计算；采用三水源模型将流域的总径流划分为地上流、地下流和壤中流三部分，进行分水源计算；在单元面积的汇流计算中，地上流采用单位线法；壤中和地下流采用线性水库来模拟。第56页/共260页第五十六页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 新安江模型采用(ciyng)三层蒸散发模型:把最大流域蓄水容量(rngling)WM分为上层WUM、下层WLM与深层WDM；流域土壤蓄水量W分为上层WU、下层WL和深层WD。在降雨(jin y)补充土壤蓄水（或土壤蒸发）时：先补充（或蒸发）上层的蓄水WU，上层蓄满（或蒸发殆尽）再补充（蒸发）下层的；同理，再转入深层蓄水WD。（1）蒸散发层计算 二、新安江模型的计算第57页/共260页第五十七页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 新安江模型(mxng)的产流层采用蓄满产流原理：（2）产流层计算(j sun)应用蓄水容量曲线来考虑流域面积(li y min j)上蓄水能力的不均匀性。在这个层次中，雨强对产流量没有作用，产流R决定于降雨量P，以及蒸发量E与W之间的关系：具体的计算方法已在前面进行了介绍。第58页/共260页第五十八页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 新安江模型把界面上的产流机制，用一个(y)线性自由水库来模拟。其中：S为自由水蓄量，SM为其最大值。（3）分水源(shuyun)层计算 壤中流水库地下水库自由水库地面径流壤中流地下水出流第59页/共260页第五十九页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 当SSM时，则多余的部分就要形成地面(dmin)径流TRS。此时的地下水出流（TRG）为SM乘于相应的出流系数。第60页/共260页第六十页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 计算出来的RG可认为已进入地下水库，再经过(jnggu)地下水库的消退，就是地下水对河网的总入流TRG。计算出来的RSS可以认为已是壤中流对河网的总入流TRSS，上图还设置了一个(y)壤中流水库，再做一次调蓄作用。按照蓄满产流模型求出的产流量(liling)R，先进入自由水蓄量，再划分水源。另外，蒸散发是在流域土壤蓄水W中消耗，自由水S全部产流。第61页/共260页第六十一页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学（4）汇流(huli)层计算 新安江模型的汇流过程(guchng)分为两个部分：其一是单位面积上的汇流过程，包括(boku)地面径流的汇流，地下水汇流和壤中流汇流；其二是单位面积以下的河网汇流过程。在单位面积上的地面径流采用单位线法进行计算；单位面积上的地下和壤中径流的出流过程则采用线性水库来模拟。第62页/共260页第六十二页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 新安江模型(mxng)属分散性概念性模型(mxng)：因此(ync)，新安江模型的参数应按其物理意义，通过实测来率定。所谓分散性，是指新安江模型把全流域分成若干个单元面积，分别进行(jnxng)产汇流计算；所谓概念性，是指新安江模型的参数是具有一定的物理意义。三、新安江模型参数率定方法第63页/共260页第六十三页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 通常(tngchng)采用的新安江模型参数率定方法是：（1）按实测值或经验(jngyn)选择参数的初始值；（2）将所选择(xunz)的参数初始值代入模型，计算产汇流过程；（3）将计算的产汇流过程与实测过程进行比较，并以误差最小为原则，确定模型参数的最佳值；（4）按参数的物理意义进行论证，检查模型参数是否合理，有必要时返回（2）再进行调整。第64页/共260页第六十四页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学5.9 人工神经网络模型(mxng)人工神经网络(ANN)理论是20世纪80年代中后期迅速发展起来的一个新的研究领域。人工神经网络是模仿生物结构和功能的信息处理系统(xtng)，具有高度非线性，能够进行信息存储、大规模并行分布处理、学习分类和优化计算等，因此是处理非线性系统(xtng)的有利工具。第65页/共260页第六十五页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 近年来人工神经网络在水文分析和水文预测中的应用(yngyng)越来越广泛，并取得良好效果。神经网络种类有多种，其中(qzhng)应用最为广泛的为BP人工神经网络(Error-Back-Propagation-Network误差反向传播网络)。水文系统是一个严格的非线性系统，它包含(bohn)着系统时间和空间变化的非线性特性。第66页/共260页第六十六页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学一、神经网络的基本概念 人类大脑的神经网络系统是由许多细小的神经网络细胞单元（简称“神经元”）所组成，它们相互连接构成(guchng)人类大脑中立体的神经网络系统。树突 轴突 突触 神经细胞 第67页/共260页第六十七页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 在人脑的神经网络系统中，最基本的单元是神经元。每一个神经元包括神经细胞(shn jn x bo)体和突起两部分。其中：神经细胞体不仅(bjn)是新陈代谢的中心，而且还是接收与处理信息的部件。神经元不仅通过突起向其它神经元发送生物电信息，而且还通过突起收集来自(li z)其它神经元的生物电信号。第68页/共260页第六十八页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 由此可见，人脑神经网络的结构具有并行、分布的特点，信息的处理与存储是通过(tnggu)大量的神经元的分布来实现的，因而具有极高的容错能力、快速的推理能力和强大的联想能力，与传统的冯诺依曼式串行计算机的处理方式有着根本的不同。第69页/共260页第六十九页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学二、人工神经网络 人工神经网络系统是对人类大脑神经网络系统的一种物理结构上的模拟，即以计算机仿真(fn zhn)的方法，从物理结构上模拟人脑，以使系统具有人脑的某些智能。也就是说，人工神经网络的工作原理来源于人类的大脑，其结构、学习(xux)算法、性能分析都是模拟大脑工作的产物。第70页/共260页第七十页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学隐含层输入层输出层x1x2x3x4x5A1A2A3y1y2O1O2w1w2(a)网络结构(b)作用函数 人工神经网络从网络拓扑上可以(ky)看成是以神经元为结点，用加权有向弧连结而成的有向图。第71页/共260页第七十一页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 网络由输入节点层、隐节点层、输出(shch)节点层和层间节点的连接所组成:输入节点层各节点分别表示(biosh)输入数据的一项，其节点个数与输入数据的维数一致；输出节点层则对应(duyng)于输出数据，与期望输出值的维数相一致；隐节点层则为中间过渡节点层，参与从输入到输出的变换，可以不止一层，相当于增加了映射的次数。第72页/共260页第七十二页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 在上图所示神经网络系统中，假定单元 是输出层中的一个(y)典型单元，而单元 是前面一层中的一个(y)典型单元。在给定了初始权值和输入样本值后，后一层中的单元首先从前层单元接收输入激励：式中：是前层中第 个单元(dnyun)的活性水平；是前层中第 个单元(dnyun)同后层第 个单元(dnyun)间的连接权值。第73页/共260页第七十三页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 然后，该单元使用总加权输入(shr)的某个作用函数来计算活跃值。对非线性网络，一般使用Sigmoid函数：这样(zhyng)，网络结点的活跃值便可以逐层传至输出结点。第74页/共260页第七十四页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 由此可见，人工神经网络的层间节点通过作用强度连接；从输入到输出的节点值的传播是由连接强度和作用函数来实现的；作用函数将节点收集(shuj)到的输入作非线性变换，从而使网络具有非线性。第75页/共260页第七十五页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 当确定了所有输出单元的活跃值之后(zhhu)，网络误差便可依下式得出式中：为网络误差(wch)；为输出层中某单元的活跃值；为该单元在某样本下的理想输出。第76页/共260页第七十六页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 为了使网络能在给定的输入下得到给定的输出，就必须调整网络的权值，神经网络对知识的表示(biosh)完全是通过其权值 分布来实现的。权值调整的目的就是使网络输出尽可能接近于样本输出，即使网络输出与理论输出间的误差最小。式中：为训练样本数。第77页/共260页第七十七页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 人工神经元网络对知识的掌握是通过对样本的学习来实现的。通过对大量的实例样本的学习，网络用尝试错误法来不断减少错误和修正权值、阈值(y zh)，从而掌握蕴含于样本集中的难以用解析形式表达的知识，网络通过权值的调整来记下所学过的样本，并掌握输入和输出间的关系。第78页/共260页第七十八页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 BP是当前在前馈型神经网络中研究得最为成熟(chngsh)且应用最广的一种有监督学习算法。BP算法的主要思想是把学习过程分为两个阶段：输入层隐含层误差传播方向（学习算法）期望输出向量（导师信号）+信号流方向输出层第79页/共260页第七十九页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 第一阶段为正向传播过程：给出输入信息，通过输入层经隐含层逐层处理(chl)，并计算每个单元的实际输出值；第二阶段为反向传播过程：若在输出层未能得到(d do)期望的输出值，则逐层递归地计算实际输出与期望输出的差值（误差），并以此为根据调整权值。由于神经网络节点的激活函数为Sigmoid函数，则正向(zhn xin)传播的传递函数是可导的，故误差反向传播学习方法可用最小均方算法（LMS法）进行。第80页/共260页第八十页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 BP网络(wnglu)训练算法的计算步骤可概括如下：1）初始化BP 网络(wnglu)，选定权值；2）重复下述过程直到网络(wnglu)收敛；对 到正向过程：计算每层单元(dnyun)的，反向过程：对各层（）的各个单元(dnyun)，计算初始值：修正(xizhng)权值：其中，为该神经元所在网络的层数;为步长;为作用函数。第81页/共260页第八十一页，共260页。为时段序号；为流域(liy)的汇流时间（时段数）；为第 个时段的降雨量；第五章 径流预报 水电能源学三、径流预报(ybo)的BP网络模型 1、输入(shr)层 输入层共有 个结点，分别为 其中：为流域出口的径流；为流域的蒸发能力。第82页/共260页第八十二页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 设流域的总面积(min j)为；在流域上设置了 个水文观测站；相应的控制面积(min j)为。当 时段水文观测站测量的降雨量为 时，则该时段流域上的总降雨量为 第83页/共260页第八十三页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学2、隐含(yn hn)层 根据人工神经元网络理论，BP型多层网络的映射性能力与隐层的层数和隐单元的数目有关，虽然这种关系没有严格的数学(shxu)表达式，但大量实验结果表明：无隐层的前向网络只能完成线性映射或多维空间的线性分割；有隐含(yn hn)层的网络可以实现任意域的分割，即任意L上0，1到R的映射G，都存在一个3层BP网络可以任意逼近G。第84页/共260页第八十四页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 因此(ync)，在径流预报中选用了三层BP网络，即除输入、输出层外，有一个隐含层。另外，可以根据经验公式 确定隐含层结点的初始个数，其中：分别(fnbi)为输入和输出层节点数。在此基础上通过试验最终确定(qudng)隐含层结点的个数。第85页/共260页第八十五页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学3、输出(shch)层 根据径流预报(ybo)问题的需要，选择输出层节点为下一时段的流域出口断面的径流。径流预报(ybo)BP神经网络模型如下图。第86页/共260页第八十六页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学应用BP网络进行(jnxng)径流预报示意：第87页/共260页第八十七页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学4、BP网络(wnglu)的训练 根据人工神经网络理论，网络的泛化能力与训练样本的数量和质量有关。因此，在选择训练样本时，应选择历史上有典型(dinxng)特征的洪水过程。第88页/共260页第八十八页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 由于BP网络的作用函数采用了Sigmoid函数，该函数的输出为0到1之间的数，所以需要对训练样本的输出部分（流域出口断面(dun min)的径流量）要作归一化处理。同样，对于输入部分也需要作归一化处理。一方面是由于在输入部分中含有归一化后的流量；另一方面是因为归一化可以有效(yuxio)地提高网络训练的收敛速度。第89页/共260页第八十九页，共260页。；一般(ybn)取第五章 径流预报 水电能源学 在进行归一化处理(chl)时，可以采用变尺度法，如降雨量其中：加2的原因是为了使降雨量为0时，能避开作用函数的非线性区间(q jin)；根据历史降雨量数据确定最大值。第90页/共260页第九十页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 采用BP网络预测流量曲线和实际流量曲线及部分(b fen)预测误差：第91页/共260页第九十一页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学1、测量误差 一、产生预报误差(wch)原因 实测的水文，气象要素以及土壤，植被(zhbi)，地形等资料，是编制预报方案的主要依据。但受自然条件和观测技术，仪器精度等客观条件的影响，使观测值有误差。5.10 径流预报(ybo)的误差分析第92页/共260页第九十二页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学2、预报模型(mxng)误差 影响水文(shuwn)要素的因素是很多的，现行的预报模型通常是在一定物理成因基础上作某些固定与简化，选用的较为主要的因素，按平均情况建立模型，一些被略去的因素，是造成预报误差的重要原因之一。3、计算方法误差(wch)由于在水文、气象要素计算过程中，采用的方法不够严密所带来的预报误差。第93页/共260页第九十三页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学4、资料(zlio)代表性误差（抽样误差）由现有的水文资料分析所得的水文规律，不能完全代替总体的、未来的水文规律，尤其是当大洪水资料过少时，这种抽样误差往往较大(jio d)，也是造成预报误差的主要原因之一。此外，在预报过程中，还存在实时(sh sh)信息掌握不全和人类经济活动等影响所带来的误差。第94页/共260页第九十四页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学二、预报(ybo)精度分析 在工程实践中，径流预报的可靠性、精度和误差是否超越了允许范围，都需要由评定或检验给予(jy)解答。所以，预报精度分析的目的是：1、评定(pngdng)和检验预报模型的可靠性以及预报值的精度，进而确定已建立的预报模型和采用的计算方法是否合理和适用，其精度能否满足生产上的需求。第95页/共260页第九十五页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学2、了解和掌握预报模型的适用范围、误差分布情况以及预报值可能存在的大小，使发布预报人员合理使用预报方案，应用预报的单位能正确使用预报成果，并且通过不同预报方法间实际效果的比较，发现存在的问题，从而(cng r)推动水文预报技术的发展。第96页/共260页第九十六页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 许可误差是人们根据预报(ybo)的水平、资料条件、计算方法和手段、生产上要求以及对已有的预报(ybo)误差资料的统计分析而确定的误差允许范围，作为评定预报(ybo)精度的标准。三、径流(jngli)预报的许可误差第97页/共260页第九十七页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 净雨深的允许误差为实测资料值的20%；峰值流量的允许误差为实测值的20%；峰值流量出现时间(shjin)的允许误差为一个计算时段。径流(jngli)预报的许可误差为：第98页/共260页第九十八页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学 短期水文预报虽能在水库防洪(fnghng)调度中发挥重要作用，但由于其预见期短，不能满足水库综合调度的要求。5.11 中长期水文(shuwn)预报的方法 中长期水文预报的预见期一般可达一年，甚至(shnzh)更长。所使用的途径和方法与短期预报有明显差异短，研究和掌握其预报方法具有重要的现实意义。第99页/共260页第九十九页，共260页。第五章 径流预报 水电能源学1、天气学方法(fngf)一、中长期