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非参数解集模型的应用研究
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摘要
水文随机模拟是随机水文学中重要的组成部分,建立合理的水文模型进行随机模拟是水文科学研究的一种手段和方法,对水利水电工程的规划、运行及管理具有非常重要的意义。
     本文采用王文圣等学者的方法,应用非参数解集模型和改进非参数解集模型,以陕北地区7个水文测站的月径流和汛期日径流为例,探讨研究这两种模型在径流随机模拟中的应用问题。主要研究内容和结论如下:
     (1)综述国内外在水文随机模拟方面的研究进展,总结其存在的问题。
     (2)核密度估计理论和单变量核密度估计模型。研究核函数和带宽系数的选取及模型阶数的确定。模型用于年径流过程的随机模拟,检验结果表明,除了一、二阶自相关系数和Cs外,该模型对其它的统计特性均保持得较好,可以表征年径流过程的统计特性,模拟效果比较理想。
     (3)非参数解集模型。非参数解集模型模拟实测月径流序列的实践表明,模型对大多数测站的月径流的均值、均方差、Cv、Cs、最大值、最小值、一阶自相关系数和二阶自相关系数都保持的比较好,较符合流域水文特性,但是存在首位自相关不一致的问题。由于核函数有光滑作用,导致Cv偏大,Cs略偏小。非参数解集模型模拟汛期日径流序列的实践表明,模型能较好的表征汛期日径流序列的截口统计参数、汛期时段径流量和各月径流量的统计参数以及洪峰季节性变化等统计特性,模拟效果较好。非参数解集模型用于水文水资源的随机模拟是可行的。
     (4)探讨不同矩阵的分解方法。在模型的计算机实现过程中,涉及到矩阵分解的问题。对于正定矩阵,可采用Cholesky分解法和Schur分解法进行分解,而非正定矩阵只能采用Schur分解法进行分解。由于研究测站少,资料系列较短,对于协方差矩阵正定的测站而言,目前还无法确定采用那种分解法更能反映实测系列的统计特性,有待于进一步的研究。
     (5)改进非参数解集模型。在月径流模拟中的应用实践表明,模型对各月径流量的均值、均方差、Cv、最大值、最小值、一阶自相关系数和二阶自相关系数均保持得较好,模拟值与实测值比较接近,克服了非参数解集模型首位自相关不一致的问题,但是,各月径流的Cs保持相对较差。而在汛期日径流中的应用实践表明,改进非参数解集模型与非参数解集模型的模拟效果基本一致。
Hydrology stochastic simulation is an important part of stochastic hydrology. A rational hydrological model is a kind of means and methods which has the great significance for the hydraulic engineering’s planning, operation and management.
     This thesis quoted the methods which had given by Wang Wensheng and other scholars, taking the monthly runoff series and flood runoff series of 7 stations in Shaanbei region as examples, and applied nonparametric disaggregation models and improved nonparametric disaggregation model to their application of runoff simulation. The major results of the thesis are as follows.
     (1) Reviewed domestic and international progresses in hydrological stochastic simulation, and summarized the existing problems.
     (2) Reviewed the theory of kernel density estimation and univariate kernel density estimation models. Kernel function and bandwidth coefficient were selected and model orders were determined. Except first-order and second-order autocorrelation coefficient and Cs, this model can maintain good statistical properties of the observed series and characterize the process of annual runoff. The result is rationable.
     (3) Nonparametric disaggregation models. The practice of simulation monthly runoff using nonparametric disaggregation model shows that the model maintains good statistical properties of the observed series on mean, square deviation, Cv, Cs, maximum, minimum, first-order autocorrelation coefficient and second-order one, which in line with the hydrologic characteristics of watershed. Due to smooth of the kernel function, Cv is large, Cs slightly smaller. The results of simulation daily runoff in flood reason shows that the model can better characterize statistical parameters of different section, describle month runoff during the flood reason and reasonable feature of flood peak. It is feasible to nonparametric disaggregation model for stochastic simulation of hydrology, and result is reasonable.
     (4) This thesis discussed the method of the different matrix decomposition. When model were implemented by computer, it involved matrix decomposition. Both Cholesky decomposition and Schur decomposition can be decomposed for positive definite matrices, but for no positive definite matrices, Schur decomposition can be used. Because of a few stations and short series, it’s hard to determine and need to further study that which decomposition method for the stations which covariance matrix are positive.
     (5) Improved nonparametric disaggregation model. The results of simulation monthly runoff using improved nonparametric disaggregation model shows that the model maintains good statistical properties of the measured sequences on mean, square deviation, Cv, maximum, minimum, first-order autocorrelation coefficient and second-order one, yet Cs relatively poor. The model simulated values are similar to measured ones overcomes the first autocorrelation not consistent. The results of simulation daily runoff in flood reason show that the simulation effects are basically consistent for both nonparametric disaggregation model and improved nonparametric disaggregation model.
引文
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