[发明专利]一种基于Budyko理论的水文随机插值径流预测方法

说明书

本发明公开了一种基于Budyko理论的水文随机插值径流预测方法，包括以下步骤：确定待预测流域，所述流域分为多个子流域；利用Budyko理论对每个子流域多年平均年径流深进行空间预测，得到年径流预测值，作为径流的确定性成分；利用水文随机插值方法对多个子流域多年平均年径流预测偏差进行插值，作为径流的随机性成分；利用所述确定性成分与随机性成分耦合，得到最终预测径流。本发明用于预测无资料地区的径流深并解释径流的空间分布特征，提高了径流预测精度，为径流区域化提供了一种新的思路和方法。

技术领域

本发明涉及一种基于Budyko理论的水文随机插值径流预测方法，尤其是涉及无资料地区的径流预测、径流空间分布特征及规律分析领域，属于水文学及水资源技术领域。

背景技术

采用空间插值技术的径流图化研究可用于揭示流域的水资源空间分布特征、预测无资料地区的多年平均年径流，这是水文学的基本问题之一，也是水资源规划管理的研究热点。与基于点观测的降水和潜在蒸散发不同，流域出口的径流观测受到整个流域降水和下垫面特征的共同作用，而非仅代表某点的径流特征，因而径流的空间插值不仅受实测径流值控制，也与河流水系的区域水文特性有关。

从水文学的确定性角度来说，流域的径流过程是区域水文循环的重要组成部分，分布式降雨径流模型能模拟径流对降水的响应，模型的径流模拟结果也解释了其区域空间分布规律。然而这种方法很大程度上依赖于数据集的可用性。考虑到水文气象要素和下垫面特征的径流区域化的插值方法一定程度上可弥补分布式模型的不足，再如建立径流和气象、土地利用和地形等控制要素的经验关系来进行空间插值。但经验关系仅适用于特定流域并不能不经验证而直接应用于其他类似流域。Budyko理论作为一种相对简单的半经验性公式，常用来估计多年尺度下的陆面的水量平衡问题，定量分析区域降水转化为蒸散发和径流的比例，预测无资料地区的可利用水量和径流变化特征。然而Budyko理论能较好描述大流域尺度上的水文-气象特征，对特定流域或地区的径流或蒸发预测还存在较大偏差。为提高Budyko区域水文预测方法的精度，很多研究尝试建立曲线参数与土地利用方式/植被、地形、气候变异性等的关系，然而尚未将Budyko预测值与流域实测径流的偏差作为区域统计特性纳入考虑。

地统计插值方法(克里金插值)基于区域变量的统计特征相似性，其特定位置的变量估计值是所有样本区域变量值的加权组合。传统的地统计插值方法的变量空间相似性由基于空间欧氏距离的点对之间的变异函数来描述。克里金插值作为一种最优线性无偏估计方法，使预测值和实测值的方差最小。根据对确定性趋势值的不同处理，克里金插值可以分为不同的类型。如普通克里金插值(Ordinary Kriging)以未知常量作为确定性趋势值，泛克里金插值(Universal Kriging)以空间坐标的回归方程作为确定性趋势，块克里金(block-kriging)不同于普通克里金插值等常规克里金方法，估计的是块状区域变量值而非针对点估值，因而点与点的变异函数由点与方块变异函数代替。

随机插值方法是水文气象领域区域变量的常用插值方法，尤其是降水、蒸发这样的空间点过程。如将该类方法应用于径流插值那就意味着忽略了流域的横向径流形成过程，将空间连续的径流过程作为空间点特性，因而丢失了径流的空间变化特征，可能会导致径流的过高估计。

沿河流流动的水流受嵌套水系结构的影响，是空间连续的整体过程，有嵌套关系的流域上下游集水区域与相邻的无水力关系的流域插值过程有所差异，因而传统的地统计插值方法不适用于径流插值过程。也就是，传统插值过程中采用的欧式距离多数情况下不能很好的适用于径流插值过程中的嵌套流域的空间距离的定义。考虑到水系结构的影响，Gottschalk开发了一套径流水文随机插值方法，同时考虑了径流的空间联系整体特性以及流域分级水系结构的共同作用，重新定义了流域空间距离的计算，点对之间的变异函数由流域的变异函数代替，并增加了水量平衡约束。但是该统计方法并未考虑到区域多年平均年径流受气候和下垫面影响的确定性趋势组分，同时前人的工作也表明同时考虑区域变量的随机和确定性规律，并将其同时应用于水文气象地统计领域有较好的适用性。

发明内容