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14.王文。水文数据同化方法及遥感数据在水文数据同化中的应用进展 15

15. particle filter-based assimilation algorithms for improved estimation of root-zone soil moisture under dynamic vegetation conditions 15

关键词】可变模糊集；模糊优选神经网络；水文水资源；模拟；评价；决策。

摘要】水文学是水资源学的基础，服务于水资源学。水资源系统的研究不仅要考虑水文系统中的自然影响因素，更要考虑社会和经济等人文因素。水文水资源系统具有自然性、社会性、开放性等多种特性，其影响因素复杂而繁多，包括大量确定性信息，以及难以确知和精确量化的不确定性信息，这些不确定性信息主要表现为随机性和模糊性。

模糊性是水文系统和水资源系统所共有的特性，其研究始于20世纪80年代陈守煜创建的模糊水文学，后拓展为模糊水文水资源学，在数学上现已发展为可变模糊集理论。该理论不仅是研究水文水资源系统中模糊性与非线性问题的理论，也是研究模糊系统中具有自然和社会双重属性问题的有力工具，包括模拟、决策和评价等系统理论、模型和方法。本文在该理论基础上，对水文水资源系统中的部分模拟、决策及评价问题进行了应用研究，主要内容和成果如下：

(1)针对模糊优选神经网络bp算法训练得到的连接权重常常需要考虑求解区间的问题，提出了给定求解区间的bp算法，该算法训练时对连接权重的求解区间进行了设定，避免了原算法中容易出现的过学习问题。并基于该算法对云南蒋家沟粘性泥石流平均流速进行了训练和检验，训练采用三层神经网络结构，综合考虑训练和检验精度，确定了试算范围内的最优隐节点数，表明了该算法的有效性。 (2)模糊优选神经网络模型赋予了激励函数物理意义，其应用需要根据实际问题建立固定的表达结构，并设定连接权重的求解区间。

其中求解区间应根据具体问题确立，是明示连接权重物理意义的关键。以咸淡轮灌试验为研究对象，建立了作物水盐响应关系的固定表达结构，设定连接权重的求解区间为[0,1],符合权重的物理意义，对作物水盐响应关系进行了模拟。模拟结果不仅比传统jenson模型具有更高的精度，而且训练得到的连接权重也较好的表达了棉花籽棉产量对不同处理的响应关系，为咸淡轮灌灌溉制度的制定提供科学依据。

(3)咸淡轮灌灌溉制度是微咸水灌溉实施的关键，在方案的选取中不仅要考虑微咸水矿化度及灌水量对作物产量的影响，同时应统筹考虑节约淡水量和对土壤生态环境的影响，属于定性与定量目标并存的多目标半结构性决策问题。应用陈守煜提出的多目标半结构性模糊最优决策方法对咸淡轮灌方案进行了优选，其中作物产量影响水平目标的量化以模糊优选神经网络模型的作物水盐响应关系为依据，并分析了土壤生态环境影响程度目标在变权重条件下决策结果的稳定性，为微咸水灌溉多目标半结构性最优决策提供了有效的决策方法。 (4)模糊优选神经网络模型目前只有单目标输出bp算法的相关研究，针对非线性模拟中，通常会面临多个目标输出的现象，故将模糊优选神经网络模型的单目标输出结构拓展为多目标输出结构，并应用该算法对咸淡轮灌技术下作物生长多项观测值进行了模拟，结果表明模糊优选神经网络模型可以较为精确的对作物生长多项观测值进行模拟，其在多目标非线性模拟中具有较好的应用价值。

(5)对模糊可变评价方法进行了应用性研究，应用对象为土地适宜性评价与区域水资源可持续利用评价，两例应用展现了评价体系为多层次、多指标、多模型的评价过程，与其它方法相比，模糊可变评价方法通过模型集c_a与模型参数集c_b的变化可得到更可信的评价结论，同时模型参数集c_b(权重集)的变化消弱了主观因素对评价的影响，使评价结论更具说服力。最后对全文做了总结，对有待于进一步研究的问题进行了展望。

摘要】本文在分析水文学研究现状及水文系统不确定性分析方法的基础上，阐述陈守煜教授建立的模糊水文水资源学发展历程及其在水文系统中的研究与应用现状，针对水文系统不确定性存在的复杂性与普遍性特点，对水文系统中的模糊不确定性进行了理论及应用研究。取得的主要研究成果如下： (1)通过分析指标值与目标期望值之间的关系，本文提出加权平均优选权重的算法，建立迭代算法模型。

将此算法应用于计算龙凤山水库的流域r平均面雨量，体现了对泰森多边形法权重的优选过程。经过迭代模型对参数率定与检验的误差分析，总平均误差及每个样本的误差比泰森多边形法的误差要小。最后运用提出的模型与传统的泰森多边形法分别计算各场次洪水面雨量，并采用模糊优选神经网络模型进行径流预报与比较，说明迭代模型计算面雨量方法的可行性。

(2)本文以陈守煜建立的模糊模式识别理论的构架为基础，鉴于设计洪水发生中客观存在的随机性与识别中存在的模糊不确定性，提出采用耦合思路，使随机分析、模糊分析有机地结合起来，全面和客观地统一考虑不确定性。本文运用洪峰及洪量的频率标准规格化公式，相对于设计洪水的标准模式，采用模糊识别方法，选择实际发生的与设计洪水指标值最为接近的实际洪水作为典型洪水。实例应用确定音河水库主汛期及后汛期实际发生的典型洪水，并进行合理性及不确定性分析。

(3)本文应用陈守煜教授建立的模糊水文学方法来确定音河等水库汛期相对隶属度，计算设计汛限水位变化过程。设计汛限水位过程线的确定，改进了全汛期只保持一个设计汛限水位及经验性分期确定台阶式的汛限水位的不足。当音河水库在汛后期发生1％设计洪水时，没有超过最高设计洪水位及水库安全泄量要求，说明水库按此设计汛限水位过程调控是安全的。

(4)本文基于陈守煜教授提出的模糊聚类算法，提出类别的广义欧氏加权距离差异分析和加权f—检验相结合的方法进行聚类效果的不确定性分析。加权f—区间合理性检验中，引入了采用相对隶属度值判别分区类别方法。在岷江流域选择七个反映下垫面条件的分类指标，将成因分析与二元对比分析法相结合确定指标权重，通过区域代表站的模糊聚类分析与效果检验，结合设站的基本原则初步选择了具有代表性的测站。

(5)由于水文现象的复杂性、不确定性以及人类思维的模糊性，在实际决策问题中，决策信息往往以区间数形式来表达。因此，对于区间数之间的比较及其排序问题的研究有着较重要的理论意义与实用价值。为了解决此问题，本文引入了区间数两两比较的可能度公式，提出了一种基于可能度的区间判断矩阵优选排序方法，并运用它来确定设计洪水峰、量参数的权重，为实际设计洪水的识别提供资料。

最后对全文进行了总结，并对有待进一步研究的问题进行了展望。

关键词】大尺度水文；分布式水文模型；陆面过程模式；陆气耦合；径流模拟。

摘要】为了确定大尺度区域水文循环及能量收支、能够根据gcm给出的气候**，研究和解决变化环境中的水文水资源问题，评估和监测大流域的径流过程和水资源量的动态变化规律，需要研制和建立大尺度分布式水文模型。气候变化中陆面水文过程既是重要的参与者，同时也受到这些变化的影响。对气候模型中陆面水文过程的了解和模拟能力，依然是气候变化可靠**的前提。

目前气候模式中对水文过程处理相当粗糙，尤其是对径流作过分简单的处理。为了改善全球环流模型中对陆面水文过程的描述，提高气候模型的模拟**精度，有必要实现大尺度水文模型与气候模型的联结耦合。为了研究变化环境中的水文水资源问题以及改善陆面模式中对水文过程的描述，以提高gcm的模拟**精度，本文主要进行了以下研究内容：

(1)分布式大尺度水文模型的研制及应用。以新安江流域水文模型为基础，建立了以网格为计算单元适合大尺度应用、时间尺度为月的分布式水文模型。所建模型主要供评价气候变化对水文水资源影响之用，同时也为陆气耦合所要求的水文模式作初步**。

研究区域为淮河流域27万平方公里，并对该流域 1953-2024年的逐月流量过程进行了模拟计算，分析了假定的气候变化情景对淮河流域年径流的影响。 (2)新安江网格化月水文模型的改进。由于计算时段加长，雨强均化，导致原新安江月水文模型在淮河流域的应用中，网格径流深出现了大量不合理的零值。

本文提出了改进办法，通过对模型应用结果的分析，说明改进后的新安江月水文模型，其产流计算更加合理。针对研究过程中所遇到的实际问题，本文提出了两种解集方法，将月降雨量解集到日。然后以时间步长为日，运行新安江模型，用模拟的月径流过程验证了解集方法的合理性。

(3)水文模型与陆面模式的耦合研究。这里耦合的含义是指，把水文学中的产汇流概念和理论用于陆面模式中以改善以往陆面模式对水文过程描述的不足。而已包含在气候模型中的陆面模式正是水文模型与气候模型耦合的共同界面。

本文在已建立的陆面模式**im中，引入产汇流模型，模拟了内蒙古锡林河流域 1991-2024年的土壤温湿状况、地表通量和径流量。并对耦合水文模型的陆面模式做了敏感性试验，结果表明，陆面模式中径流的描述合理与否，将＠8 一对土壤温湿及地表通量产生显著影响。

关键词】北运河流域；洪水预报；系统集成；水文水动力学模型；神经网络。

摘要】2024年北京奥运会对北京市的城市建设、水质、供水和洪水安全等方面提出了严格的要求。北运河是北京市北部区域重要的泄洪通道，其流域的洪水预报和调度系统是北京奥运会重要的安保措施之一，建立该区域快速和准确的预报与调度系统具有重要的现实意义。北运河流域面积不大，约4348 km2,但流域内河流纵横交错，水利工程设施较多，包括水库、蓄滞洪区和河流上的闸门等。

过去在洪水调度时一般闸门均敞泄运行，但本次研究调度工作时，不仅要保证防洪的安全，还需要考虑洪水资源的利用，因此调度工作涉及到了每一个闸门的具体运用方式，在关键的北关分洪枢纽处，还需要回答每一个闸门的具体操作，包括哪个闸门启闭和开启的高度和时间，显然闸门群和闸门间的精确调度是一个复杂的水动力学问题，而**流域及其河道的来水规律又是一个典型的水文学问题，将复杂的水动力学模型与典型的分布式水文模型耦合是本**的研究重点之一。由于传统的水动力学模型和基于栅格的分布式水文模型依赖于精细网格的划分，其计算的工作量较大，一般难于满足实时调度的要求，因此将计算模型与神经网络快速**模型进行连接，提高**的效率是**的另一个研究重点。在上述研究的基础上，**基于webgis系统和浏览器/服务器(b/s)结构，建立北运河流域洪水预报与调度系统，该系统集雨情实时传输，流域产汇流，河道洪水演进，水库、闸门调度以及洪水溃堤后淹没范围的模拟为一体，具有计算结果快速演示、数据管理、结果查询和决策支持等功能。

开发系统需破解的难点有：对不同模拟对象如何选择合适的模型，不同模型之间的耦合和连接，在保证精度的前提下提高系统的效率，选择先进的系统平台，实现人机界面对话，模拟结果直观显示和网络查询等。**以北运河流域实测降雨(1998.

7.3~7.6)和该流域主要断面的调查流量来率定北运河流域洪水预报与调度系统的相关参数，以不同设计降雨(设计频率为和100年)和相应断面水位为验证资料，验证了北运河流域不同设计降雨情况下流域产汇流、支流汇入、交叉河道洪水相互顶托以及水库、闸门调控等因素对洪水演进的综合影响。

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