本發(fā)明屬于水文預(yù)報，具體涉及一種耦合機器學(xué)習(xí)和物理過程模型的徑流過程校正方法。

背景技術(shù)：

1、隨著社會的快速發(fā)展，洪澇災(zāi)害以及水資源短缺帶來的問題日益突出。為了降低洪澇災(zāi)害對財產(chǎn)安全帶來的不確定性，目前我國防洪減災(zāi)手段主要可以分為防洪工程措施以及防洪非工程措施兩大類。作為防洪非工程措施的重要一環(huán)，水文預(yù)報在社會經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展、防洪防澇等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。水文預(yù)報是一項理論性強、應(yīng)用要求高的工作。徑流預(yù)測在流域水資源規(guī)劃設(shè)計以及水利工程防洪防澇等方面具有重要意義，但是由于氣候變化以及人類活動的影響，降雨徑流過程表現(xiàn)出高度的非線性以及不穩(wěn)定性，準(zhǔn)確的徑流預(yù)測工作難度較大。

2、目前，徑流預(yù)測模型主要分為物理過程模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型兩大類。物理過程的水文模型具有一定的物理意義，但是由于對水文過程機制的認(rèn)識存在一定程度的不足，且模型的復(fù)雜程度高、參數(shù)多，模型在實際應(yīng)用中存在挑戰(zhàn)。相較之下，數(shù)據(jù)驅(qū)動水文模型僅通過挖掘輸入和輸出數(shù)據(jù)之間的相關(guān)聯(lián)系進(jìn)行預(yù)測，不需要考慮徑流形成過程的實際物理意義。其中機器學(xué)習(xí)模型在徑流序列的分析和預(yù)測方面具有一定優(yōu)勢。但是由于機器學(xué)習(xí)模型的黑箱屬性使得其難以從物理原理的角度進(jìn)行解釋，因此當(dāng)使用該方法進(jìn)行預(yù)測時，可能會存在可信度的問題。

3、本發(fā)明將物理過程模型和機器學(xué)習(xí)模型耦合起來以解決兩類模型的局限性。目前利用機器學(xué)習(xí)模型對物理過程模型進(jìn)行徑流校正的研究主要基于終端校正的方式——即僅對物理過程模型的最終輸出進(jìn)行校正，而沒有考慮模型本身對徑流形成的產(chǎn)匯流過程的描述，未能對產(chǎn)匯流過程進(jìn)行校正，同時沒有考慮校正過程的物理一致性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種耦合機器學(xué)習(xí)和物理過程模型的徑流過程校正方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種耦合機器學(xué)習(xí)和物理過程模型的徑流過程校正方法，包括以下步驟：

3、s1、收集研究區(qū)域的歷史水文氣象資料，對數(shù)據(jù)的可靠性、一致性以及代表性進(jìn)行審查，并進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化后的樣本；

4、s2、耦合模型的構(gòu)建；

5、s3、基于訓(xùn)練好的耦合模型，采用水文氣象資料開展流域徑流預(yù)報。

6、采用上述方案，由于物理過程模型在不同程度上對水文過程存在不同程度的簡化，且模型的復(fù)雜程度高、參數(shù)多，對數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求較高，在實際應(yīng)用的過程中存在較大挑戰(zhàn)。機器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行徑流預(yù)測時，在使用中雖然具有較高精度，但是仍存在過程上的不可解釋性以及未考慮實際物理過程的一致性。將兩類模型進(jìn)行耦合可以實現(xiàn)在考慮流域?qū)嶋H產(chǎn)匯流物理意義的基礎(chǔ)上提升流域徑流模擬的精度，對提高流域徑流模擬精度、實現(xiàn)水資源的高效管理具有重要意義，利用兩類模型耦合的方式：利用機器學(xué)習(xí)模型對物理過程模型進(jìn)行徑流校正的方式主要是基于終端校正的方式——即僅對物理過程模型的最終輸出結(jié)果進(jìn)行校正，而沒有考慮模型本身對徑流形成的產(chǎn)匯流過程的描述，未對產(chǎn)流和匯流過程進(jìn)行校正，沒有考慮校正過程的物理一致性。本發(fā)明提出的一種耦合機器學(xué)習(xí)和物理過程模型的徑流過程校正方法考慮了徑流形成的實際物理意義，從兩個方面對徑流進(jìn)行校正，提高了流域的徑流預(yù)報精度以及校正過程的物理一致性。

7、作為一種優(yōu)選的實施方式，步驟s1具體包括以下步驟：

8、s101、訓(xùn)練期驗證期的劃分：以年份為單位，按照一定比例將研究區(qū)域的數(shù)據(jù)劃分為訓(xùn)練期和驗證期；

9、s102、將訓(xùn)練期和驗證期的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行歸一化處理：

10、

11、式中：x′表示歸一化后的數(shù)據(jù)；x表示觀測數(shù)據(jù)；xmin和xmax分別表示觀測數(shù)據(jù)中的最小和最大值。

12、作為一種優(yōu)選的實施方式，步驟s2具體包括以下步驟：

13、s201、物理過程模型的率定以及產(chǎn)匯流模塊的劃分；

14、s202、產(chǎn)流校正框架(pec-1)的構(gòu)建；

15、s203、訓(xùn)練數(shù)據(jù)量放大；

16、s204、修正因子k的計算；

17、s205、匯流校正框架(pec-2)的構(gòu)建。

18、作為一種優(yōu)選的實施方式，步驟s201中，采用遺傳算法對物理過程模型進(jìn)行率定，參數(shù)率定的目標(biāo)函數(shù)為納什系數(shù)(nse)；根據(jù)徑流形成的實際物理意義，將模型劃分為產(chǎn)流模塊和匯流模塊。

19、作為一種優(yōu)選的實施方式，步驟s202中，根據(jù)劃分的產(chǎn)流模塊，以機器學(xué)習(xí)模型作為校正模型，按照以下方案構(gòu)建產(chǎn)流校正框架的預(yù)測因子以及預(yù)測目標(biāo)。根據(jù)預(yù)測目標(biāo)的不同，產(chǎn)流校正方案大體可以分為兩類：pecg-d以及pecg-r；方案pecg-d以觀測的年產(chǎn)流量作為預(yù)測目標(biāo)，方案pecg-r以物理過程模型的年產(chǎn)流量殘差作為預(yù)測目標(biāo)。

20、方案pecg-d-1：以作為預(yù)測因子，作為輸出，作為預(yù)測目標(biāo)；

21、方案pecg-d-2：以作為預(yù)測因子，作為輸出，作為預(yù)測目標(biāo)；

22、方案pecg-d-3：以作為預(yù)測因子，作為輸出，作為預(yù)測目標(biāo)；

23、方案pecg-r-1：以作為預(yù)測因子，作為輸出，作為預(yù)測目標(biāo)；

24、方案pecg-r-2：以作為預(yù)測因子，作為輸出，作為預(yù)測目標(biāo)；

25、方案pecg-r-3：以作為預(yù)測因子，作為輸出，作為預(yù)測目標(biāo)。

26、其中：分別表示t時刻的年降水量和年蒸發(fā)量；

27、和分別表示t時刻物理過程模型的模擬年產(chǎn)流量、經(jīng)過校正之后的年產(chǎn)流量以及觀測的年產(chǎn)流量；表示t時刻物理過程模型的模擬的年產(chǎn)流量的殘差值，表示t時刻經(jīng)過校正之后的年產(chǎn)流量殘差值。

28、作為一種優(yōu)選的實施方式，步驟s203中，為了減小由于數(shù)據(jù)量過少給模型訓(xùn)練效果帶來的影響，將訓(xùn)練數(shù)據(jù)按照原數(shù)據(jù)時間順序放大倍數(shù)以增加訓(xùn)練數(shù)據(jù)量；將步驟s202得出的最佳方案的訓(xùn)練數(shù)據(jù)量進(jìn)行放大，并按照不同倍數(shù)放大的數(shù)據(jù)量作為輸入，以探究最佳訓(xùn)練數(shù)據(jù)量。

29、作為一種優(yōu)選的實施方式，步驟s204中，根據(jù)步驟s202得出的最佳訓(xùn)練方案以及步驟s203得出的最佳訓(xùn)練數(shù)據(jù)量，得出每年最佳的校正產(chǎn)流量wsim；同時，根據(jù)該值以及校正前的模擬產(chǎn)流量wpbm求出每年的修正因子利用修正因子對產(chǎn)流模塊的產(chǎn)流過程進(jìn)行修正，即：

30、作為一種優(yōu)選的實施方式，步驟s205中，將經(jīng)過產(chǎn)流校正后的作為物理過程模型匯流模塊的輸入，對其進(jìn)行匯流計算。經(jīng)過匯流模塊的模擬后，輸出結(jié)果為模擬的徑流過程將該徑流過程進(jìn)行校正以構(gòu)建pec-2框架，并得出整個模型的校正結(jié)果；以目標(biāo)函數(shù)為nse，采用貝葉斯優(yōu)化算法對機器學(xué)習(xí)模型的超參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；與pec-1框架的方案設(shè)置相似，按照兩類校正方案(pecc-d以及pecc-r)分別對匯流結(jié)果進(jìn)行校正，方案如下：

31、方案pecc-d-1：以作為預(yù)報因子，作為輸出，作為訓(xùn)練目標(biāo)；

32、方案pecc-d-2：以作為預(yù)報因子，作為輸出，作為訓(xùn)練目標(biāo)；

33、方案pecc-r-1：以作為預(yù)報因子，作為輸出，作為訓(xùn)練目標(biāo)；

34、方案pecc-r-2：以作為預(yù)報因子，作為輸出，作為訓(xùn)練目標(biāo)。

35、其中，以及分別表示在t時刻，僅經(jīng)過產(chǎn)流校正之后的徑流模擬值、經(jīng)過產(chǎn)匯流校正之后的徑流模擬值以及徑流的觀測值；表示在t時刻僅經(jīng)過產(chǎn)流校正的徑流的殘差值，表示在t時刻經(jīng)過產(chǎn)匯流校正之后的徑流殘差模擬值。

36、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

37、該耦合機器學(xué)習(xí)和物理過程模型的徑流過程校正方法由于物理過程模型在不同程度上對水文過程存在不同程度的簡化，且模型的復(fù)雜程度高、參數(shù)多，對數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求較高，在實際應(yīng)用的過程中存在較大挑戰(zhàn)。機器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行徑流預(yù)測時，在使用中雖然具有較高精度，但是仍存在過程上的不可解釋性以及未考慮實際物理過程的一致性。將兩類模型進(jìn)行耦合可以實現(xiàn)在考慮流域?qū)嶋H產(chǎn)匯流物理意義的基礎(chǔ)上提升流域徑流模擬的精度，對提高流域徑流模擬精度、實現(xiàn)水資源的高效管理具有重要意義；

38、該耦合機器學(xué)習(xí)和物理過程模型的徑流過程校正方法利用兩類模型耦合的方式：利用機器學(xué)習(xí)模型對物理過程模型進(jìn)行徑流校正的方式主要是基于終端校正的方式——即僅對物理過程模型的最終輸出結(jié)果進(jìn)行校正，而沒有考慮模型本身對徑流形成的產(chǎn)匯流過程的描述，未對產(chǎn)流和匯流過程進(jìn)行校正，沒有考慮校正過程的物理一致性。本發(fā)明提出的一種耦合機器學(xué)習(xí)和物理過程模型的徑流過程校正方法考慮了徑流形成的實際物理意義，從兩個方面對徑流進(jìn)行校正，提高了流域的徑流預(yù)報精度以及校正過程的物理一致性。