水文水资源软件：MIKE SHE二次开发_（9）.地表水模块开发.docx

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地表水模块开发

在水文水资源软件中，地表水模块是模拟降雨径流过程、河流水文动力学和水质传输等过程的关键部分。MIKESHE软件提供了强大的地表水模拟功能，但为了满足特定项目的需求，二次开发是必不可少的。本节将详细介绍地表水模块的二次开发原理和内容，并提供具体的代码示例和数据样例。

1.地表水模块概述

地表水模块在MIKESHE中主要用于模拟地表径流、河流水文动力学和水质传输等过程。该模块通过一系列的水文过程模型，如产流模型、汇流模型和水质模型，来描述地表水的动态变化。二次开发的目标是在MIKESHE的基础上，扩展或改进这些模型，以适应特定的项目需求。

1.1产流模型

产流模型是地表水模块的核心部分，用于模拟降雨转化为地表径流的过程。常见的产流模型包括线性水库模型、土壤水分平衡模型和集合模型等。MIKESHE中主要使用的是TOPMODEL（Topography-basedHydrologicalModel）和SIMPLE（SimpleInfiltrationModelforPercolationandLossEstimation）模型。

1.1.1TOPMODEL原理

TOPMODEL是一种基于地形的水文模型，其基本原理是通过地形指数（TopographicIndex）来描述地表径流的分布。地形指数定义为：

TopographicIndex

该模型假设在降雨过程中，地表水分的分布和流动主要受地形影响。通过计算每个计算单元的地形指数，可以预测地表径流的分布和动态变化。

1.1.2SIMPLE模型原理

SIMPLE模型是一种简单的产流模型，主要用于模拟降雨入渗和损失过程。该模型假设地表水分的入渗率是一个常数，通过以下公式计算产流：

Q

其中，Q是产流量，P是降水量，I是入渗量。

1.2汇流模型

汇流模型用于模拟地表径流从各个计算单元汇入河流的过程。常见的汇流模型包括线性水库模型、非线性水库模型和传输函数模型等。MIKESHE中主要使用的是线性水库模型和传输函数模型。

1.2.1线性水库模型原理

线性水库模型是一种简化模型，假设地表径流的汇流过程可以用一个或多个线性水库来描述。每个水库的出流量与入库流量成线性关系，通过以下公式计算：

Q

其中，Qt是出流量，It是入库流量，

1.2.2传输函数模型原理

传输函数模型是一种更复杂的汇流模型，假设地表径流的汇流过程可以用一个传输函数来描述。传输函数模型通过以下公式计算：

Q

其中，Qt是出流量，Iτ是入库流量，

2.地表水模块的二次开发

地表水模块的二次开发主要包括模型参数的优化、模型结构的改进和模型功能的扩展。本节将详细介绍这些方面的内容，并提供具体的代码示例和数据样例。

2.1参数优化

参数优化是地表水模块二次开发的重要内容之一，通过优化模型参数，可以提高模型的模拟精度。常用的参数优化方法包括遗传算法、粒子群优化算法和梯度下降法等。

2.1.1遗传算法优化

遗传算法是一种基于自然选择和遗传机制的优化算法。通过模拟自然界的进化过程，可以找到最优的模型参数。以下是一个使用Python实现的遗传算法优化TOPMODEL参数的示例：

importnumpyasnp

fromdeapimportbase,creator,tools,algorithms

#定义适应度函数

defevaluate(individual):

#读取降雨和径流数据

rainfall_data=np.loadtxt(rainfall.txt)

observed_runoff=np.loadtxt(observed_runoff.txt)

#参数

alpha,beta=individual

#模拟径流

simulated_runoff=alpha*rainfall_data+beta

#计算适应度

error=np.sum((simulated_runoff-observed_runoff)**2)

returnerror,

#创建适应度和个体类

creator.create(FitnessMin,base.Fitness,weights=(-1.0,))

creator.create(Individual,list,fitness=creator.FitnessMin)

#初始化工具箱

toolbox=base.Toolbox()

toolbox.register(attr_flo