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新安江模型参数全局优化：算法探索与应用实践

一、引言

1.1研究背景

水文学作为地球科学的重要分支，对于理解地球水资源的分布、循环和变化规律起着关键作用。随着全球气候变化和人类活动的加剧，水资源短缺、洪水灾害频发等问题日益严峻，准确的水文模拟和预测成为解决这些问题的关键手段。新安江模型作为中国自主研发的、具有世界影响力的流域水文模型，在水文领域占据着重要地位。

新安江模型由河海大学赵人俊先生于20世纪70年代初提出，旨在解决新安江水电站的洪水预报调度问题。该模型是一种分散性概念模型，可根据流域面积大小采用集总模型或分块模型。其结构设计考虑了降水和流域下垫面分布不均匀的影响，通过将全流域划分为多个单元流域，对每个单元流域进行产汇流计算，最后叠加得到流域总出流过程。在计算过程中，新安江模型按照三层蒸散发模式计算流域蒸散发，依据蓄满产流概念计算降雨产生的总径流量，并采用流域蓄水曲线考虑下垫面不均匀对产流面积变化的影响。在径流成分划分方面，对于三水源情况，利用具有有限容积和测孔、底孔的自由水蓄水库，依据“山坡水文学”产流理论将总径流划分为饱和地面径流、壤中水径流和地下水径流。在汇流计算方面，单元面积的地面径流汇流一般采用单位线法，壤中水径流和地下水径流的汇流采用线性水库法，河网汇流则一般采用分段连续演算的Muskingum法或滞时演算法。

新安江模型自诞生以来，凭借其坚实的理论基础和良好的模拟效果，在国内外湿润半湿润地区及部分半干旱地区得到了广泛应用。在国内，新安江模型被应用于众多流域的洪水预报、水资源管理和生态评估等领域。例如在长江流域的洪水预报中，新安江模型能够较为准确地模拟洪水过程，为防洪决策提供了重要依据；在水资源管理方面，该模型可模拟水资源在流域内的分布和流动情况，为合理分配水资源提供科学参考，助力相关部门制定科学合理的水资源政策，如水资源保护、水资源开发等决策。在国际上，新安江模型也得到了认可和应用，为全球水文科学的发展做出了贡献，尤其在共建“一带一路”高质量发展中，为沿线国家的水文预报预警提供了重要支撑。

然而，新安江模型的性能高度依赖于其参数的准确性。模型参数的确定是一个复杂且关键的环节，由于水文现象本身具有高度的复杂性和随机性，加上模型是基于假设、概化和判断建立起来的，在当前观测技术条件下，准确获取模型参数面临诸多困难。尽管新安江模型的大多数参数具有明确的物理意义，理论上可通过实测、实验、比拟等方法确定，但实际操作中，由于缺乏降雨径流形成过程中各要素的实测与试验数据，目前主要依靠出口断面的实测流量过程，运用系统识别的方法来推求参数。这种方法存在参数相关性、不稳定性和不唯一性等问题，即模型各参数之间可能存在相依性，所构造的目标函数可能具有非单峰（谷）性，导致按最优化方法求得的最优参数组不唯一，使得参数优选成为一个十分复杂和困难的任务。例如，在不同的流域条件下，相同的参数组合可能会得到相似的模拟结果，这就使得难以确定真正反映流域水文特性的最优参数组，从而影响模型的模拟精度和可靠性。

因此，开展新安江模型参数全局优化研究具有重要的现实意义和理论价值。通过对模型参数进行全局优化，可以提高模型对不同流域水文过程的模拟精度，增强模型的可靠性和泛化能力，使其能够更准确地预测洪水、水资源变化等水文现象，为水资源管理、防洪减灾等实际应用提供更有力的支持。同时，深入研究新安江模型参数优化方法，有助于进一步理解水文过程的内在机制，推动水文科学理论的发展，为其他水文模型的参数优化提供借鉴和参考。

1.2研究目的与意义

本研究旨在深入探究新安江模型参数全局优化的有效方法，克服传统参数确定方式中存在的参数相关性、不稳定性和不唯一性等难题，从而提升新安江模型对不同流域水文过程的模拟精度和可靠性。通过系统研究，确定能够准确反映流域水文特性的最优参数组，增强模型的泛化能力，使其能够在更广泛的流域条件下准确模拟水文过程。

从理论层面来看，新安江模型参数全局优化研究有助于深化对水文过程内在机制的理解。水文过程受到多种因素的综合影响，具有高度的复杂性和不确定性。新安江模型虽然在一定程度上对水文过程进行了抽象和概括，但模型参数的确定仍然存在诸多挑战。通过全局优化研究，可以更准确地揭示模型参数与水文过程之间的定量关系，进一步完善水文模型的理论体系。这不仅有助于提高水文模型的科学性和准确性，还能够为其他相关领域的研究提供理论支持，推动整个水文科学的发展。

在实际应用方面，准确的水文模拟对于水资源管理和防洪减灾具有不可替代的重要作用。水资源是人类生存和社会发展的重要基础，合理开发和利用水资源对于保障经济社会的可持续发展至关重要。通过对新安江模型参数进行全局优化，可以更准确地模拟水资源在流域内的分布和流动情况，为水资源的合理分配提供科学