技术领域
[0001] 本申请涉及水文水资源领域，特别涉及一种流域季节性径流量变化预测及归因方法、系统及介质。
相关背景技术
[0002] 21世纪以来，显著的气候变化和广泛的人类活动是改变全球水文循环模式的主要因素。气候变化，例如降水和潜在蒸散发变化，通过径流产汇流机制影响水文径流改变。人类活动，例如土地利用/覆盖变化、水库运行和取用水工程，通过直接干扰水文过程，也在改变水资源时空分布格局。近年来，分析流域内径流趋势并定量归因其变化因素的相关研究显著增加。由于年内水文气候变量和人类活动的变化更为剧烈复杂，径流归因分析时间尺度从（多）年尺度提升到季节性尺度更具挑战与意义。
[0003] 同时，这些早期研究主要集中在历史观测数据上，忽略了不确定的未来预测。在可能的未来情景下，气候和人为引起的水文径流演变仍需探索，这对于管理水资源系统具有重要作用。现有技术中，进行未来径流分析的方法主要包括动态水文建模方法、基于弹性的分析方法和基于Budyko假设的概念化水量平衡模型。
[0004] 1. 动态水文建模方法：对于未来人类活动预期不会发生重大变化的地区，可以使用校正水文模型，通过扰动未来气候条件来预测未来径流。常用的水文模型包括土壤水分评估工具（SWAT）和可变渗透容量（VIC）模型。然而，这些模型需要大量输入信息，并涉及许多需要校准的参数，这在水文数据匮乏的流域中应用受限。
[0005] 2. 基于弹性的分析方法：使用一些关键的弹性系数，如径流对气象因素（如降水、潜在蒸散发、相对湿度）变化的敏感性，根据预期的气候条件预测未来径流。然而，该方法在评估径流对人类活动敏感性方面存在一定不足。
[0006] 3. 基于Budyko假设的概念化水量平衡模型：由于其简单性，该模型被广泛用于分离气候变化和直接人类活动对历史径流的影响。然而，该方法无法将气候变化影响进一步分解为降水、潜在蒸散发等具体因素，并且在季节尺度上，流域水储量变化违反多年平均稳态假设的效应值得更多关注。
[0007] 综上所述，现有技术主要局限于未来时期径流变化的长期过程，无法深入分析季节性尺度上的复杂变化，更无法解耦气候变化和人类活动对未来季节性径流变化的复杂影响。
具体实施方式
[0041] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0042] 术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0043] 术语“第一”、“第二”等仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
[0044] 本申请首先分析了流域内历史径流系列的年内变化规律，将径流归因传统年尺度分析细分为汛期和非汛期等季节性尺度；并基于CMIP6降尺度水文气象数据，驱动只考虑气候变化和同时考虑气候变化与人类活动影响的两套不同水文模型，以预测未来不同变化情景下的流域季节性变化过程，最后通过拓展型Budyko假设的垂直分解方法，区分并量化季节性尺度上气候变化与人类活动对径流变化的相对影响。
[0045] 本申请的具体实施流程见图1，步骤如下：
[0046] 步骤1，基于流域内月尺度降水、潜在蒸散发以及地下水储量变化规律，对水文年进行季节性划分。
[0047] 本实施例的计算思路为：考虑季尺度Budyko模型中有效降水和潜在蒸发分别代表水分的水量与能量边界条件，引入多年平均月干旱指数 来划分水文年份（如汛期、非汛期两季），其定义如下所示。
[0048] （1）
[0049] 式（1）中， 与 分别为多年平均月潜在蒸发和月降水； 为多年平均月陆地水储量变化量，其值可依据月水量平衡方程 得到，其中 和 为多年平均月实际蒸发与总径流量，若多年平均月干旱指数 ，能量受到限制，则该月属于汛期；反之，若多年平均月干旱指数 ，水量受到限制，则该月属于非汛期。
[0050] 步骤2，建立GCM与ABCD的多种耦合模型，以预测只考虑未来气候变化情景和同时考虑气候变化与人类活动影响情景下流域径流过程。
[0051] 相对于传统分布式水文模型，集总式ABCD模型结构简单，只需确定a，b，c，d四个参数和土壤初始蓄水量S0及地下水初始蓄水量G0，便可获得良好的径流模拟效果。该模型已在中国、美国和非洲等多个湿润、干旱流域得到成功应用。更为重要的是，ABCD水文模型以水量平衡为基本原理，仅以气象降水和潜在蒸散发为输入，便可得到月土壤蓄水量变化量和实际蒸散发，若叠加到季尺度，便可应用于季尺度的拓展型Budyko模型。模型具体结构如下。
[0052] （2）
[0053] 式（2）中，a代表土壤完全饱和前发生径流的倾向性，取值范围为(0，1)；b代表蒸发量与土壤含水量的上限；i代表时段；Yi为最大可能蒸发，是时段内蒸发Ei与时段末土壤蓄水量SSi之和； 为可供降水量。
[0054] 可用水量减去可能蒸散发量后的余量可被分为直接径流Di 和地下水补给Ri：
[0055] （3）
[0056] （4）
[0057] 式（3）‑（4）中，c为地下水补给系数。
[0058] 模型以线性水库法对地下水层模拟：
[0059] （5）
[0060] 式（5）中，Gi为地下水储量；Fi为基流，d为地下水储放系数。
[0061] 为保证率定结果的准确性，选取纳什效率系数NSE和相对误差RE作为水文模型参数率定和验证时的评价指标。采用式（5）作为参数率定的目标函数。
[0062] （6）
[0063] 式（6）中，为权重系数。参数率定的目标函数Obj越小，率定结果越优。
[0064] 本实施例中，率定天然期和人类活动影响期得到的两套不同参数组合（a，b，c，d），分别代表只考虑气候变化情景和同时考虑气候变化与人类活动影响情景的两种情况。
[0065] 对于未来径流预测，首先应用统计降尺度方法，作用于全球气候模式GCM，实现对流域未来降水、气温变化的预测分析，然后基于GCM的降尺度输出（降水和气温）作为ABCD率定水文模型的输入，模拟预测未来情景下季节性尺度流域出口断面的径流过程。基于NCEP观测资料和统计降尺度方法的ABCD模型与GCM耦合机制，详见图2。
[0066] 步骤3，考虑季尺度Budyko模型，量化季节性尺度上气候变化与人类活动对未来径流变化的相对影响。
[0067] 步骤3进一步包括以下子步骤：
[0068] （3.1）拟合季节性Budyko假设曲线。本发明采用如式（7）所示的季尺度Budyko模型，将年尺度有效降水概念扩展到季，采取Turc‑Pike形式，得到实际蒸散发与潜在蒸散发的数学表达关系。
[0069] （7）
[0070] 式（7）中， 为土壤和地下水蓄水量之和在同一时段末、初的变化量； 代表可供降水，即有效降水量； 和 分别代表季尺度干旱指数和季尺度蒸发率； 为Budyko形状参数，是反映流域下垫面（与植被、土壤类型相关）的一个综合性参数；
[0071] 是除 的另一个参数，代表干旱指数下界。
[0072] 对于式（7）中的 和 参数，采用最小二乘法拟合，评价指标选用确定性系数与均方根误差。
[0073] （3.2）运用季尺度Budyko假设的垂直分解法量化气候变化与人类活动对未来径流变化的影响。
[0074] 本实施例中，季尺度垂直分解法假定气候变化通过改变有效降水和潜在蒸散发等绝对物理量从而改变径流，而人类活动则是重新分配有效降水量在实际蒸散发和流域出口径流之间的分配比例而改变径流。在本发明季尺度垂直分解法中，模型若没有人类活动影响， 则沿着Budyko曲线移动（如图3中黑色实线）。沿着Budyko曲线移动包括了对P和 变化的响应，而垂直方向的移动是人类活动影响导致的 和 的变化。如图3所示，流域Budyko曲线上的坐标点在横坐标上的变化只由气候变化引起，在垂直方向的变化由气候变化和人类活动共同引起。
[0075] 其具体操作步骤：若只考虑气候变化影响，流域水文状态从图3中A点（）沿着Budyko曲线移动到B点（ ）。B点和C点的气候条件一致，人类活动仅引起垂直方向的变化，变化量为 。故人类活动影响下的径流变化量如下所示。
[0076] （8）
[0077] 式（8）中， 为人类活动引起的径流变化量。
[0078] 气候变化引起的径流变化量是总的径流变化量与人类活动引起的径流变化量的差值。
[0079] （9）
[0080] 式（9）中， 为总径流变化量； 为气候变化引起的径流变化量。
[0081] 故气候变化与人类活动对未来季尺度径流变化的相对影响为：
[0082] （10）
[0083] 式（10）中， 与 为气候变化与人类活动的相对贡献率，范围在0至1之间。
[0084] 如图4，本申请实施例提供一种流域季节性径流量变化预测及归因系统，包括，[0085] 季节性划分模块1，用以基于流域内月尺度降水、潜在蒸散发以及地下水储量变化规律，对水文年进行季节性划分；
[0086] 模型建立模块2，建立GCM与ABCD的多种耦合模型，以预测只考虑未来气候变化情景和同时考虑气候变化与人类活动影响情景下流域径流过程；
[0087] 量化模块3，考虑季尺度Budyko模型，量化季节性尺度上气候变化与人类活动对未来径流变化的相对影响。
[0088] 本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如上所述的流域季节性径流量变化预测及归因方法的步骤。
[0089] 本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD‑ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
[0090] 本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0091] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0092] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0093] 在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器 (CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
[0094] 存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。
[0095] 计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存 (PRAM)、静态随机存取存储器 (SRAM)、动态随机存取存储器 (DRAM)、其他类型的随机存取存储器 (RAM)、只读存储器 (ROM)、电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器 (CD‑ROM)、数字多功能光盘 (DVD) 或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体 (transitory media)，如调制的数据信号和载波。
[0096] 以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
