多种机器学习模型对不同洪水类型特征指标模拟效果评估

摘要：

洪水过程的特征指标不仅包括洪水量级,还包括时间、形态、动力学等指标.现有模型和方法重点关注洪水量级指标的模拟,对其他指标的模拟仍有待深入.如何实现对洪水过程所有特征指标的模拟已成为目前洪水预报的技术瓶颈.论文采用4种机器学习模型(多元线性回归、多层感知器、随机森林和支持向量机)对淮河上游长台关流域59场降雨—洪水场次7个特征指标(洪水总量、洪峰流量、洪水历时、洪峰时间偏度、高流量历时占比、涨洪和落洪速率)进行模拟,评估不同模型对不同洪水类型和特征指标的模拟效果.结果显示:①长台关流域洪水过程可分为3类,第1类洪量中等、历时长且洪峰出现时间偏前(16场);第2类洪量低、形态矮胖且洪峰出现时间靠后(34场);第3类洪量大、涨落水迅速、形态尖瘦(9场).②时间指标模拟效果最优,动力学指标模拟效果最差.多元线性回归和随机森林模拟效果随所有特征指标数值的增加而增强;支持向量机的模拟效果随着洪水历时指标数值的增加而降低,随着其余特征指标数值的增加而增强;多层感知器模拟效果随着洪水总量、洪峰流量、高流量历时占比和涨洪速率等指标值的增加而增强.③从各类型洪水特征模拟精度来看,4种模型对第3类洪水特征模拟均为最佳,第2类最差;随机森林在第1类和第3类洪水特征模拟中效果最优,支持向量机对第2类洪水特征模拟效果最优.④从综合模拟精度来看,支持向量机效果最优,然后依次为随机森林、多层感知器和多元线性回归.上述4种模型率定和验证期相对误差分别为23％和98％、21％和109％、37％和75％、41％和102％.研究可为流域洪水过程深度挖掘和防洪措施制定提供参考和借鉴.

关键词：洪水过程、特征指标、机器学习、模型比较、淮河流域

所属期刊栏目：41

分类号：TP181;TV122;TP391.41

资助基金：国家自然科学基金;国家重点研发计划

在线出版日期：2022-08-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共12页

页码：1239-1250