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山东大学学报 (工学版) ›› 2020, Vol. 50 ›› Issue (3): 117-124.doi: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2019.504

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基于弹性梯度下降算法的BP神经网络降雨径流预报模型

金保明(),卢光毅,王伟,杜伦阅   

  1. 福州大学土木工程学院, 福建 福州 350116
  • 收稿日期:2019-09-03 出版日期:2020-06-20 发布日期:2020-06-16
  • 作者简介:金保明(1970—),男,福建浦城人,博士,高级工程师,主要研究方向为水文水资源等. E-mail: jbm720@126.com
  • 基金资助:
    福建省自然科学基金资助项目(2016J01734)

Research on BP neural network rainfall runoff forecasting model based on elastic gradient descent algorithm

Baoming JIN(),Guangyi LU,Wei WANG,Lunyue DU   

  1. College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, Fujian, China
  • Received:2019-09-03 Online:2020-06-20 Published:2020-06-16
  • Supported by:
    福建省自然科学基金资助项目(2016J01734)

摘要:

运用反向传播(back propagation, BP)的改进算法弹性梯度下降算法,选择崇阳溪上游流域1997—2014年的14场降雨径流过程,以流域内洋庄、吴边、大安、坑口、岭阳、岚谷6个雨量站的实测降雨量和武夷山水文站的前期流量资料为输入,武夷山水文站相应流量为输出,建立弹性梯度下降算法的BP神经网络降雨径流预报模型,采用7场降雨径流过程对模型进行检验。结果表明,与传统的反向传播算法相比,该模型所需的参数较少,运算速度显著提高,模型的预报精度满足要求,可以为防汛部门预测洪水提供依据。

关键词: 弹性梯度下降法, BP神经网络, 降雨径流, 预报模型

Abstract:

The improved elastic gradient descent algorithm of back propagation was used, and 14 rainfall runoff processes from 1997 to 2014 in the upper reaches of Chongyang River were selected. The back propagation (BP) neural network rainfall-runoff forecasting model of the elastic gradient descent algorithm was established, which took the measured rainfall of six rainfall stations in Yangzhuang, Wubian, Da′an, Kengkou, Lingyang, and Langu in the basin and the preliminary flow data of Wuyishan Hydrological Station as inputs, and selected the corresponding flow of Wuyishan Hydrological Station as output. The 7-rainfall runoff process was used to test the model, the test results showed that the proposed method required fewer parameters and had higher operation speed than the traditional back propagation algorithm. The prediction accuracy of the model could meet the requirements, and provide the basis for flood control and disaster reduction.

Key words: elastic gradient descent algorithm, BP neural network, rainfall runoff, forecasting model

中图分类号: 

  • TV124

图1

正向传播示意图"

图2

崇阳溪上游流域水系图"

图3

弹性梯度下降BP神经网络结构"

图4

崇阳溪上游流域七场洪水预报过程线"

表1

崇阳溪上游流域七场洪水流量过程预报误差分析表"

洪水场次绝对误差绝对值平均值/(m3·s-1)相对误差绝对值平均值/%确定性系数
1998·06·1422.63.40.988
1999·06·1714.59.20.997
2003·06·2516.28.10.984
2005·06·1935.27.60.973
2007·06·1427.815.70.978
2008·07·1943.610.70.991
2013·05·2712.07.90.986

表2

崇阳溪上游流域7场洪水洪峰流量预报误差分析表"

洪水场次峰型实测流量/(m3·s-1)预报流量/(m3·s-1)绝对误差/(m3·s-1)相对误差/%
1998·06·14主峰3 0802 929-151-4.9
1998·06·14次峰2 7102 689-21-0.8
1999·06·17主峰1 1701 192221.9
1999·06·17次峰988975-131.3
2003·06·25主峰797872759.4
2005·06·19主峰1 2501 277272.2
2005·06·19次峰1 1801 244645.4
2007·06·14主峰887943566.3
2008·07·19主峰2 2102 044-1667.5
2013·05·27主峰474425-499.3
平均值-1 4751 459645.0

表3

崇阳溪上游流域7场洪水径流深预报误差分析表"

洪水场次实测径流深/mm预报径流深/mm绝对误差/mm相对误差/%
1998·06·14299.6301.01.40.5
1999·06·1798.7101.01.61.6
2003·06·2583.988.14.25.0
2005·06·19116.2119.12.92.5
2007·06·1436.139.23.18.6
2008·07·198587.32.32.7
2013·05·2723.223.90.93.1
平均值106.1108.52.33.4
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