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GR4J与深度学习融合的径流模拟方法研究OA

A Study on Flood Simulation Method Based on the Integration of GR4J Model and Deep Learning Structures

中文摘要英文摘要

针对传统概念性水文模型在复杂径流过程模拟中的适应性问题,提出一种融合GR4J模型与深度学习结构的混合建模框架GR4J-DL.该框架保留GR4J产流结构,以LSTM、TCN与TKAN三种网络结构分别构建非线性汇流过程,增强模型对时序特征与空间结构信息的刻画能力.研究选取清江上游恩施站为代表,利用2010-2018年日尺度气象与径流数据开展模型训练与验证,比较各混合模型性能.结果表明,GR4J-DL模型中除了LSTM模型结构没有提升外,其余模型整体模拟精度均有不同的提升,其中TKAN结构NSE达0.757 3、RMSE为43.67 m3/s,KGE为0.800,TPE为0.212,总体精度最高,表现出更强的非线性拟合能力.基于SHAP方法对混合模型的特征贡献进行了进一步分析,结果表明,GR4J产流模块的中间状态变量主要体现为物理约束与辅助信息,一定程度上提高了模型精度.研究拓展了深度学习在径流模拟中的应用边界,为提升复杂径流过程模拟性能提供了新途径.

To address the limited adaptability of traditional conceptual hydrological models in simulating complex runoff processes,this study proposes a hybrid modeling framework,termed GR4J-DL,which integrates the GR4J model with deep learning architectures.The proposed framework retains the runoff generation structure of GR4J while employing three neural network architectures—LSTM,TCN,and TKAN—to represent nonlinear flow routing processes,thereby enhancing the model's ability to capture temporal dynamics and spatial structural information.The Enshi hydrological station in the upper Qingjiang River basin is selected as a representative case,and daily meteorological and runoff data from 2010 to 2018 are used for model training and validation to evaluate the performance of different hybrid configurations.The results indicate that,except for the GR4J-LSTM configuration,the GR4J-DL hybrid models achieve consistent improvements in overall simulation accuracy.Among them,the TKAN-based model performs best,with an NSE of 0.757 3,RMSE of 43.67 m3/s,KGE of 0.800 and TPE of 0.212,demonstrating a stronger capability in representing nonlinear runoff behavior.Further feature contribution analysis based on the SHAP method reveals that the intermediate state variables generated by the GR4J runoff generation module primarily act as physical constraints and auxiliary information,which contributes to improving model accuracy.Overall,this study broadens the applicability of deep learning in runoff modeling and provides a promising pathway for enhancing the simulation of complex runoff processes.

徐帅儒;闫宝伟;孙明博;常建波;陈嘉朗;陈健铭

华中科技大学土木与水利工程学院,湖北 武汉 430074||华中科技大学数字流域科学与技术湖北省重点实验室,湖北 武汉 430074华中科技大学土木与水利工程学院,湖北 武汉 430074||华中科技大学数字流域科学与技术湖北省重点实验室,湖北 武汉 430074华中科技大学土木与水利工程学院,湖北 武汉 430074||华中科技大学数字流域科学与技术湖北省重点实验室,湖北 武汉 430074华中科技大学土木与水利工程学院,湖北 武汉 430074||华中科技大学数字流域科学与技术湖北省重点实验室,湖北 武汉 430074华中科技大学土木与水利工程学院,湖北 武汉 430074||华中科技大学数字流域科学与技术湖北省重点实验室,湖北 武汉 430074华中科技大学土木与水利工程学院,湖北 武汉 430074||华中科技大学数字流域科学与技术湖北省重点实验室,湖北 武汉 430074

建筑与水利

径流模拟深度学习混合建模GR4J模型清江上游

runoff simulationdeep learninghybrid modelingGR4J modelupper Qingjiang river

《中国农村水利水电》 2026 (9)

28-31,40,5

湖北省自然科学基金项目(2024AFB646)国家自然科学基金项目(52079054).

10.12396/znsd.2501559

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