基于多种机器学习模型的大汶河流域径流模拟与对比分析

肖翔 ,  李妍妍 ,  安晓洁 ,  刘健 ,  李璨

山东农业大学学报(自然科学版) ›› 2026, Vol. 57 ›› Issue (5) : 962 -971.

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山东农业大学学报(自然科学版) ›› 2026, Vol. 57 ›› Issue (5) : 962 -971. DOI: 10.3969/j.issn.1000-2324.2026.05.016

基于多种机器学习模型的大汶河流域径流模拟与对比分析

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Runoff Simulation and Comparative Analysis of the Dawen River Basin Based on Multiple Machine Learning Models

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摘要

为探究不同机器学习模型在月径流模拟中的适用性与模拟效果,本文以大汶河流域为研究区域,通过Mann-Kendall检验和Sen’s slope方法分析了1961-2019年水文气象要素的变化趋势、突变特征和相关关系,构建了基于卷积神经网络(CNN)、长短期记忆网络(LSTM)和Transformer的月尺度径流模拟模型,并系统对比了三种模型的模拟效果。结果表明:研究时段内流域降水和径流均呈现出不显著下降趋势,气温显著上升,蒸散发、气压和日照时长显著下降;其中,降水发生多次突变,年际变化较大;径流在1966年和2013年发生两次突变,受人类活动影响较大;在月径流的模拟中Transformer表现最佳,测试期NSE和R分别达到0.74和0.87;此外,Transformer具备较强的稳定性与泛化能力,能够在人类活动干扰背景下有效提取不同时期气象要素与径流之间的内在一致性关系,从而实现径流过程的精确模拟。

Abstract

To explore the applicability and simulation performance of different machine learning models in monthly runoff simulation, this paper takes the Dawen River Basin as the study area. Using the Mann-Kendall test and Sen’s slope method, it analyzes the trends, abrupt changes, and correlations of hydrometeorological variables from 1961 to 2019. It constructs monthly streamflow simulation models based on the Convolutional Neural Network (CNN), Long Short-Term Memory network (LSTM), and Transformer, and systematically compares the simulation results of the three models. The results indicate that during the study period, both precipitation and streamflow exhibited no significant decline, while temperature increased significantly, and evapotranspiration, air pressure, and sunshine duration decreased markedly. Precipitation experienced multiple abrupt changes with strong interannual variability; streamflow exhibited two abrupt shifts in 1966 and 2013, showing a strong influence of human activities. In monthly streamflow simulation, the Transformer performed best, achieving NSE and R values of 0.74 and 0.87, respectively, during the testing period. Furthermore, the Transformer demonstrated strong stability and generalization capability, effectively capturing the intrinsic consistency between meteorological variables and streamflow under the influence of human activities, thereby enabling accurate simulation of the streamflow process.

关键词

径流模拟 / 机器学习 / 大汶河流域 / 气候变化

Key words

Runoff simulation / machine learning / Dawen River Basin / climate change

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肖翔,李妍妍,安晓洁,刘健,李璨. 基于多种机器学习模型的大汶河流域径流模拟与对比分析[J]. 山东农业大学学报(自然科学版), 2026, 57(5): 962-971 DOI:10.3969/j.issn.1000-2324.2026.05.016

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