傳統(tǒng)新安江模型在流域分布式水文模擬中的解決方案

1、 傳統(tǒng)新安江模型在流域分布式水文模擬中的解決方案趙海偉1 ,夏達(dá)忠1,張行南1,唐雷彬2,夏希11、河海大學(xué)水文資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京,2100982、遼寧省水文水資源勘測(cè)局,沈陽,110003摘 要:大流域特征十分復(fù)雜,如何描述和體現(xiàn)流域特征的時(shí)空變化一直是水文工作者致力解決的問題。本文結(jié)合傳統(tǒng)新安江模型的特點(diǎn),基于DEM數(shù)據(jù),借助GIS空間分析功能,提出了采用“流域-產(chǎn)匯流分區(qū)-單元面積”的流域空間離散方法,并同時(shí)給出了模型參數(shù)空間化的方法,以期使該模型能更好地適應(yīng)流域分布式水文模擬。關(guān)鍵詞:分布式水文模擬,空間離散,參數(shù)空間化1.引言近幾十年以來,伴隨空間信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)

2、技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、數(shù)字高程模型和遙感技術(shù)的發(fā)展,為流域水文模擬研究提供了嶄新的技術(shù)手段,為研制和建立分布式水文物理模型提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐,使得分布式水文物理模型成為水文學(xué)家研究的前沿?zé)狳c(diǎn)之一1,越來越多的分布式水文物理模型被開發(fā),并廣泛應(yīng)用于水利相關(guān)領(lǐng)域,給傳統(tǒng)新安江模型帶來了挑戰(zhàn)。要使傳統(tǒng)新安江模型能適應(yīng)流域分布式水文模擬,主要需解決兩個(gè)問題:如何對(duì)流域進(jìn)行空間離散,以考慮降雨和流域下墊面特性的空間變異性;如何使得模型參數(shù)空間化,以解決無資料或缺資料地區(qū)的水文模擬。2.傳統(tǒng)新安江流域水文模型水文模型是對(duì)流域上發(fā)生的水文過程進(jìn)行模擬所建立的數(shù)學(xué)模型,其實(shí)質(zhì)是對(duì)流域上發(fā)生的水文過程進(jìn)行模擬計(jì)

3、算2。水文模型可分為確定性模型和隨機(jī)性模型。流域水文模型一般是指確定性模型。從反映水流運(yùn)動(dòng)物理規(guī)律的科學(xué)性和復(fù)雜程度而言,水文模型可分為數(shù)學(xué)物理模型、概念性模型和系統(tǒng)理論模型。從反映水流運(yùn)動(dòng)空間變化能力而言,水文模型又可分為集總式模型和分布式模型1。目前,具有物理基礎(chǔ)的緊密耦合型分布式水文模型是流域水文模擬的重要研究方向,國內(nèi)外很多學(xué)者正致力于這方面的研究,并已成功在水利相關(guān)領(lǐng)域得以成功實(shí)踐。傳統(tǒng)的新安江模型是具有物理概念的分散性模型,其屬于概念性模型范疇,又是介于集總模型與分布式模型之間,可稱之為“準(zhǔn)分布式模型”。其在單元面積上采用集總式,但相對(duì)于流域又劃分了單元面積。3.流域空間離散對(duì)于大

4、流域水文模擬來講,流域內(nèi)部的地理要素和地理過程存在著極大的空間變異性,氣候因子和下墊面因子的空間分布極不均勻,所以需對(duì)流域進(jìn)行空間離散3。流域的空間離散中,離散單元可以是規(guī)則的,也可以是不規(guī)則的。離散單元之間可以是有嚴(yán)格的空間拓?fù)潢P(guān)系,也可以是相當(dāng)概化的空間關(guān)系4。傳統(tǒng)新安江模型一般采用泰森多邊形分塊的方法,其能較好地考慮降雨的空間變異,但也存在諸多不合理之處。隨著數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)的普及和GIS技術(shù)的發(fā)展,使得按自然流域分塊的方法更為方便。 圖 2 泰森多邊形分塊(b 流域流水網(wǎng) 圖1 西江中下游流域 本文提出了“流域-產(chǎn)匯流分區(qū)-單元面積”的空間離散化形式。要實(shí)現(xiàn)這種形式,需基于數(shù)字高程模型

5、,進(jìn)行流域流水網(wǎng)的推求,再進(jìn)行流域單元面積的劃分,最終建立流域產(chǎn)匯流分區(qū),從而完成對(duì)流域的空間離散。3.1 基于DEM 的流域流水網(wǎng)推求地形對(duì)流域匯流過程起著決定性作用。根據(jù)DEM 數(shù)據(jù),對(duì)匯流過程進(jìn)行描述的最好方法是流域流水網(wǎng)5。根據(jù)水往低處流的公理,每個(gè)網(wǎng)格上的徑流,將流向相鄰網(wǎng)格中相對(duì)較低的網(wǎng)格,據(jù)此可確定各網(wǎng)格的方向。將各網(wǎng)格方向首尾相連,即為流域流水網(wǎng)。目前,利用DEM 生成流域流水網(wǎng)的方法很多,一般可采用的軟件有:由Martz 和Garbrecht6研制的數(shù)字高程流域水系模型(DEDNM;美國RSI 公司開發(fā)的RiverTools ;美國環(huán)境系統(tǒng)研究所(ESRI開發(fā)的ArcGIS

6、軟件等等。本文采用ArcGIS 軟件作為推求流域流水網(wǎng)的主要工具。圖1是基于流域DEM 數(shù)據(jù),使用ArcGIS 軟件生成的流域流水網(wǎng)。當(dāng)然,任何一種軟件和方法導(dǎo)出的流水網(wǎng)不盡相同,可能存在錯(cuò)誤或誤差。因此,需對(duì)流水網(wǎng)進(jìn)行合理性檢驗(yàn)。只有合理可靠的流水網(wǎng),才能以此為依據(jù),進(jìn)行空間分析。3.2 流域單元面積劃分在流域水文模擬中,為了考慮降雨及流域下墊面水文特性的空間變異,需將流域按一定形式分成若干單元面積。傳統(tǒng)新安江模型分單元面積的方法是以雨量站為中心的泰森多邊形法。其主要是從考慮雨量代表性出發(fā),即盡可能采用直線距離最近的雨量站作為代表站,而沒有考慮地形等其它影響因素。由此帶來的最主要問題是單元面

7、積很可能跨分水嶺。如圖2圓圈處所示,其主要存在兩處不合理:分水嶺一邊的雨量站來作為分水嶺另一邊部分面積的代表站,造成面雨量計(jì)算的誤差;分水嶺一邊的徑流跨過分水嶺,匯入分水嶺的另一邊,造成匯流模擬的誤差。 (a 原始的DEM 圖3 自然流域分塊利用ArcGIS 軟件能方便地將流域按自然流域進(jìn)行單元面積的劃分。流域流水網(wǎng)生成后,只要設(shè)定集水面積的閾值,軟件能自動(dòng)按流域分水嶺進(jìn)行單元面積的劃分。圖3是利用流域流水網(wǎng)生成的自然流域分塊。在一般情況下,自然流域分塊后,需進(jìn)行人工編輯。因?yàn)橐环矫嬗葾rcGIS 軟件生成自然流域分塊時(shí)設(shè)定的集水面積閾值是對(duì)整個(gè)流域的,不能對(duì)流域的某一區(qū)域設(shè)定集水面積閾值,從

8、而使整個(gè)流域上的自然流域分塊在面積上相差不大。但在實(shí)際的情況中,如果流域中的某一區(qū)域雨量站較密,那么相應(yīng)的子單元數(shù)可以多點(diǎn),但如果雨量站較疏,那么相應(yīng)的可以人工合并子單元,增大子單元面積,從而也可以減少模型計(jì)算中的工作量;另一方面在前文也已提到,使用任何一種方法導(dǎo)出的流水網(wǎng),由于種種原因,可能存在錯(cuò)誤或誤差,那么在流水網(wǎng)基礎(chǔ)之上生成的自然流域分塊也存在同樣的問題。在實(shí)際的應(yīng)用過程中,需借助GIS 平臺(tái),將藍(lán)線河網(wǎng)、由DEM 生成的流域流水網(wǎng)及自然流域分塊的圖層都同時(shí)顯示,并加以人工分析,使得分塊更為合理。泰森多邊形法作為傳統(tǒng)的流域單元面積劃分方法,主要考慮了降雨的空間變異;基于DEM 的自然流

9、域分塊法,主要考慮了流域下墊面特征的的空間變異,但在單元面積降雨的處理方面較為困難,人為因素較大。筆者在實(shí)際應(yīng)用過程中,結(jié)合以上兩種分塊方法的優(yōu)點(diǎn),提出了耦合分塊的方法,即采用泰森多邊形來進(jìn)行面雨量的計(jì)算,采用自然流域來進(jìn)行產(chǎn)匯流過程的計(jì)算。如圖4(a中的“灰色”子單元,被三個(gè)泰森多邊形面單元覆蓋,可認(rèn)為此自然流域分塊的面平均雨量受與其鄰近的三個(gè)雨量站的共同影響。在對(duì)其進(jìn)行面雨量計(jì)算時(shí),需采用面積權(quán)重法。通過GIS 的空間疊置分析和面積計(jì)算功能,可得到各泰森多邊形分塊與自然流域分塊相交部分的面積。如圖4(b所示,每個(gè)泰森多邊形所占的權(quán)重為 W(i=a(i/A ,其所代表的面雨量值為 P(i,那

10、么該單元面積的面平均雨量即為:aveP=×n i i W i P 1(。(a 疊置分析前的單元面積 (b 疊置分析后的單元面積圖4 耦合分塊法及疊置分析示意圖 Aa1a2 a3 GIS空間分析 疊置分析功能 3.3 流域產(chǎn)匯流分區(qū)建立圖6是廣東省東江流域的示意圖,按干流重要站點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行概化后如圖5所示。結(jié)合流域概化圖的特點(diǎn),本文提出按流域產(chǎn)匯流分區(qū)對(duì)流域進(jìn)行重構(gòu)。流域產(chǎn)匯流分區(qū)是指用流域產(chǎn)匯流模型進(jìn)行計(jì)算的分區(qū),其包括小流域及區(qū)間流域。流域產(chǎn)匯流分區(qū)的建立是基于自然流域的,通過合并屬于相同流域的自然流域建立的。有了流域產(chǎn)匯流分區(qū),再結(jié)合如圖5所示的流域概化圖,就可建立產(chǎn)匯流分區(qū)間的流

11、域拓?fù)潢P(guān)系,為洪水預(yù)報(bào)方案的自動(dòng)構(gòu)建與計(jì)算帶來便利。 圖5 東江流域概化圖 圖6 東江流域示意圖4.模型參數(shù)空間化目前,分布式水文模型參數(shù)的確定有以下幾種方法:在單元面積上采用傳統(tǒng)的概念性模型,不改變?cè)心Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)和參數(shù),每個(gè)單元面積上的水文模型的參數(shù)隨空間變化;重新設(shè)計(jì)單元面積上的水文模型的結(jié)構(gòu)與參數(shù),盡量選擇或者重新構(gòu)造既能反映空間變異性,又具有物理意義,且便于計(jì)算的指標(biāo)作為模型的參數(shù);將原有模型的參數(shù)同易于獲取的流域下墊面特征建立相關(guān)關(guān)系,從而得到水文模型的參數(shù)計(jì)算方法4。分布式水文模型的參數(shù)是一個(gè)反映流域下墊面特性和氣象因子空間變化的數(shù)集4,其需要大量的資料來確定,但在目前還難以全部滿

12、足,給參數(shù)的確定帶來了困難,也給分布式水文模型在實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)這種對(duì)精度要求較高的應(yīng)用中帶來了瓶頸。傳統(tǒng)新安江模型的參數(shù)是通過歷史水文數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定,對(duì)于有水文資料的流域可以通過模型參數(shù)率定工作確定模型的參數(shù)。但對(duì)于無水文資料的地區(qū)也難以進(jìn)行參數(shù)率定。本文結(jié)合前人的研究成果,采用了如下技術(shù)方案。其主要是在有資料的小流域中進(jìn)行模型參數(shù)的率定,同時(shí)獲取能反映流域下墊面特征的指標(biāo),進(jìn)而建立相關(guān)模型參數(shù)與相應(yīng)特征指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系。那么對(duì)于無水文資料地區(qū),獲取其下墊面特征指標(biāo)后,依據(jù)相關(guān)關(guān)系 反演可得到相應(yīng)的模型參數(shù)。 上述技術(shù)方案已在西江流域和長(zhǎng)江中上游流域的洪水預(yù)報(bào)方案編制中得到了應(yīng)用,效果較好。

13、現(xiàn)以新安江模型中的“坡面匯流參數(shù)CS 和流域平均坡度S”的相關(guān)關(guān)系為例,說明模型參數(shù)空間化的過程。在傳統(tǒng)新安江模型中,坡面匯流分地表徑流、壤中流和地下徑流三種水源。坡面匯流參數(shù)CI 、CG 分別是壤中流和地下徑流的調(diào)蓄系數(shù),受流域平均坡度影響。CS 是單元面積上的河網(wǎng)匯流參數(shù),同樣受流域平均坡度影響,但與CG 和CI 相比,其較為敏感。本文采用回歸分析的方法建立流域平均坡度S 與參數(shù)CS 的關(guān)系。表1中列出了西江流域中下游中6個(gè)小流域的平均坡度和通過歷史水文數(shù)據(jù)率定的坡面匯流參數(shù),并據(jù)此建立了一元回歸模型(式1為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的可靠性,通過上述相關(guān)關(guān)系,并根據(jù)流域平均坡度反演了坡面匯流參數(shù),并將其輸入模型進(jìn)行模擬結(jié)果對(duì)比。表2為桂林站模擬結(jié)果對(duì)比。表1 西江流域中下游率定流域模型參數(shù)CS 與流域平均坡度S 一覽流域名稱流域平均坡度S 人工率定CS 相關(guān)關(guān)系CS 洛清江支流 0.15