分布式流域水文物理模型的應(yīng)用

分布式流域水文物理模型的應(yīng)用

1初測(cè)資料與方法作者提出并建立了基于dem的分布流域水文物理模型。為了驗(yàn)證模型的結(jié)構(gòu)和模擬精度，我們選擇了美國(guó)緬因州的bbw流域作為研究對(duì)象。BBWM流域面積100hm2,按30m×30m劃分,共有1100個(gè)網(wǎng)格,每個(gè)網(wǎng)格單元面積為900m2.BBWM流域地形如圖1所示.以下有關(guān)BBWM流域資料和數(shù)據(jù)由文獻(xiàn)提供.BBWM位于緬因的東部(緯度44°52′15″,經(jīng)度68°06′28″),距美國(guó)東北部的西太平洋海岸線約60km,流域最高高程為452.6m,最低高程為235.18m,平均地表坡度為4.83°.BBWM由兩條一級(jí)河流EBB和WBB組成,在每條河流上各選一個(gè)測(cè)站,EBB測(cè)站的當(dāng)?shù)刂苯亲鴺?biāo)x=630m,y=270m,基金來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59779008).國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃“973”項(xiàng)目(G19990436)和教育部跨世紀(jì)人才基金資助項(xiàng)目.高程z=275m;WBB測(cè)站的當(dāng)?shù)刂苯亲鴺?biāo)x=570m,y=240m,高程z=280m.斷面用標(biāo)準(zhǔn)120°V型凹槽堰來(lái)量測(cè)流量,每5min觀測(cè)一次.BBWM流域1987～1992年平均降雨約1400mm.WBB徑流系數(shù)在68%～77%之間,EBB徑流系數(shù)在62%～77%之間.除降雨外,融雪是徑流形成的另一途徑,融雪一般發(fā)生于10月到下一年的5月底.BBWM受溫和海洋氣候的影響,年平均溫度約4.9℃,在+35℃～-30℃之間變化.流域土壤厚度變幅為0～5m,一般為1～2m.下面是BBWM流域上的原始數(shù)據(jù):(1)3個(gè)雨量站在1h降雨資料:應(yīng)用最鄰近法將降雨外推到各子單元;(2)EBB測(cè)站和WBB測(cè)站測(cè)量1h的流量資料;(3)每天最高最低空氣溫度:應(yīng)用線形插值法來(lái)獲得溫度觀察點(diǎn)的每小時(shí)氣溫,再用溫度遞減率來(lái)計(jì)算不同高程的氣溫;(4)地表高程,土壤類型,土壤深度,土壤孔隙率,植被類型:取植被覆蓋率VCF=1.0,即地表都被植被覆蓋;(5)云量系數(shù)取平均值0.8,地表反射率α取平均值0.18;(6)下滲能力隨土壤含水量變化曲線為fc=0.099(1?θξ)fc=0.099(1-θξ),BBWM流域所有土壤類型都按該式計(jì)算(fc單位為m·h/r-1);(7)水力傳導(dǎo)率隨土壤含水量變化曲線為K(θ)=3.0×10?7exp(14.451θξ)Κ(θ)=3.0×10-7exp(14.451θξ),BBWM流域所有土壤類型都按上式計(jì)算.K的單位為m·hr-1.選5場(chǎng)洪水來(lái)率定和驗(yàn)證本模型,5場(chǎng)洪水發(fā)生時(shí)期分別為:①1989/05/01～1989/06/01;②1989/11/05～1989/11/24;③1989/11/05～1989/11/19;④1990/04/07～1990/04/25;⑤1990/05/13～1990/05/31.其中3場(chǎng)洪水發(fā)生在春季,其余2場(chǎng)發(fā)生在冬季,因?yàn)樵摿饔蛳那锝涤陰缀醪恍纬蓮搅?2模型性能的準(zhǔn)則由于有兩處流量觀測(cè)站(即EBB和WBB),因此選擇兩站的效率系數(shù)R2之和、水量守恒指數(shù)IVF(即表示模擬徑流量與觀測(cè)流量的比率)作為評(píng)估模型性能的準(zhǔn)則.2.15沒(méi)有通過(guò)模型分析來(lái)確定觀測(cè)參數(shù)分布式水文物理模型的參數(shù)可分為三類.第一類的參數(shù)為物理量或常數(shù);第二類的參數(shù)可直接從流域地理地貌、土壤植被等資料分析中求得,固定不變,見(jiàn)表1;第三類的參數(shù)隨時(shí)間和空間發(fā)生變化,需要通過(guò)模型的分析試算和調(diào)試來(lái)確定.在模擬5場(chǎng)洪水觀測(cè)流量序列的過(guò)程中發(fā)現(xiàn),為達(dá)到對(duì)觀測(cè)流量過(guò)程的最佳擬和效果,一些參數(shù)保持不變,而另外一些參數(shù)確在發(fā)生變化.由于從實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)的下滲能力不能代替流域的實(shí)際情況,需要進(jìn)行修正.下滲能力校正系數(shù)Cinf可作為一個(gè)反映下滲能力與土壤含水量的關(guān)系的綜合系數(shù),并隨事件發(fā)生變化,它的校正和確定對(duì)提高模擬效果來(lái)說(shuō),至關(guān)重要.2.2物理特征cinf模型的效率系數(shù)R2對(duì)下滲能力校正系數(shù)Cinf十分敏感.沒(méi)有一個(gè)確定的Cinf能保證在EBB和WBB流域5場(chǎng)洪水的R2為最大.例如:對(duì)第一場(chǎng)洪水,EBB和WBB在Cinf=0時(shí)R2達(dá)到最大(88.99%和83.27%);然而對(duì)第二場(chǎng)洪水而言,EBB上在Cinf=0時(shí)R2達(dá)到最大(87.63%),而WBB上在Cinf=0.2時(shí)R2達(dá)到最大(72.10%).在模擬EBB和WBB站上的每場(chǎng)洪水過(guò)程時(shí),如果要達(dá)到較好的模擬結(jié)果,必須考慮空間的不均勻性和隨時(shí)變化性.在保持其他參數(shù)不變的前提下,不同測(cè)站的每一場(chǎng)洪水取不同的Cinf值,R2和IVF的模擬結(jié)果有較大的提高.R2的平均值可從原來(lái)的72.35%提高到77.01%.2.3降雨時(shí)期下滲能力校正在比較模擬和實(shí)測(cè)的流量過(guò)程線后發(fā)現(xiàn),一般洪水漲水段模擬得非常好,而在退水段和枯水段都明顯低估,其主要原因是對(duì)降雨后下滲損失的過(guò)高估計(jì).這個(gè)問(wèn)題與DEM模擬中假設(shè)有關(guān),即每一個(gè)網(wǎng)格單元的地表處在同一幾何平面和所有的水文過(guò)程都傳播到整個(gè)地表.降雨期間,下滲過(guò)程被認(rèn)為發(fā)生在流域的每個(gè)單元上.然而降雨之后,徑流主要發(fā)生在溝槽中積累,而不是均勻地在整個(gè)地表積累,相應(yīng)地,主要的下滲也僅發(fā)生在溝槽而不是整個(gè)流域表面.為解決此問(wèn)題,在WBB流域,在降雨時(shí)段和無(wú)雨時(shí)段下滲能力校正系數(shù)Cinf取不同的值,求得R2和IVF的值,結(jié)果列于表2中.在考慮降雨對(duì)下滲過(guò)程的影響后,R2的平均值從原來(lái)的77.01%提高到85.20%,IVF的平均值從0.67增加到0.98.假定表2中的模擬結(jié)果是合理的,那么雨期的Cinf的平均值要大于無(wú)雨期Cinf的平均值,這一事實(shí)反映顯著下滲過(guò)程在雨期比在雨后更廣泛.1989/05/01～1989/06/01這場(chǎng)洪水的模擬和實(shí)測(cè)過(guò)程見(jiàn)圖2和圖3,從圖中可以看出,模擬和實(shí)測(cè)過(guò)程線基本吻合,效果很好.2.4融雪產(chǎn)生的最大徑流融雪是BBWM流域總徑流量中一個(gè)重要組成部分,現(xiàn)對(duì)融雪對(duì)洪水形成的作用作進(jìn)一步分析.假設(shè)在實(shí)際降雨條件下,SW=0時(shí)的流量過(guò)程是降雨產(chǎn)生的徑流,它與實(shí)際降雨條件下SW=2.7×10-7m/s的流量過(guò)程之差,被看作是融雪所產(chǎn)生的流量過(guò)程.本模型也用SW=2.0×10-7m/s模擬沒(méi)有降雨條件下(即NP=0)流量過(guò)程,計(jì)算實(shí)際降雨條件下由降雨和融雪產(chǎn)生的最大徑流和沒(méi)有降雨時(shí)由融雪產(chǎn)生的最大徑流.計(jì)算結(jié)果表明,沒(méi)有降雨時(shí),融雪將不會(huì)產(chǎn)生任何洪水,而有持續(xù)的降雨情況下,融雪將產(chǎn)生洪水.這種現(xiàn)象主要是受門欄值的影響,例如:降雨小于截留能力將不會(huì)產(chǎn)生凈雨,雨量供給率小于下滲能力將不會(huì)產(chǎn)生地表徑流.2.5地表徑流、地表徑流模型分布式水文物理模型比概念性模型主要優(yōu)越之處是能提供徑流形成的面上信息.當(dāng)然,分布信息的多少會(huì)受DEM模型的限制,因?yàn)榉植际侥Ｐ椭粦?yīng)用一個(gè)或二個(gè)點(diǎn)的觀測(cè)信息而不是地區(qū)面上的信息.本模型能提供如每一個(gè)網(wǎng)格單元上的土壤含水量、地表徑流和平均地表水深等信息.圖4反映流域土壤含水量的分布情況.圖5給出了1989年5月11日17:00時(shí)的地表徑流量和輪廓圖,圖中清晰說(shuō)明地表徑流是如何集中到兩條河流中以及流量沿著河流方向的變化過(guò)程.3考慮的洪水模型新安江三水源模型是國(guó)內(nèi)外著名的概念性流域水文模型,在洪水預(yù)報(bào)和水資源評(píng)估和管理中得到廣泛的應(yīng)用.模型主要由四部分組成:蓄滿產(chǎn)流計(jì)算、流域水源劃分、流域蒸散發(fā)計(jì)算和匯流計(jì)算.BBWM流域地處美國(guó)西太平洋海岸附近,年平均降雨約1400mm,雨量充沛,流域內(nèi)植被良好、覆蓋率較高,徑流系數(shù)在62%～77%之間,符合新安江三水源模型應(yīng)用的條件.本文直接采用愛(ài)爾蘭國(guó)立大學(xué)(高爾威)國(guó)際洪水預(yù)報(bào)研討班提供的標(biāo)準(zhǔn)化程序,對(duì)BBWM流域5場(chǎng)洪水進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果列在表3中.新安江模型的總平均模型效率系數(shù)為83.18%,總平均IVF為1.1,均略低于分布式水文物理模型相應(yīng)的模擬結(jié)果(85.02%和0.98).4主要結(jié)論及意義對(duì)水文工作者來(lái)說(shuō),分布式水文物理模型仍處于學(xué)習(xí)研究的前沿和發(fā)展階段,盡管在這方面已有一些研究成果和進(jìn)展,但與集總式概念性水文模型所做的工作相比,仍有很大的差距.為更好描述地表水文物理過(guò)程、更完整地揭示地表不均勻性的影響、更科學(xué)地解釋流域的非線性機(jī)理行為,還需要進(jìn)行更多的研究和探索.本文提出基于DEM的分布式水文物理模型,通過(guò)模擬BBWM流域上的5場(chǎng)洪水過(guò)程和分析比較討論,得到的主要結(jié)論如下:(1)分布式水文物理模型結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn),參數(shù)物理意義明確,并能給出一些水文要素的空間分布和變化過(guò)程.該模型僅調(diào)整和優(yōu)化一個(gè)模型參數(shù),即下滲能力校正系數(shù)Cinf,其他參數(shù)直接從流域地理地貌、土壤植被等資料中分析求得,不需優(yōu)化.(2)模型效率系數(shù)R2的平均值為85.2%,IVF平均值為0.98(見(jiàn)表3),說(shuō)明本模型具有較高的模擬精度,并略高于新安江模型在該流域上的模擬結(jié)果.(3)在BBWM流域,霍頓地表徑流被認(rèn)為是徑流形成機(jī)理主要因素.對(duì)Cinf的詳細(xì)討論表明,要取得好的模擬結(jié)果,考慮物理參數(shù)的時(shí)變性是很重要的.(4)對(duì)融雪徑流形成中作用的分析表明,沒(méi)有降雨,融雪率不變的融雪徑流將不會(huì)產(chǎn)生任何洪水,若有持續(xù)的