漳衛(wèi)河流域洪水預(yù)報(bào)模型研究

只德國(guó)，楊 鵬，王 哲

（海河水利委員會(huì)水文局，天津 300170）

1 引言

防汛抗旱實(shí)踐證明，水文情報(bào)預(yù)報(bào)在防汛抗旱工作中發(fā)揮了舉足輕重的作用[1-2]。由于人類(lèi)活動(dòng)的影響，流域下墊面發(fā)生變化，使得傳統(tǒng)的洪水預(yù)報(bào)模型及方法的精度較低，洪水預(yù)報(bào)很難在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮其應(yīng)有的作用。隨著分布式水文模型、遙感、GIS、優(yōu)化算法等技術(shù)的發(fā)展及在洪水預(yù)報(bào)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸開(kāi)展，使得運(yùn)用新技術(shù)提高洪水預(yù)報(bào)精度成為可能，同時(shí)建立下墊面變化條件下洪水預(yù)報(bào)模型也成為可能[3]。

筆者基于分布式的 EasyDHM模型，利用EasyRiv1D模型對(duì)中下游洪水進(jìn)行一維演進(jìn)計(jì)算，構(gòu)建基于EasyDHM模型的洪水預(yù)報(bào)模型。該模型應(yīng)用于漳衛(wèi)河流域，對(duì)上游山丘區(qū)部分進(jìn)行水文模擬，并將上游流域中的岳城水庫(kù)、元村水文站的預(yù)報(bào)結(jié)果輸出到下游平原區(qū)的河網(wǎng)中進(jìn)行洪水演進(jìn)計(jì)算，為流域防洪非工程體系的完善和洪水調(diào)度提供一定的技術(shù)支持。

2 基于EasyDHM模型的洪水預(yù)報(bào)模型構(gòu)建

2.1 EasyDHM模型簡(jiǎn)介

EasyDHM模型是一種準(zhǔn)分布式的水循環(huán)模擬模型，采用產(chǎn)流和匯流過(guò)程分開(kāi)模擬，在每個(gè)基本計(jì)算單元上應(yīng)用現(xiàn)有的集總式概念性模型或系統(tǒng)模型來(lái)推凈雨，再進(jìn)行匯流演算，最終求得出口斷面流量。EasyDHM模型可以支持多種產(chǎn)流模型和多種匯流模型。EasyDHM模型充分吸收多種分布式水文模型的特點(diǎn)，自主開(kāi)發(fā)了一個(gè)產(chǎn)流模擬算法——EasyDHM產(chǎn)流算法。另外，EasyDHM模型還集成了多種成熟通用的產(chǎn)匯流算法。其中，產(chǎn)流模擬包含WetSpa算法、新安江算法、Hymod算法等；匯流模擬包括圣維南方法、馬斯京干法和變儲(chǔ)量演算法等[4-5]。

該模型支持參數(shù)自動(dòng)識(shí)別方法。通過(guò)引入LHOAT全局參數(shù)敏感性分析方法，可對(duì)模型參數(shù)敏感性進(jìn)行排序、過(guò)濾，為參數(shù)優(yōu)化提供參考。同時(shí)，該模型支持多種單目標(biāo)/多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化方法。

2.2 水文模型構(gòu)建過(guò)程

2.2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備主要包括DEM數(shù)據(jù)處理、數(shù)字流域水系生成、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、水文氣象數(shù)據(jù)等。

2.2.2 參數(shù)分區(qū)及計(jì)算分區(qū)

EasyDHM模型將研究區(qū)域根據(jù)高程劃分為多個(gè)高程帶。在每個(gè)子流域中，根據(jù)土地利用、土壤、坡度等的分類(lèi)劃分出0～10個(gè)不等的水文響應(yīng)單元（HRU）。為了體現(xiàn)模型參數(shù)在空間上的變異性，采用了參數(shù)分區(qū)拓?fù)涫铰识ǚ椒āＴ趯?duì)某個(gè)參數(shù)分區(qū)進(jìn)行調(diào)參時(shí)，整體改變?cè)搮?shù)分區(qū)內(nèi)的所有計(jì)算單元的參數(shù)，而不改變模型中各類(lèi)下墊面間參數(shù)的相對(duì)關(guān)系。在數(shù)字流域基礎(chǔ)上，確定出每個(gè)水文站和水庫(kù)的控制范圍，進(jìn)而劃分出各個(gè)參數(shù)分區(qū)和水庫(kù)分區(qū)。

2.2.3 流域產(chǎn)流及河道匯流

EasyDHM產(chǎn)流算法是在Wetspa、SWAT（Neitsch et.al.，2005）、新安江（趙人俊等，1984）等產(chǎn)流模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行集成創(chuàng)新而提出的一種產(chǎn)流模型，該模型在不同地區(qū)、不同水文地質(zhì)條件下均能通用。匯流計(jì)算根據(jù)具體情況按動(dòng)力波（Dynamic Wave）模型、運(yùn)動(dòng)波（Kinematic Wave）模型或者擴(kuò)散波（Diffusive Wave）模型進(jìn)行一維數(shù)值計(jì)算，采用馬斯京干法和變儲(chǔ)量法這兩種簡(jiǎn)化計(jì)算方法來(lái)求解圣維南方程組。利用EasyRiv2D模型自適應(yīng)技術(shù)構(gòu)建大名泛區(qū)和恩縣洼蓄滯洪區(qū)洪水淹沒(méi)模型。

2.3 參數(shù)率定

EasyDHM模型采用LH-OAT全局參數(shù)敏感性分析算法。LH-OAT算法結(jié)合了Latin-Hypercube抽樣算法的強(qiáng)壯性和OAT算法的精確性，保證了能從所有參數(shù)的全部可行空間中根據(jù)OAT設(shè)計(jì)進(jìn)行精確抽樣，也保證了每次模型運(yùn)行輸出的變化可以清楚地歸結(jié)到輸入?yún)?shù)的變化，從而保證參數(shù)敏感性分析的強(qiáng)壯性及有效性。模型敏感性分析結(jié)束后，根據(jù)相對(duì)敏感度的大小選擇要進(jìn)行優(yōu)化的參數(shù)，從而節(jié)省了參數(shù)優(yōu)化的時(shí)間。模型參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)選用敏感性分析中采用的SSQ，即水文站模擬與實(shí)測(cè)徑流量的殘差平方和。

3 基于EasyDHM的洪水預(yù)報(bào)模型在漳衛(wèi)河流域洪水中的驗(yàn)證

3.1 流域簡(jiǎn)介與概化

筆者利用復(fù)雜流域、區(qū)域子流域劃分算法對(duì)漳衛(wèi)河流域進(jìn)行子流域劃分，采用最小水道集水面積閾值150 km2時(shí)，漳衛(wèi)河流域共劃分為1 421個(gè)子流域（如圖1所示）。子流域進(jìn)一步依據(jù)高程劃分為15 110個(gè)等高帶。

圖1 漳衛(wèi)河流域子流域劃分

水文氣象資料主要包括降水、氣溫、水面蒸發(fā)等氣象信息以及實(shí)測(cè)徑流資料。本次研究選取漳衛(wèi)河流域范圍內(nèi)的水文站11個(gè)、水庫(kù)6個(gè)、氣象站25個(gè)、雨量站287個(gè)。根據(jù)11個(gè)水文站、6個(gè)水庫(kù)和1個(gè)總出口點(diǎn)，將漳衛(wèi)河流域劃分為17個(gè)參數(shù)分區(qū)和6個(gè)水庫(kù)分區(qū)。

3.2 參數(shù)計(jì)算

漳衛(wèi)河流域近10年洪水較小，因此采用1963年汛期洪水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定，并用1982、1988年場(chǎng)次洪水進(jìn)行驗(yàn)證。如表1所示，觀臺(tái)站模型經(jīng)過(guò)參數(shù)率定后率定期Nash系數(shù)為0.89，相對(duì)誤差為11.2%；驗(yàn)證期Nash系數(shù)為0.78，相對(duì)誤差為7.46%，可見(jiàn)模型模擬精度較高，說(shuō)明該分布式洪水預(yù)報(bào)模型適用于漳衛(wèi)河流域。以漳河觀臺(tái)站為例，按上述規(guī)則對(duì)場(chǎng)次洪水的洪峰、洪量、洪峰誤差以及洪量誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，15場(chǎng)洪水中合格的洪水為12場(chǎng)，合格率為80%。

表1 觀臺(tái)站率定期和驗(yàn)證期結(jié)果

3.3 洪水預(yù)報(bào)結(jié)果計(jì)算分析

按照洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)精度評(píng)定執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) 《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（SL250—2000）的要求，對(duì)漳衛(wèi)河流域11個(gè)水文站中的7個(gè)重點(diǎn)水文站的洪水預(yù)報(bào)合格率 （見(jiàn)表2）計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，分布式洪水預(yù)報(bào)模型EasyDHM在漳河、衛(wèi)河兩條河上的洪水預(yù)報(bào)水平整體達(dá)到了乙級(jí)以上，局部可以達(dá)到甲級(jí)。

表2 漳河、衛(wèi)河洪水預(yù)報(bào)合格率統(tǒng)計(jì)

3.4 河道洪水演進(jìn)結(jié)果計(jì)算分析

利用收集的1982年8月1日到9月30日的岳城水庫(kù)水文站的實(shí)測(cè)流量和元村水文站的實(shí)測(cè)流量作為中下游河道的入流條件，以埕口水文站測(cè)得的潮位作為出流邊界條件，對(duì)開(kāi)發(fā)的漳衛(wèi)河河網(wǎng)模型的模擬精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

模擬結(jié)果分析表明，在無(wú)調(diào)控情景下，漳衛(wèi)河下游河網(wǎng)一維水動(dòng)力數(shù)值模擬結(jié)果的水量誤差為0.17%，精度較高。通過(guò)將蔡小莊、南陶、臨清水文站的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值擬合較好。以漳河上的蔡小莊站為例，將1982年8月1—31日作為模擬期、1982年9月1—15日作為預(yù)報(bào)期計(jì)算出預(yù)報(bào)確定性系數(shù)為0.85，在預(yù)報(bào)項(xiàng)目等級(jí)上為乙級(jí)，可以用于發(fā)布正式預(yù)報(bào)。建立的漳衛(wèi)河河網(wǎng)一維水動(dòng)力學(xué)模型，能夠較為真實(shí)地給出水文斷面處的流量變化過(guò)程，且峰值出現(xiàn)時(shí)間與實(shí)測(cè)較為一致，因此能夠應(yīng)用于漳衛(wèi)河流域的實(shí)際的防洪調(diào)度。

4 結(jié)論

（1）采用分布式水文模型EasyDHM建立洪水預(yù)報(bào)模型，充分考慮了流域中各物理參數(shù)的空間分布和下墊面的變化情況，將率定后的模型應(yīng)用到漳衛(wèi)河流域洪水預(yù)報(bào)中，取得了較高精度。

（2）建立基于EasyRiv的河道洪水演進(jìn)模型，通過(guò)輸入不同的入流邊界條件，較為精確地模擬了漳衛(wèi)河下游河道在閘門(mén)調(diào)控作用下的水流演進(jìn)過(guò)程，能夠應(yīng)用于漳衛(wèi)河流域的實(shí)際防洪調(diào)度。

（3）研究表明，采用分布式水文模型EasyDHM進(jìn)行實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)在方法上是可行的，在一定預(yù)見(jiàn)期內(nèi)能夠?qū)樗^(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，為洪水預(yù)報(bào)提供了一個(gè)新的模式，具有一定的理論依據(jù)和應(yīng)用價(jià)值，對(duì)同類(lèi)洪水預(yù)報(bào)有一定的借鑒意義。

[1]張建云.中國(guó)水文預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展的回顧與思考［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2010，19（7）：437-441.

[2]左振魯，曹年紅，曹翊軍，等.水情水調(diào)自動(dòng)化技術(shù)回顧與展望[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2009，33（6）：22-26.

[3]Back T.1996.Evolutionary Algorithms in Theory and Practice：Evolution Strategies， Evolutionary Programing， Genetic Algorithms[M].New York：Oxford University Press，1996.

[4]楊大文，李翀，倪廣恒，等.分布式水文模型在黃河流域的應(yīng)用［J］.地理學(xué)報(bào)，2004，59（1）：143-154.

[5]賈仰文，王浩.分布式流域水文模型原理與實(shí)踐［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005：238-258.