基于WMS的淮河流域阜陽段降雨徑流過程模擬

程千云

(安徽省駟馬山引江工程管理處，安徽 馬鞍山 238251)

1 研究區(qū)概況

阜陽位居大京九經(jīng)濟(jì)協(xié)作帶，是東部地區(qū)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移過渡帶，是中原經(jīng)濟(jì)區(qū)東部門戶城市，豫皖省際中心城市，皖北商貿(mào)、物流、教育、科技文化衛(wèi)生、醫(yī)療中心城市，長三角一體化區(qū)域中心城市。阜陽市水資源主要由自然降水，河道過境水和地下水構(gòu)成。全地區(qū)年均降水820-950mm，年均河道過境水徑流量38.22億m3。阜陽市境內(nèi)河流均屬淮河水系。主要自然河道從西往東依次有谷河、潤河、泉河、潁河、西淝河、茨河、澥河、包河等。這些河道大都源于黃河南岸平原，屬原雨坡型河道，水源補(bǔ)給主要靠平原地區(qū)自然降水[1]。

2 模型簡介及數(shù)據(jù)選擇

2.1 模型簡介

WMS軟件由美國楊百翰大學(xué)(BrighamYoungUniversity)與美國陸軍工程兵團(tuán)水道實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)(WES)共同開發(fā)研制。軟件計(jì)算精度高、可視化功能強(qiáng)大，且能與GIS系統(tǒng)完美對接，已被廣泛運(yùn)用。

WMS可以使用矢量地圖、DEM、TIN等格式的數(shù)據(jù)來進(jìn)行地形分析和水文過程模擬，軟件嵌入了許多水文模型模塊，主要包含的模型有：HEC-1、HEC-HMS、HEC-RAS、GSSHA等。WMS的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：降雨-徑流模擬、土地利用規(guī)劃評估、洪水預(yù)報(bào)、地表水和地下水的交互作用等。

HEC-HMS模型是美國陸軍工程兵團(tuán)水文中心(HydrologyEngineeringCenter)在HEC-1的基礎(chǔ)上并結(jié)合地理信息系統(tǒng)及圖形使用界面開發(fā)的一種分布式水文模型，主要用于降雨-徑流過程模擬。該模型由HEC-DSS、HEC-GeoHMS與HEC-HMS組成。HEC-HMS降雨徑流概念模型，見圖1。

圖1 HEC-HMS降雨徑流概念模型

HEC-HMS水文模型提供了12種計(jì)算產(chǎn)流的方法，分別是初損穩(wěn)滲法、SCS曲線法、格網(wǎng)SCS曲線法、格林-艾姆普特法、格網(wǎng)格林-艾姆普特法、盈虧常數(shù)法、格網(wǎng)盈虧常數(shù)法、土壤濕度法、格網(wǎng)土壤濕度法和指數(shù)法等[2]。

2.2 數(shù)據(jù)選擇

研究中所用的水文氣象數(shù)據(jù)來源于相關(guān)歷史報(bào)道文獻(xiàn)，錦江流域特征參數(shù)依據(jù)研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)，運(yùn)用Arcgis軟件提取相關(guān)參數(shù)值。數(shù)據(jù)源表，見表1。

表1 數(shù)據(jù)源表

3 降雨徑流過程模擬

3.1 參數(shù)敏感性分析

文章以阜陽19950701洪水災(zāi)害的降雨作為模型輸入，在初始參數(shù)的徑流模擬結(jié)果下，對模型中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。具體方法是：使各參數(shù)在初始值的-20%-20%之間變動(dòng)，每次變動(dòng)幅度為5%，最后計(jì)算徑流總量、洪峰流量、洪峰到達(dá)時(shí)刻的相應(yīng)變化率。相關(guān)參數(shù)變化時(shí)洪峰流量的變化率和相關(guān)參數(shù)對于洪峰流量的敏感度分級，見表2-3；相關(guān)參數(shù)變化時(shí)洪峰流量的變化率曲線，見圖2。

表2 相關(guān)參數(shù)變化時(shí)洪峰流量的變化率

表3 相關(guān)參數(shù)對于洪峰流量的敏感度分級

圖2相關(guān)參數(shù)變化時(shí)洪峰流量的變化率曲線

從表2-3和圖2可以分析得出，參數(shù)CN值得變化率在-20%-20%時(shí)，洪峰流量的變化幅度達(dá)-20.407%-19.479%，敏感度達(dá)1.02，CN值對洪峰流量的影響屬于高敏感類型，CN值變大，洪峰流量變小，即趨勢相反；滯流時(shí)間變化率在20%-20%時(shí)，洪峰流量的變化幅度達(dá)-13.554%-19.231%，敏感度達(dá)0.962，滯留時(shí)間對洪峰流量的影響屬于敏感類型，滯流時(shí)間變大，洪峰流量也變大，趨勢一致；初始損失量變化率在-20%-20%時(shí)，洪峰流量的變化幅度達(dá)-1.231%-1.195%，敏感度為0.06，初始損失量對洪峰流量的影響屬于中等敏感類型，初始損失量變大，洪峰流量也相應(yīng)變大，趨勢也一致。所以CN值對洪峰流量最為敏感，滯流時(shí)間對洪峰流量的影響也很大，而初始損失量對洪峰流量的影響就比較小。相關(guān)參數(shù)變化時(shí)總徑流流量的變化率，見表4；相關(guān)參數(shù)對于總徑流流量的敏感度分級，見表5；相關(guān)參數(shù)變化時(shí)總徑流流量的變化率曲線，見圖3。

表4 相關(guān)參數(shù)變化時(shí)總徑流流量的變化率

表5 相關(guān)參數(shù)對于總徑流流量的敏感度分級

圖3相關(guān)參數(shù)變化時(shí)總徑流流量的變化率曲線

從表4-5和圖3可以分析得出，參數(shù)CN值得變化率在-20%-20%時(shí)，總徑流流量的變化幅度達(dá)-19.444%-19.182%，敏感度達(dá)0.972，CN值對總徑流流量的影響屬于敏感類型，CN值變大，總徑流流量變小，即趨勢相反；滯流時(shí)間變化率在-20%-20%時(shí)，總徑流流量的變化幅度達(dá)-1.395%-0.678%，敏感度為0.034，滯流時(shí)間對總徑流流量的影響比較小，滯流時(shí)間變大，總徑流流量也變大，趨勢一致；初始損失量變化率在-20%-20%時(shí)，總徑流流量的變化幅度達(dá)-1.355%-1.356%，敏感度為0.068，初始損失量對總徑流流量的影響屬于中等敏感類型，初始損失量變大，總徑流流量也相應(yīng)變大，趨勢也一致。所以CN值對總徑流流量最為敏感，滯流時(shí)間和初始損失量對總徑流流量的影響就比較小。

3.2 參數(shù)率定

當(dāng)初始參數(shù)提取并輸入以及降雨徑流模型初步建立后，需要對模型進(jìn)行校正和驗(yàn)證,通常將數(shù)據(jù)資料分為兩部分，一部分用于模型的校正，另一部分則用于模型的驗(yàn)證。模型的校正是調(diào)整模型參數(shù)、初始條件及限制條件的過程，使模擬結(jié)果接近資料的實(shí)際數(shù)據(jù)；模型的驗(yàn)證是通過輸入另一組實(shí)資料據(jù)，通過對比模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的擬合度，驗(yàn)證參數(shù)率定的精確度。只有進(jìn)行參數(shù)校正并通過驗(yàn)證的模型才能應(yīng)用于降雨徑流模擬過程中去。計(jì)算參數(shù)表，見表6。

表6 計(jì)算參數(shù)表

3.2.1 模型參數(shù)的校正

常用的模型參數(shù)率定方法有試錯(cuò)法和目標(biāo)函數(shù)法。試錯(cuò)法(也稱人工調(diào)參法)，即通過人工不斷的修正參數(shù)以減小模擬值與實(shí)際值的誤差，該方法的缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)耗力，優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)用簡單且可人為控制；目標(biāo)函數(shù)法通過設(shè)定某一目標(biāo)函數(shù)，對模擬結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，該方法法的優(yōu)點(diǎn)是率定速度快，缺點(diǎn)有時(shí)相關(guān)參數(shù)的物理意義可能會(huì)被忽略。本研究采用人工調(diào)參法進(jìn)行參數(shù)率定，通過不斷試錯(cuò)，確定最佳參數(shù)。參數(shù)優(yōu)化流程圖，見圖4。

文章以阜陽19950701那場降雨引發(fā)的洪澇災(zāi)害作為模型的校正數(shù)據(jù)，先將參數(shù)調(diào)整到輸出的模擬結(jié)果與“950701”洪災(zāi)數(shù)據(jù)相接近；將20140715那場降雨引發(fā)的洪澇災(zāi)害作為模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)，用校正完成的參數(shù)模擬“140715”洪澇災(zāi)害以此來驗(yàn)證模型的精確度。

圖4 參數(shù)優(yōu)化流程圖

文章研究洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估，對重現(xiàn)期不同降雨強(qiáng)度下研究區(qū)是否有洪澇風(fēng)險(xiǎn)作出評估，著重點(diǎn)是預(yù)測重現(xiàn)期內(nèi)洪澇災(zāi)害是否發(fā)生，暫不考慮洪澇災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)。所以對本研究具有重要研究意義的模擬數(shù)據(jù)是洪峰流量，通過上面的參數(shù)敏感性分析我們得出，CN值對洪峰流量最為敏感，因此本研究將CN值作為主要率定參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。模型參數(shù)率定表，見表7。

表7 模型參數(shù)率定表

3.2.2 模型驗(yàn)證及精度分析

通過對參數(shù)的率定和降雨徑流模擬，最終分別得到校正模型和驗(yàn)證模型降雨徑流模擬結(jié)果，模型驗(yàn)證期降雨徑流實(shí)際數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比，見表8。

表8 模型驗(yàn)證期降雨徑流實(shí)際數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比

為了驗(yàn)證參數(shù)率定的可靠性和判定率定后的模型是否可用于研究區(qū)重現(xiàn)期的降雨徑流模擬，需要對率定后的模型進(jìn)行精度分析。本研究采用洪峰流量相對誤差(REp)來對模型模擬結(jié)果進(jìn)行精度分析。依據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》SL250-2000，洪峰預(yù)報(bào)以實(shí)測流量的20%作為可容誤差，洪峰流量預(yù)報(bào)的相對誤差的絕對值越小，模擬結(jié)果就越好。驗(yàn)證期模擬結(jié)果精度，見表9。

表9 驗(yàn)證期模擬結(jié)果精度

從驗(yàn)證期的模擬結(jié)果來看，模擬值比實(shí)測值略小，且其相對誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)<可容誤差20%，所以從精度分析的結(jié)果上來看，驗(yàn)證期的徑流模擬是合格的、可靠的和比較理想的。因此可以用率定好的參數(shù)進(jìn)行重現(xiàn)期降雨徑流模擬。

3.3 重現(xiàn)期降雨徑流模擬

1)20a一遇暴雨降雨徑流模擬。把計(jì)算得出的20a一遇暴雨強(qiáng)度(157.54mm)輸入校正后的模型中，得到20a一遇暴雨降雨徑流模擬結(jié)果。在20a一遇的24h暴雨強(qiáng)度下，流域最大洪峰流量為2465.9m3/s，子流域1B和子流域2B的最大洪峰流量分別為729m3/s、1397.9m3/s。

2)50a一遇暴雨降雨徑流模擬。把計(jì)算得出的0a一遇暴雨強(qiáng)度(180.01mm)輸入校正后的模型中，得到50a一遇暴雨降雨徑流模擬結(jié)果。在50a一遇的24h暴雨強(qiáng)度下，流域最大洪峰流量為3348.4m3/s，子流域1B和子流域2B的最大洪峰流量分別為1021.2m3/s、1881.2m3/s。

4 結(jié) 論

文章以淮河水系阜陽段為研究區(qū)域，進(jìn)行了降雨徑流模擬，并對模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了局部敏感性分析，以敏感性分析結(jié)果為參考依據(jù)，進(jìn)行參數(shù)率定。通過敏感性分析得出CN值是最敏感參數(shù)，所以對CN值進(jìn)行調(diào)參，調(diào)參后的模擬結(jié)果精度提高，得到較好的模擬結(jié)果：從降雨徑流模擬結(jié)果上來看，洪峰流量值與實(shí)際數(shù)值擬合的非常精確，選取的兩場降雨模擬的峰值流量相對誤差分別為-0.0147%與-0.174%。