子流域劃分數量對流域分布式水文模型洪水模擬精度影響的定量評價

趙明明

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

子流域的劃分是分布式水文模型建模的基礎，對分布式水文模擬精度具有較為明顯的影響。當前，關于子流域數量對分布式水文模型影響的研究大都采用定性描述為主的方式，而定量評價子流域劃分數量對分布式水文模型研究還不多見，為此本文結合在遼寧地區應用較好的分布式水文模型SWAT模型[8]和TOPmodel模型[9]，重點探討子流域劃分數量對分布式水文模型模擬精度的影響。研究結果對于遼寧地區洪水分布式高精度模擬具有重要的參考價值。

1 研究方法及資料準備

1.1 研究方法

本文結合分布式水文模型SWAT模型和TOPmodel模型來分析子流域劃分數量對分布式水文模型模擬精度的影響，考慮到SWAT模型和TOPmodel模型在國內應用成熟，其原理方程較多，本文不作為重點介紹，其模型原理可詳見文獻。本文結合兩個分布式水文模型，分別設定相同參數和不同參數兩種方案，以確定性系數、相關系數、徑流深相對誤差、洪峰相對誤差四個指標來分析子流域劃分數量下模型模擬的精度。

1.2 數據準備

模型需要準備的數據為水文數據、下墊面數據。水文數據為流域出口水文站實測數據，本文選擇研究區域內2000—2012年實測水文數據，數據包括流域內降雨觀測站數據、水文站實測流量數據。下墊面數據包含土壤類型、土地利用類型及數字高程數據，其中土壤類型數據采用分辨率為1∶1000000的全國土壤類型矢量數據，結合流域邊界獲取區域的土壤類型數據，如圖1(b)所示；土地利用數據選用空間分辨率為30s的柵格數據，結合流域邊界獲取區域土地利用類型數據，如圖1(c)所示；數字高程數據采用空間分辨率為30s的柵格數據，結合流域邊界獲取區域數字高程數據，如圖1(a)所示。氣象數據主要為最高、最低氣溫、平均風速以及太陽輻射數據。

2 研究成果

2.1 區域概況

本文以遼寧北部某區域為研究實例，該區域流域面積為453.8km2，屬于典型中溫帶大陸性季風氣候，區域多年平均降水量為700mm。不同子流域劃分策略及面積閾值的設定結果見表1。

2.2 模型參數設置

首先需要對模型進行參數設置，結合兩個模型已有的參數敏感性分析成果，分別對SWAT模型和TOPmodel模型進行了參數設置，參數設置結果見表2—3。

圖1 區域下墊面數據

表1 不同子流域劃分策略及面積閾值設定

表2 TOPMODEL模型參數率定成果

表3 SWAT模型參數率定成果

2.3 同一參數下不同子流域劃分數目的模擬結果分析

以SWAT模型為例，為分析同一參數下不同子流域劃分數目對各保障率流量模擬影響，結果見表4和圖2。

表4 同一參數下不同子流域劃分數目下各保障率下的流量模擬結果

圖2 各保障率下子流域數目下的流量對比結果

從模擬結果可以看出：①在90%保證率情景下，子流域數目在0～35之間變幅，模擬流量經過一定子流域劃分數目后，趨于穩定變化，在子流域面積閾值內，模型模擬流量總體低于實測流量；②在80%保證率情景下，子流域數目在0～35之間出現較為明顯的波動變化，在35～80之間出現一定程度的穩定變化；③在60%的保證率情景下，子流域數目在0～35之間出現不規則的變幅，在整個子流域數目的變化過程中，模擬流量均低于實測流量；④在50%的保證率情景下，子流域數目在10～30之間出現變幅后，出現穩定變化，模擬流量總體低于實測流量，模擬流量占實測流量的45%；⑤在30%的保證率情景下，子流域數目在15～35之間變幅后，呈現穩定變化，模擬流量總體低于實測流量，占實測流量的35%；⑥在20%的保證率情景下，子流域數目在20～35之間流量變幅較為明顯，而后同樣出現明顯的穩定變化，模擬流量進一步降低，占實測流量的20%。

2.4 同一參數下不同子流域劃分數目模型模擬精度分析

對同一參數下不同子流域劃分數目對兩個分布式水文模型模擬精度進行定量分析，分析結果見表5—6和圖3—4。

圖3 子流域劃分數目對TOPmodel模型模擬精度影響曲線

子流域數目模型精度評價指標確定性系數相關系數徑流深誤差/%洪峰誤差啊/%00.710.68-5.35-4.28150.70.73-4.38-6.15250.720.59-5.47-5.12300.780.814.385.38350.810.856.217.25450.850.928.389.23500.790.849.4510.15600.770.8310.1211.52700.750.8211.2313.14800.770.8212.3413.14900.790.8212.3513.141000.770.8212.3613.141100.760.8212.3713.14

表6 不同參數下不同子流域劃分數目對SWAT模型模擬精度分析結果

在相同參數下，通過設定不同子流域劃分數目，定量分析子流域劃分數目對兩個分布式模擬精度指標的影響，從分析結果可看出，兩個模型的模擬精度變化較為相似，即當子流域劃分數目在25～40時，模型的各精度評價指標均有較為明顯的變幅，模型確定性系數在0.70～0.85之間變幅，之后出現一定程度的穩定變幅趨勢。這表明當子流域劃分數目在25～40時，對模型影響程度最為敏感。在整個流量模擬過程中，徑流深的相對誤差出現一些負值，這主要是因為模型流量小于實測流量，當子流域數目較小時，在5～15之間變幅時，兩個分布式模型對高流量模擬效果較好，而對于低流量模擬效果較差。在極端子流域劃分數目下，如當子流域數目為1時，其模擬的確定性系數分別為0.70和0.69，而當子流域數目在110時，其模擬的確定性系數為0.81和0.76，因此在同一參數條件下，子流域劃分數量在25～40之間時，對模擬結果影響較大。

圖4 子流域劃分數目對SWAT模型模擬精度影響曲線

3 結論

(1)在同一參數下，子流域劃分數目對兩個分布式水文模型確定性系數以及相關系數影響程度較低，而對徑流深以及洪峰誤差影響較為敏感。

(2)在同一參數下，子流域劃分數目在0～20之間，對分布式水文模型的確定性系數及相關系數影響較高，而在25～40之間，對各精度指標均有較為明顯影響。建議結合閾值范圍將子流域劃分數量確定在25～40之間較為適宜。

(3)在不同參數下，子流域數目對各精度指標影響相同，均呈現先增后減再穩定變化。