降雨時空分辨率的尺度變化對分布式水文模擬影響的分析研究

徐 飛

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110043)

當前，分布式水文模型可綜合考慮流域下墊面及降水時空分辨率變化，成為水文模擬的一種重要用途[1]。降雨作為水文模型的重要輸入，其時空尺度變化對水文模擬影響程度較大。當前，降雨時空尺度變化對分布式水文模擬的影響已取得一定的研究成果[2- 5]，但大都基于靜態參數，即采用同一組參數分析降雨時空尺度變化對分布式水文模擬精度的影響，而對于動態參數，即參數動態變化下降水時空尺度變化對分布式水文模擬精度影響的研究還較少，為此本文同時結合靜態和動態參數，結合當前在國內應用較為成熟的SWAT模型[6- 9]，以渾河干流主要控制站沈陽站為研究區域，定量分析降雨時空變化尺度對分布式水文模擬的影響。

1 研究方法

1.1 時間尺度分析

從兩個方面進行時間尺度變化對分布式水文模擬精度的影響：①靜態參數分析法，結合3h降雨時段數據，通過聚集方法將其離散成不同時段雨量數據探討其對分布式水文模擬精度的影響；②動態參數分析法，結合不同時間分辨率的降水數據，應用動態變化模型參數，使得模擬值和實測值盡可能吻合，從而探討不同降雨累計時間對水文模擬參數及模擬精度的影響。

1.2 空間尺度分析

為分析降雨空間分辨率對分布式水文模擬精度的影響，將空間分辨率的網格降水數據通過聚集方法離散成空間分辨率分別為1、4、8、13、32、64km分辨率的網格降水數據，由于在流域分水線降雨空間聚集較容易產生較大的誤差，因此本文采用柵格加權平均對流域網格降雨進行空間加權平均。再將空間加權平均后的降雨數據離散分配到每一個網格計算單元是，使得網格計算單元內具有相同的降雨量值。

在進行降雨空間尺度分析時，降雨數據在確定不發生變化的前提下，需要使得模型的參數進行固定，使得所有場次洪水的模擬精度具有可比性，因此在分析降雨空間尺度變化時增加兩個降雨變化的特征參數進行分析。

流域累計面平均雨量AVP的計算方程為：

(1)

式中，αi—降雨權重指數；Pi—第i個單元網格的累計降雨量；N—網格單元的個數。

結合CV值來表示降雨空間離散程度的變差系數值，其計算方程為：

(2)

式中，變量含義同公式(1)中的變量含義。

2 研究結果

2.1 研究區域概況

沈陽站是渾河中游的重點水情控制站(在大伙房水庫以下73km)。大伙房水庫至沈陽站區間集水面積2482km2，是由山區至平原的漸變段，區間有遼寧省重要工業城市撫順市。沈陽站來水由大伙房水庫泄流和大伙房水庫至沈陽站區間洪水組成。流域內有7個雨量站點，各雨量站點的權重見表1。結合區域內1980—2017年實測洪水數據，對比分析不同降雨時空尺度變化對分布式水文模擬精度的影響。

表1 沈陽站以上流域內降雨站點權重值

2.2 降雨時間分辨率影響分析

2.2.1靜態參數分析結果

首先對SWAT模型采用靜態參數分析不同時間分辨率下的洪水模擬精度，通過聚集方法將其離散成不同時段雨量數據探討其對分布式水文模擬精度的影響，選取沈陽站較為典型的6場洪水進行分析，分析結果見表2—4。

表2 靜態參數下不同時間分辨率的洪水模擬精度(#19850820�)

表4 靜態參數下不同時間分辨率的洪水模擬精度(#20130720�)

在靜態參數下，降雨時間的聚集對分布式水文模型SWAT模型模擬精度影響較大，隨著降雨累計時間的增長，各場次洪水模擬精度逐漸降低。這主要因為降雨累計時間的不斷增加會使得不同時段內的雨強減小，使得降雨在時空分配上的均化性增強，從而影響洪水模擬的精度。

2.2.2動態參數分析結果

結合不同時間分辨率的降水數據，應用動態變化的模型參數對各場次洪水進行模擬，動態化參數見表5。探討不同降雨累計時間對水文模擬參數及模擬精度的影響，洪水模擬結果見表6—7。

表5 SWAT模型參數動態設置結果

隨著降雨時間分辨率的增加，模型的參數是不能相互移用的，必須結合不同降雨分辨率數據，對模型參數進行重新調整，這樣才能保證模型模擬的精度。此外，隨著降雨聚集程度的增加，降雨過程總體被均化，因此雨量信息會受到一定程度的丟失。

2.3 降雨空間分辨率影響分析

為分析降雨空間分辨率對分布式水文模擬精度的影響，將空間分辨率的網格降水數據通過聚集方法離散成空間分辨率分別為1、4、8、13、32、64km分辨率的網格降水數據，選取4場典型洪水分析不同降雨空間分辨率對分布式水文模型洪水模擬精度的影響，分析結果見表8—11。

從4場典型洪水模擬結果可看出，在靜態參數下，降雨空間分辨率的變化對分布式水文模擬精度影響程度較小，各典型場次洪水確定性系數變動較小，降雨空間分辨率的增加并未使得區域面平均降雨量有所影響，因此各典型洪水的洪峰和洪量誤差略微增加，降雨空間聚集程度增加，會使得降雨空間變化特性有所減小。

2.4 降雨-徑流特征分析

在降雨時空分辨率分析的基礎上，對降雨特征與洪峰、洪量之間的相關性進行分析，分析結果見圖1—2。

表6 動態參數下不同降雨累計時間的洪水模擬精度(#19850820��)

表7 動態參數下不同降雨累計時間的洪水模擬精度(#20100710��)

表8 不同空間分辨率的各次洪水模擬精度(#19850820)

表9 不同空間分辨率的各次洪水模擬精度(#19960724)

表10 不同空間分辨率的各次洪水模擬精度(#20050814)

表11 不同空間分辨率的各次洪水模擬精度(#20100710)

圖1 AVP與洪量之間額相關性

圖2 AVP與洪峰之間的相關性

從圖1—2中可看出，面平均降雨量AVP值與洪峰誤差的相關性，其相關系數均值可以達到0.551，面平均降雨之間影響流域出口的洪峰值的大小，面平均降雨AVP值與洪量誤差的相關性要低于其和洪峰誤差之間的相關性，兩者之間的相關系數的均值可以達到0.3452。從降雨特征的分析結果可看出，雨量空間聚集對面平均降雨的影響要大于降雨空間聚集程度的影響。

3 結語

(1)降雨空間分辨率對洪水模擬精度影響程度較低，只對洪峰和洪量產生略微影響，降雨空間聚集程度增加，會使得降雨空間變化特性有所減小。

(2)本文提出的雨量空間聚集方法對面平均降雨的影響要大于降雨空間聚集程度的影響，在以后的研究中還應改進雨量空間聚集的方法。