新安江模型在涢水流域的適用性研究

李俊輝

（湖北省隨州市水文水資源勘測局,湖北 隨州 441300）

1 流域概況

涢水流域位于湖北省隨州市,是隨州市最大的河流。流域地貌復(fù)雜豐富,既有山地又有丘陵、平原,形成山脈與河流交錯,山谷與坡地相銜,丘陵與平地呼應(yīng)的特點。流域平均海拔133 m,干流河道坡度0.3‰,河流彎曲系數(shù)2.1,河網(wǎng)密度0.4 km/km2。流域內(nèi)森林面積約占40%,水田、旱地約占30%,荒山坡地約占20%。該流域在隨州市曾都區(qū)設(shè)有中上游控制站隨州水文站,測驗項目有降水、水位、水溫、流量、水質(zhì)等,該站以上流域面積3827 km2,1957 年后流域內(nèi)先后建立5 個大型水庫,總積水面積1030 km2,剩余面積2797 km2。流域剩余面積內(nèi)依次設(shè)有大洪山、封江口、黑屋灣、環(huán)潭、均川、三里崗、尚家店、青苔鎮(zhèn)、隨州9 個雨量站。

2 研究方法

2.1 模型原理

三水源新安江模型總體劃分為多個部分,各個部分可以進一步劃分為多個層次[1],首先是蒸散發(fā)計算,具體可以將其分為三個層次,分別是上、下層以及深層；其次是產(chǎn)流計算部分,采用蓄滿產(chǎn)流模型；第三是水源劃分,一般分為三種徑流,分別是地表、地下徑流以及壤中流；第四是匯流計算,具體劃分為兩個階段,分別是坡面匯流及河網(wǎng)匯流[2]。在匯流計算階段可以采用線性水庫或者滯后演算法,地下徑流的匯流采用常常采用線性水庫進行計算。三水源新安江模型模分層次共計15個參數(shù),型模的輸入主要有兩部分,分別是實測的水面蒸發(fā)量與降水量,二者分別表示為EM、P；輸出也包括兩部分,即蒸散發(fā)量與出口斷面流量,二者分別表示為ET、Q。其具體的計算流程見圖1。

圖1 三水源新安江模型流程圖

2.2 模型參數(shù)率定

SCE-UA算法作為一種高性能的進化算法,能夠?qū)Ψ蔷€性約束最優(yōu)化問題進行求解,該算法結(jié)合了單純形法、基因算法以及進化原理的相關(guān)思想,是一種快速獲取水文模型最優(yōu)解的綜合算法,因此可以有效解決水文模型參數(shù)全局優(yōu)選問題。該算法的本質(zhì)是首先在樣本點中隨機選擇一個群體,然后將其劃分為多個可以獨立進化的子群體,并在多個方向搜索,向著最優(yōu)方向搜索一定的代數(shù)之后,可以形成新群體,然后再次對進化過程進行重新搜索,從而能夠在空間中共享各個復(fù)合體的信息。當前計算機運算能力出眾,給定較大的初始值范圍也可以得到滿意的優(yōu)選結(jié)果。結(jié)合涢水流域的特性由人工給定參數(shù)值范圍,表1列出了模型優(yōu)化參數(shù)的上下邊界。

表1 模型參數(shù)上下邊界

目標函數(shù)是用于評價實測與模擬流量過程的擬合程度,本文選用納西效率系數(shù)為目標函數(shù),同時使用該目標函數(shù)收斂,該終止準則認為,通過N次迭代后函數(shù)值不能明顯改進時即終止搜索。

式中：n為徑流系列的長度；Rsim為模擬徑流系列；Robs為實測徑流系列；為實測系列總平均。

3 模型應(yīng)用及結(jié)果分析

3.1 模型的應(yīng)用

本研究采用1987年～1997年的逐時降雨、蒸發(fā)及流量資料進連續(xù)演算,以納西效率系數(shù)為目標函數(shù),流域面平均雨量采用泰森多邊形法計算[3],模型參數(shù)采用SCE-UA 算法進行尋優(yōu)計算[4],其中1987年～1994年的資料用于參數(shù)率定,1995年～1997 年的資料用于檢驗?zāi)Ｐ秃蛥?shù)。參數(shù)尋優(yōu)結(jié)果見表2,率定期及檢驗期實測流量與模擬流量對比見圖2、圖3。

表2 涢水流域新安江模型參數(shù)率定表

圖2 率定期計算流量與實測流量過程對比

圖3 檢驗期計算流量與實測流量過程對比

3.2 模型結(jié)果分析

為準確分析三水源新安江模型在涢水流域的適用性及模擬精度,對模型的整體模擬效果使用納西效率系數(shù)、洪峰合格率以及水量平衡系數(shù)進行綜合評價。從1987年～1997年模擬數(shù)據(jù)中挑選峰高量大的20場洪水過程從洪峰誤差、確定性系數(shù)、水量平衡系數(shù)及峰現(xiàn)時間為指標進行評價。這20場洪水都是發(fā)生在5月～10月之間,基本上覆蓋了大中小洪水,比較符合涢水流域的實際情況。評價情況見表3及表4。

從表3和表4中統(tǒng)計可知,涢水流域三水源新安江模型方案率定期的納西效率系數(shù)為0.86,檢驗期為0.85；率定期洪峰合格率為92.3%,而檢驗期為86%；率定期水量平衡系數(shù)為3.1%,而檢驗期為3.4%。洪峰合格率均達到《水文情報預(yù)報規(guī)范》中的甲等標準[5],納西效率系數(shù)和水量平衡系數(shù)也都較為理想。

對于20場不同等級的洪水來講,在率定期13場洪水中,有7場洪水的確定性系數(shù)評價為甲等,3場洪水評價為乙等；11場洪水的水量誤差在20%以內(nèi),其中8場洪水的水量誤差在10%以內(nèi)。在檢驗期7場洪水中有5場洪水的確定性系數(shù)評價為甲等,2場洪水評價為乙等；7場洪水的水量誤差在20%以內(nèi),其中6場洪水的水量誤差在10%以內(nèi)。總體來說大中小洪水過程與實測洪水過程基本吻合,峰現(xiàn)時間模擬效果較好。由此說明應(yīng)用SCE-UA算法對涢水流域新安江模型進行參數(shù)優(yōu)化取得了較好的結(jié)果,三水源新安江模型能夠較 好地適用于該流域洪水計算中。

表3 涢水流域率定期流量過程模擬成果表 單位：m3/s

表4 涢水流域檢驗期流量過程模擬成果表 單位：m3/s

4 結(jié)論

（1）本文采用三水源新安江模型對涢水流域進行了流量過程模擬,20場洪水中洪峰合格率達到國家水情預(yù)報規(guī)范中的甲等標準,納西效率系數(shù)、水量平衡系數(shù)及確定性系數(shù)也都較為理想,說明三水源新安江模型能夠較好地適用于涢水流域。

（2）研究了三水源新安江模型在涢水流域的應(yīng)用,能夠為流域水資源合理開發(fā)利用、洪水資源化以及防汛抗旱提供科學的決策依據(jù),同時對類似水文分區(qū)水文模型的選擇以及提高洪水預(yù)報精度有一定的參考作用。