基于的和分布式水文模型的应用比较

模型比新安江模型表现好
这也从一 定 程 度 上 反 映 出 了完 全 分 布 式 水 文 模型 应 有 的 优 势 只 要 进 一 步 完 善 产 流 计 算 方 法
模型会有更好的表现
如果按照洪峰流量对洪水进行划分 确定洪峰大于
的洪水为特大洪水
的洪水为大洪水 小于
的洪水为中小洪水 这样就有 次特大洪水 次大洪水 次中小洪
结论和讨论
本文提出了
模型 并且与新安江模型和
一起应用到半湿润的洛河流域 取
得了较好的计算结果 但也存在一定的问题 需要进一步的研究 人类活动与水利工程的影响 在
洛河流域上 存在大量农田和部分小型水利工程 如小塘坝 小蓄水坝 小水库等 这些农田和水利工程
会起到类似植被截留的作用 会造成径流深减少 另一方面 农田灌溉和水利工程蓄水还会起到一定的
法将栅格的水流按栅格依次汇合
直至出口断面栅格 得到流域总出流过程
产流计算
模型的每个栅格在垂直方向上分为四层 图 植被及根系截留层 土壤
非饱和层 土壤饱和层和基岩 水分只在上三层运动 将单元汇流带内的栅格通过土壤缺水量建立联
系 借鉴了
模型的部分产流理论 在栅格上进行产流计算
单元汇流带内单元栅格上的土壤缺水量 单元汇流带的平均土壤缺水量 单元栅格地形指数和单元
式中
是单元栅格 上 时段的实测器皿蒸发量
是单元栅格 上 时段的植被及根系截
留层缺水量
是单元栅格 上的植被及根系截留层最大截流量 是一个参数
式中
是单元栅格 上 时段的土壤非饱和层蓄水量 不包括植物截留部分 在降水满足植物的
最大截留之后 降水再补充土壤层
是单元栅格 上 时段的土壤非饱和层缺水量 包括植物截
其中
模型和另外两个模型采用不同的子流域划分和拓扑关系 土地覆盖数据采用美国地
质调查局提供的
全球土地覆盖图像 并合成四种类型 利用
卫星提供的
全球土壤
成分图像 得到了洛河卢氏以上流域的土壤成分分布图 采用
数学优化算法对 个模型的
参数进行了率定和优化 结果见表 表
图 洛河卢氏站以上流域子流域划分
表
模型参数率定与优化值
结果表明在该研究流域上 个模型都能很好地进行水文过程模拟 其中基于 栅格的
模型可取得
更好的效果
关键词
模型 新安江模型 分布式水文模型
黄河
中图分类号
文献标识码
自 世纪后半叶 许多水文模型被提出并应用于实际
随着地理信息 遥感等空间测量技术
的迅速发展 水文模型与其结合日益紧密 利用地理信息和遥感技术考虑流域空间变异性的分布式水
个原因 其一是对于北方地区 植被较差 耕作土壤层较薄 一般形成洪水和特大洪水的是雷暴雨 雨强
很大 表层土壤受雨水的冲击很容易板结 阻碍了进一步下渗 其二是在本次研究中 计算时段 取
实际上当充分供水时 在 就可以达到稳定入渗 国外研究说明 对于单点产流总是超渗产流
的机制 但对于流域来讲 由于水流的流动使得水分重新分布 则是以蓄满产流为主
流域的产流量为 则它在
时段内到达出口断面的比例为
式中 第 时段内 到达出口断面的径流比例为
段的径流在出口断面形成的流量为
则第
时段 由第 时
分别计算各个时段产流量在子流域出口的流量过程 然后将子流域出口的流量直接叠加就得到子
流域的出口流量过程 最后采用
水流演算法 将各个子流域出流过程作为河网入流进行河
次洪水 洛南 官坡 古城等雨量站缺少雨量资
料 而采用临近站代替 结果 个模型的模拟过程的第 个洪峰出现时间都偏后近
还有第 次洪
水即
次洪水 柏峪寺 古城 前刘家岭 张家凹等雨量站都缺少雨量资料 而采用临近雨量
站资料代替 从模型应用结果统计来看 个模型的模拟结果都出现了模拟洪峰值偏小 模拟径流深偏
大 模拟效率系数不高的问题 在该流域水文气象特征介绍和暴雨分析中 已经提到在该流域降雨空间
对模型进行改进
模型
定义单元汇流带 即汇向同一段河道的栅格组成的汇流区域 单元汇流带内只有一条河道 如图
所示 将流域划分成栅格 图中流域有 条河道 因此可以划分成 个单元汇流带 模型以
为
基础提取水系 划分子流域 建立栅格的拓扑关系 通过单元汇流带建立栅格间土壤缺水量之间的关系
进行单个栅格产流计算 再以流向为基础生成河网 采用
面积百分比为
第 个汇流区距离出口的平均水流路径为
第 个汇流区的平均水流速度为
则每个汇流区的汇流时间为
若计算时段长为 第一个汇流区的水流最先到达出口断面 其滞后时段为
?
同理 最远汇流区水流到达出口断面的滞后时段为
?
当汇流时间大于计算时段长
即
时 在第 时段产生的径流将在
时段内陆续到达出口断面 假设第 时段子
留 是一个参数
土壤水流计算 水流在土壤中的运动包括土壤非饱和层重力排水 土壤饱和层出流和饱和坡面
流 非饱和层重力排水由式 计算 即
式中 为时间参数 式 的单位是 ? 时段长
土壤饱和层出流 即基流 由式 计算 即
?
当土壤饱和时 即
时 会产生饱和坡面流
式 式 的单位均为 ? 时段长
汇流计算 由 法计算出栅格流向 生成河网 并建立栅
植被及根
系最大截留量 取值相同 在单元栅格 上 时段的降水量 扣除截留
得净雨
植物截留
是一个变量 计算中降雨首先满足植物截留
蒸散发计算 在
模型中 蒸散发计算在垂向上分为两层 植被及根系截留层蒸散
发和土壤非饱和层蒸散发 蒸散发先发生在植被及根系截留层 当植被及根系截留层的水分蒸发完毕
后 土壤非饱和带将会受到蒸散发损失 计算分别采用式 和式
网演算 得到流域出口断面的流量过程
模型应用结果
为了检验 个模型的适用性以及对 个模型进行比较 采用了黄河支流洛河卢氏站以上流域 图
的实测资料进行模拟计算 洛河系黄河十大支流之一 卢氏水文站控制面积
干流长
地形西高东低 高程在
之间 属暖温带山地季风气候 年降水量在
之间 根
据美国地质调查局
提供的全球
数据提取水系和划分子流域 图 阈值
饱和水力传导率与其消减系数的比值 作为参数 假设 关系
同栅格内土壤中黏土 沙土和壤土含量满足
式中 沙
黏 和壤
土 黏土和壤土中的取值
沙
沙
黏
黏
壤
壤
指单元栅格 内土柱中沙土 黏土和壤土的含量 沙
和指
黏
壤
在沙
植被及根系截留计算 利用遥感图象 可以得到每个栅格上的土壤覆盖类型 并将土壤覆盖类
型分类合并为四类 树林 灌木 草地 含作物地 和不透水地 认为同类土地覆盖参数
间步长为 的各次洪水计算结果特征值 从表 可以看出 个模型的精度基本一致 从统计结果可
见
模型在洪峰误差控制 径流深误差控制和过程拟合程度等方面上都比基于子流域的
模型表现好 这说明
较
有所改进 这也证明了
理论
的正确性和可靠性 尽管基于子流域的新安江模型在洪峰误差控制和径流深误差控制上略好于
模型 但是在峰现时差控制和过程线拟合程度上
而且都是模拟结果偏大 对于大洪水 个模型的径流深误差都是有偏的 而且也都是模拟结果偏大 对
于中小洪水 个模型的径流深误差基本是无偏的 均值略微偏大
从洪峰来看 对于特大洪水
模型和改进新安江模型的洪峰误差基本上是无偏的 而改进
模型的洪峰偏小
对于大洪水
模型和改进
模型的洪峰偏小 而改进的新安江模型的洪峰偏大
汇流带平均地形指数的关系如下式
收稿日期
基金项目 国家自然科学基金资助项目
作者简介 李致家
男 山西运城人 教授 主要从事水文预报研究
图 单元汇流带示意
图
栅格垂向分层及水分运动概化
式中 是单元栅格 上的土壤缺水量 是单元汇流带的平均土壤缺水量
是单元栅格 的地
形指数
即单元汇流带平均地形指数 是土壤孔隙有关的参数 是单元栅格
水 经过分析可以看出 个模型的应用好坏程度在各次洪水模拟上趋势一致 如 个模型对第
次的模拟效果都很好 其效率系数均超过
而对第
次洪水的模拟都不太好 由此可见 造成
模型应用误差的原因在一定程度上是一致的 纠其原因 可能有以下几种 下面从径流深 洪峰 峰现时
间和过程拟合几方面进行分析 从径流深来看 对于特大洪水 个模型的径流深误差都是有偏的
年月 文章编号
水利学报
第 卷第期
基于 的
和分布式水文模型的应用比较
李致家 张珂 姚成
河海大学 水资源环境学院 江苏 南京
摘要 本文采用 地形分布技术和栅格技术 对
和新安江水文预报模型进行基于 的技术改造 构
建了基于 栅格的
水文模型和基于 的
和新安江分布式水文模型 并将 个模型应用
于黄河支流 洛河卢氏以上流域的水文模型的参数率定和模拟比较 以探讨 技术的应用和模型的适应性
从计算结
果可以看出 新安江模型计算的径流误差最小 一方面是由于新安江模型的分水源比较细 另一方面是
文模型已成为当今水文科学研究的热点 难点和重点之一
和
提出的
模型和
赵人俊 提出的新安江模型是两个有代表性的模型 这两个模型自从提出以来就得到了广泛地应用和
改进
作者曾在
产流机制基础上提出了一个基于 栅格和地形的分布式物理模型
模型 本文将
模型和新安江模型与 结合和改进 建立了另外两个
分布式水文模型 最后将 个模型同时应用于黄河支流的洛河流域进行比较 以探讨模型的可靠性并
的面积 距离曲线 或面积 时间曲线 进行各个子流域的汇流计算 设 时刻子流域出口断面的流
量为
而 时刻子流域的平均产流量为
该时刻的产流只有那些流达出口断面时间为
的水流才对出口断面的 时刻流量 有贡献 所以 有
由于 至 时刻的产流量对出口断面 时刻流量 都有贡献 从而通过积分可以得到
将子流域根据平均水流路径划分成 个汇流区 第 个汇流区累计以上汇流区的面积和占流域总
取值涉及全流域的参数
?
??
?
树林
灌木
草地
不透水地
黏土
沙土
壤土
子流域号
取值限于子流域的参数
子流域号
表 基于子流域的
模型参数率定与优化值
??
?
?
??
表
?
基于子流域的新安江模型参数率定与优化值
?
?
注 其汇流演算参数 和 取值与基于子流域的
模型相同
率定期或 洪 洪水起始 实测洪峰 检验期 号 时间 ? ?
产流量计算 采用基于子流域的等流时线汇流
法进行子流域的汇流计算 然后采用
水流演算法 将各个子流域出流过程作为河网
入流进行河网演算 得到流域出口断面的流量
过程 图 显示了模型的计算流程 基于子流域的等流时线汇流法 基于子
图 基于子流域的
? 新安江模型计算流程
流域的等流时线汇流法指将流域分成若干子流域 采用基于 的等流时线提取算法提取每个子流域
格演算次序矩阵 采用
水流演算法将水流逐栅格演算
如图 所示
栅格水流都流入 出流量为
由
法 式 演算到 得
则 出流量
为
之及自身产流量 之和 式
图 基于网格的
其中
洪水演算法
基于子流域的
模型和基于子流域的新安江模型
模型结构 将
模型和新安江
模型与 结合 构建了两个分布式水文模
型 将流域划分成子流域 分别采用
模型 和 新 安 江 模 型 进 行 子 流 域 的 平 均
然是概化 就需要简化 在简化过程中必然会带来一些误差 而且现有的所有模型都不可能在任何地
区 任何时间 都对实际的流量过程模拟的很接近 因此 模型自身带来的误差也是不可忽略 众所周
知 新安江模型是一个以蓄满产流为机制的概念性水文模型 而
模型与
模型也
都是反映了蓄满产流机制 个蓄满产流机制的模型在半湿润地区都取得了较好的结果 其主要有两
表 个模型次洪模拟结果特征值统计
洪峰相对误差
径流深相对误差
峰现时差?
效率系数
率 定 期
绝对值平均 检 验 期
绝对值平均
注 值指其绝对值的均值
基于子流域的
基于子流域的新安江模型 洪峰相对误差 径流深相对误差和峰现时差的均
选取 次洪水 其中 次用来率定模型的参数 次用来检验 表 列出了 个模型对卢氏站时
分布变化大 因此很有可能出现临近站降雨变化很大 而且该流域相邻雨量站间距离往往超过
因
而可以说资料误差是引起模型应用误差的一个很重要的原因 从表 可以看出 检验洪水用的洪水
都较小 时间上 采用新安江模型编制的洪水预报系统在
年汛前就投入使用
年 月份之后
的 次洪水是实时预报的结果 对于新安江模型应该是检验
消峰作用 如
次洪水 个模型的模拟结果都在主峰后出现一个明显的较小洪峰 而实测流
量过程没有这个明显的小洪峰 出现这种结果有可能就是农田灌溉和水利工程蓄水造成的 因此 对
于分布式的水文模型 如果有流域的前期遥感资料和水文资料 可以确定流域上前期的蓄水状态 以提
高模拟的精度 模型结构 不管多么复杂的水文模型或水力学模型 都是实际水文流域的概化 既
对于中小洪水 个模型的洪峰都偏大 从峰现时间来看 对于特大和大洪水 个模型的峰现时间
误差基本上无偏且很小 对于小洪水来自百度文库个模型的峰现时间都有点提前 从过程拟合来看 个模型
都是对大洪水的模拟效率系数高 模拟效果好 对特大洪水 中小洪水的模拟效率系数略低 模拟效果略
差 资料误差 例如 对于第 次洪水 即