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2.1,河網密度0.4 km/km2。流域內森林面積約占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設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、水質等,該站以上流域面積3827 km2,1957 年后流域內先后建立5 個大型水庫,總積水面積1030 km2,剩余面積2797 km2。流域剩余面積內依次設有大洪山、封江口、黑屋灣、環潭、均川、三里崗、尚家店、青苔鎮、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；其次是產流計算部分,采用蓄滿產流模型；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,型模的輸入主要有兩部分,分別是實測的水面蒸發量與降水量,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 模型參數率定

SCE-UA算法作為一種高性能的進化算法,能夠對非線性約束最優化問題進行求解,該算法結合了單純形法、基因算法以及進化原理的相關思想,是一種快速獲取水文模型最優解的綜合算法,因此可以有效解決水文模型參數全局優選問題。該算法的本質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,向著最優方向搜索一定的代數之后,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選結果。結合涢水流域的特性由人工給定參數值范圍,表1列出了模型優化參數的上下邊界。

表1 模型參數上下邊界

目標函數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為目標函數,同時使用該目標函數收斂,該終止準則認為,通過N次迭代后函數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 模型應用及結果分析

3.1 模型的應用

本研究采用1987年～1997年的逐時降雨、蒸發及流量資料進連續演算,以納西效率系數為目標函數,流域面平均雨量采用泰森多邊形法計算[3],模型參數采用SCE-UA 算法進行尋優計算[4],其中1987年～1994年的資料用于參數率定,1995年～1997 年的資料用于檢驗模型和參數。參數尋優結果見表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、洪峰合格率以及水量平衡系數進行綜合評價。從1987年～1997年模擬數據中挑選峰高量大的20場洪水過程從洪峰誤差、確定性系數、水量平衡系數及峰現時間為指標進行評價。這20場洪水都是發生在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為3.1%,而檢驗期為3.4%。洪峰合格率均達到《水文情報預報規范》中的甲等標準[5],納西效率系數和水量平衡系數也都較為理想。

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,其中8場洪水的水量誤差在10%以內。在檢驗期7場洪水中有5場洪水的確定性系數評價為甲等,2場洪水評價為乙等；7場洪水的水量誤差在20%以內,其中6場洪水的水量誤差在10%以內。總體來說大中小洪水過程與實測洪水過程基本吻合,峰現時間模擬效果較好。由此說明應用SCE-UA算法對涢水流域新安江模型進行參數優化取得了較好的結果,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報規范中的甲等標準,納西效率系數、水量平衡系數及確定性系數也都較為理想,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用,能夠為流域水資源合理開發利用、洪水資源化以及防汛抗旱提供科學的決策依據,同時對類似水文分區水文模型的選擇以及提高洪水預報精度有一定的參考作用。