分布式水文模型在中小河流洪水预报中的应用研究―马媛

分布式水文模型在中小河流洪水预报中的应用研究马媛（北京金水信息技术发展公司，北京，100053）一、中小河流洪水概况(一)中小河流洪水特点《山洪灾害防治规划》中山洪治理主要针对200km2以下的小流域，而《江河流域规划编制规范》（SL201—97）的使用范围为流域面积大于3000km2的河流，从这一意义上讲，可以认为流域面积小于3000km2的河流为中小河流。我国中小河流具有数量多、分布广的特点。除长江、黄河、淮河等七大江河外，全国范围内分布有众多的中小河流，且大多数分布在重要城镇及农村广大地区，其中易发洪涝灾害的地区主要集中在平原盆地区、山丘区的重点河段区。与大江大河相比，中小河流洪水具有以下特点：（1）暴雨集中，洪水突发性强。降雨时间、空间分布不均匀，尤其一些季节性山区河流，河道比降大，汛期洪水峰高、流急、历时短，突发性强，破坏力强，极易形成暴雨型洪灾。枯水季节河道内水流很少，汛期时洪水汇流历时短，洪水暴涨暴落，易发生较大洪水。传统人工作业预报很难有效做出迅速反应，须加密预报频次，这种加密通常建立在实时自动预报基础之上。（2）流域总出口断面水文要素（流量、水位）是可以被测知的，但中小河流洪水灾害发生区域往往集中在某个支流的特点。因而，必须对洪水在整个流域境内的分布及演进情况有一个精确地描述。(二)中小河流洪水预报要求中小河流洪水具有突发性强、流速快、预见期短以及分布广的特点，因此，中小河流洪水预报与常规水文预报的思路有所不同。（1）由于中小河流洪水易发区一般水文资料较少，集总式模型比分布式水文模型对资料的要求要高，给模型参数率定和检验带来困难。（2）传统的集总式模型往往是将研究区域当作一个总体来考虑其与外界的物质能量交换，很难给出流域内部的水文过程描述。分布式水文模型与传统的集总式水文模型相比，充分考虑了流域空间变异性，针对中小河流突发性洪水特点，通过利用高精度数字高程模型（DEM）生成数字流域，构建分布式产汇流模型，进而获得每个子流域出口断面的洪水预报数据，能够更加客观科学地揭示流域内的水文循环过程。（3）中小尺度洪水预报对雨量的空间分布要求很高，洪水发生时间较短，以往基于集总式水文模型的常规水文报汛方法很难满足中小河流洪水预报的要求。（4）由于中小河流洪水的突发性特点，绝大多数地区没有洪水预报和预警系统，即使有报汛站点，也因报汛段次太少，无法满足预报要求，加之预报预见期太短，往往失去了参考决策的意义。因此基于气象卫星、天气雷达、地面雨量站点相结合的多源信息融合技术，应用气象模型与分布式水文模型耦合的模式可以相对准确地预测中小河流洪水易发区未来几个小时降雨，并用未来降雨进行水文模拟计算，可以有效提高中小河流洪水预报的预见期。二、分布式水文模型(一)模型类别1、分布式概念模型（1）概述概念性分布式水文模型多为松散结构，即假设流域中各子流域或每个网格单元的水文响应是相互独立的，通常应用现有的概念性模型在子流域或每个网格单元上进行产流计算，然后再进行汇流演算，最后求的出口断面流量，整个流域的水文响应是通过对各子流域或每个网格单元的水文响应进行叠加计算得到。（2）模型特点这类模型的特点是资料具有空间分散性，但参数和模型结构却不一定是分布式的，其参数（特别是产流参数）仍然是对特定子流域综合下垫面特征的反映，未能反映不同植被、土壤组合下的下垫面对降水的拦截和入渗过程，也不能反映各种植被和土壤各自对蒸散发的作用。（3）代表性模型常见的可用于构建概念性分布式水文模型有SAC、TANK和新安江模型等。该类模型较典型的有XIN3GRID模型、SWAT模型等。XIN3GRID模型根据流域下垫面的水文、地理情况将其流域分为若干个单元面积，将每个单元面积预报的流量过程演算到流域出口然后叠加起来即为整个流域的预报流量过程。SWAT模型结构和计算简单，以日为时间单位运行的基于流域尺度的动态模拟模型，可以进行连续多年的模拟计算，模拟的结果可以选择以年、月或日为时间单位输出。适用于不同土壤类型、土地利用方式和管理条件下的复杂大流域，并能在资料缺乏地区建模。2、分布式物理模型（1）概述该类模型具有物理基础的分布式水文模型具有紧密耦合的模型结构，即采用一组微分方程及其定解条件构成的定解问题描述流域产汇流规律。（2）模型特点该类模型的特点是水文物理动力学机制突出，便于研究水文循环对自然和气候变化的响应，能及时模拟人类活动和下垫面因素变化对流域水文循环过程的影响，但结构复杂、计算繁琐，所需要的资料种类较多，并且对于数据的处理也有较高的要求。（3）代表性模型比较典型的有IHDM、SHE、GBHM模型等。GBHM模型是杨大文等基于流域地貌特征而构建的典型水文物理机制分布式水文模型。利用面积方程和宽度方程将流域产汇流过程概化为“山坡—河网”系统，一方面可以反映流域下垫面条件和降雨输入的空间变化，同时还采用了描述产流和汇流过程机制的数学物理方程来求解，使模型既得到了简化又保持了分布式水文模型的优点。3、半分布式模型（1）概述具有物理基础的松散耦合型半分布式水文模型介于集总式和分布式模型之间。（2）模型特点模型的特点是模型参数少、模拟精度高，模型结构相对而言简单。（3）代表性模型这类模型典型代表为TOPMODEL和TOPKAPI模型。TOPMODEL模型基于DEM推求地形空间变化信息，利用地形指数模拟水文响应的特性，并用统计方法求的出口断面流量。模型参数具有物理意义，能用于无资料流域的产汇流计算。但TOPMODEL并未考虑降水、蒸发等因素的空间分布对流域产汇流的影响，因此它不是严格意义上的分布式水文模型。(二)模型选用根据各代表性分布式水文模型特点和模型尺度，推荐选用XIN3GRID模型、GBHM模型和TOPMODEL模型作为中小河流洪水预报的预报模型，以下结合流域资料情况分析各分布式水文模型在实际中的运用。A：有资料地区构建合理的预报方案和提高洪水预报精度，一个重要的环节就是通过对流域特性分析，结合洪水预报实践，对比优选产流模型、汇流模型和河道演算方法，产流模型的选择关系到降雨产生径流的多少，汇流模型解决洪水波在流域上的运动问题，河道演算则用来反映洪水波在河道中的传播规律。1、产流计算世界气象组织（WMO）先后两次从世界范围内不下百种流域水文模型中选出部分具有代表性的模型进行统一标准的检验。WMO把流域水文模型分为三类：第一类：显式计算土壤含水量的模型第二类：隐式计算土壤含水量的模型第三类：系统途径模型检验结论：（1）如果流域位于湿润地区，就不必过于挑选模型。但是，对于干旱半干旱流域，就要仔细挑选模型了，不同类型的模型，其模拟精度在干旱半干旱地区较之在湿润地区的差异要大。（2）对于干旱半干旱地区，一般来说。显示计算土壤湿度的复杂模型要比隐式计算土壤含水量的简单模型效果好；模拟久旱之后的湿润地区流域径流，也是显式计算土壤含水量的模型好。（3）在建立模型时，如果资料条件不好，则隐式计算土壤含水量的模型，特别是系统途径（第三类），有可能具有更好的处理这种缺陷的能力，因而较之显式计算土壤含水量的模型可能给出更好的预报结果。（4）不直接计算土壤含水量的水文模型，对于流域大小和自然地理特征，气候条件等都有更好的适应能力与弹力。2、坡面汇流计算对于洪水预报来说，实际所需要的是由净雨所形成的出口断面流量过程，并不强求掌握水流在流域空间上随时程变化的全部发展过程。这样，流域汇流预报主要是解决洪水波在流域上的运动规律问题。面对复杂的流域汇流过程，如果直接用水力学理论来解决此问题，因边界条件太复杂，必须做出各种各样的简化，效果并不好。因此在洪水预报实践中，更多的采用水文学方法，汇流曲线的确定是计算产流过程的关键。目前常用的汇流曲线有单位线和等流时线两种。单位线又有经验单位线、瞬时单位线、综合单位线、地貌单位线之分。两种汇流曲线观点不同，原理各有优缺，但都导出了相应的径流形成公式，发展成线性概念模型。在以往编制的洪水预报方案中，绝大多数首选单位线，壤中流和地下径流采用线性水库法，分别模拟其汇流过程，这样用单元汇流方法考虑净雨在空间上的变化，使之具有明确的产流场；用河段汇流考虑相同的净雨在不同流域所受不同调蓄作用，使之具有明确传播场。以消除单位线”没有明确的产流场和传播场，还属于经验性的分析方法的理论缺陷。3、河道汇流计算河道汇流模型大致分为水力学模型和水文学模型两大类。直接求解圣维南方程组或简化圣维南方程组得出的模型称为水力学模型。它从微观角度出发建立河道洪水波运动微分方程，然后用积分求解一定条件下洪水波在全河道内的宏观运动规律。解决的是从微观到宏观的问题。方法的实现需要知道河道的水力要素（如水面比降）、边界条件（如断面形状）和参数（如糙率）沿程时变过程资料，随着计算机技术的发展，这类方法已广泛应用于设计条件下的河道洪水演进计算。圣维南方程组扩散波线性解析解—线性扩散模拟法，它只有扩散系数和洪水波速两个物理参数，概念明确，理论严谨，应用简便，在实际中应用较广。着眼洪水波在河道内运动的宏观规律与特征，用水量平衡方程和槽蓄方程分别近似取代圣维南方程组中的连续方程和动力方程，然后联解得出的各种流量演算方法和模型，统称为水文学模型，以区别于源于圣维南方程组的水力学模型。坡底不大的天然河道中的洪水波近似于扩散波，水文学模型的原理与圣维南方程组扩散波线性解一致，故用水文学模型演算河道洪水也能取得较为满意的结果。4、模型选用根据以上结论结合各分布式水文模型自身的特点，XIN3GRID模型的特点是认为湿润地区主要产流方式为蓄满产流，所提出的流域蓄水容量曲线是模型的核心，模型在湿润地区的产汇流计算中应用较多；GBHM模型的特点是将流域产汇流过程概化为“山坡—河网”系统，流域水文响应过程的最小单元是山坡。先进行基本的山坡水文模拟计算，然后依据这些计算单元与所在子流域河系之间的拓扑关系，进行汇流计算，得到各子流域出口的流量，最后进行河网汇流演算，从而得到整个流域的径流。GBHM模型在山丘区的产汇流计算中应用较广；根据“蓄满”和变动源面积概念，并基于三个基本假设TOPMODEL模型通过土壤含水量（或土壤饱和缺水量）来确定流域产流面积的大小和位置，而土壤饱和缺水量由地形指数计算得到，根据地形指数逐类进行产流计算，得到单元流域的产流量后进行单元流域的汇流计算。B：无资料地区1、无资料地区定义无资料地区是指没有足够的水文设施来确定实际应用对一定时空尺度上的资料（包括降水、径流、水质、泥沙、侵蚀率、营养物质等）需求的地区。2、常用方法现有的无资料流域水文预报（PUB）研究方法有三类：（1）通过内插和外延已有测站资料流域的流域响应信息推演到无资料流域；（2）利用雷达卫星等遥感先进手段获取无资料流域情况；（3）建立具有物理机制的水文模型，削弱模型对资料的依赖性。上述三种思路是研究无资料地区水文计算的最基本的思路，一般在具体的应用中往往是基本思路与其它各种各样的方法相结合。尤其在水文模型中，常融入多种方法。国内无资料地区水文研究的常用方法有水文比拟法、参数等值线法、单位线法、经验公式法、随即模拟法等，具体应用情况如下：（1）山丘区。山丘区河流流域特征明显，易通过与相邻或者类似流域的比较分析获取相关资料，可采用水文比拟法、单位线法；流域降水与径流关系明显，可采用临界雨量值法。（2）平原水网区。平原水网区空中气流相对稳定，降水在时空分布上较为均匀，流域上的平均产流强度与流域面积呈线性关系，可采用推理公式进行洪水预报。（3）城区。城市土地利用类型多样，路面等不渗透面积占比较大，降水径流比例小，汇流速度快，使得城市洪灾的特点表现为内涝。城区洪水预报宜采用基于GIS的雨洪模型，或者参照气象预报产品。3、模型选用（1）模型在无资料地区应用优势流域分布式水文模型是现代无资料地区水文研究的一个新亮点。它构建在GIS/RS基础之上，先GIS/DEM建立数字高程流域水系模型，再与产流模型和汇流模型进行结合。它可以和现有的覆盖整个地球各个流域（包括无水文站点资料地区）的遥感数据紧密结合，精确模拟各单元格上的水文过程，通过单元格之间的水