传统新安江模型在流域分布式水文模拟中的解决方案

，夏达忠1，张行南1，唐雷彬2，夏希11、河海大学水文资源与水利工程科学国家重点实验室，南京，2100982、辽宁省水文水资源勘测局，沈阳，110003摘要：大流域特征十分复杂，如何描述和体现流域特征的时空变化一直是水文工作者致力解决的问题。本文结合传统新安江模型的特点，基于DEM数据，借助GIS空间分析功能，提出了采用“流域－产汇流分区－单元面积”的流域空间离散方法，并同时给出了模型参数空间化的方法，以期使该模型能更好地适应流域分布式水文模拟。关键词：分布式水文模拟，空间离散，参数空间化1．引言近几十年以来，伴随空间信息科学、计算机技术、地理信息系统、数字高程模型和遥感技术的发展，为流域水文模拟研究提供了崭新的技术手段，为研制和建立分布式水文物理模型提供了强大的技术支撑，使得分布式水文物理模型成为水文学家研究的前沿热点之一[1]，越来越多的分布式水文物理模型被开发，并广泛应用于水利相关领域，给传统新安江模型带来了挑战。要使传统新安江模型能适应流域分布式水文模拟，主要需解决两个问题：①如何对流域进行空间离散，以考虑降雨和流域下垫面特性的空间变异性；②如何使得模型参数空间化，以解决无资料或缺资料地区的水文模拟。2．传统新安江流域水文模型水文模型是对流域上发生的水文过程进行模拟所建立的数学模型，其实质是对流域上发生的水文过程进行模拟计算[2]。水文模型可分为确定性模型和随机性模型。流域水文模型一般是指确定性模型。从反映水流运动物理规律的科学性和复杂程度而言，水文模型可分为数学物理模型、概念性模型和系统理论模型。从反映水流运动空间变化能力而言，水文模型又可分为集总式模型和分布式模型[1]。目前，具有物理基础的紧密耦合型分布式水文模型是流域水文模拟的重要研究方向，国内外很多学者正致力于这方面的研究，并已成功在水利相关领域得以成功实践。传统的新安江模型是具有物理概念的分散性模型，其属于概念性模型范畴，又是介于集总模型与分布式模型之间，可称之为“准分布式模型”。其在单元面积上采用集总式，但相对于流域又划分了单元面积。3．流域空间离散对于大流域水文模拟来讲，流域内部的地理要素和地理过程存在着极大的空间变异性，气候因子和下垫面因子的空间分布极不均匀，所以需对流域进行空间离散[3]。流域的空间离散中，离散单元可以是规则的，也可以是不规则的。离散单元之间可以是有严格的空间拓扑关系，也可以是相当概化的空间关系[4]。传统新安江模型一般采用泰森多边形分块的方法，其能较好地考虑降雨的空间变异，但也存在诸多不合理之处。随着数字高程模型数据的普及和GIS技术的发展，使得按自然流域分块的方法更为方便。泰森多边形分块(b)流域流水网图1西江中下游流域本文提出了“流域－产汇流分区－单元面积”的空间离散化形式。要实现这种形式，需基于数字高程模型，进行流域流水网的推求，再进行流域单元面积的划分，最终建立流域产汇流分区，从而完成对流域的空间离散。3.1基于DEM的流域流水网推求地形对流域汇流过程起着决定性作用。根据DEM数据，对汇流过程进行描述的最好方法是流域流水网[5]。根据水往低处流的公理，每个网格上的径流，将流向相邻网格中相对较低的网格，据此可确定各网格的方向。将各网格方向首尾相连，即为流域流水网。目前，利用DEM生成流域流水网的方法很多，一般可采用的软件有：由Martz和Garbrecht[6]研制的数字高程流域水系模型(DEDNM)；美国RSI公司开发的RiverTools；美国环境系统研究所(ESRI)开发的ArcGIS软件等等。本文采用ArcGIS软件作为推求流域流水网的主要工具。图1是基于流域DEM数据,使用ArcGIS软件生成的流域流水网。当然，任何一种软件和方法导出的流水网不尽相同，可能存在错误或误差。因此，需对流水网进行合理性检验。只有合理可靠的流水网，才能以此为依据，进行空间分析。3.2流域单元面积划分在流域水文模拟中，为了考虑降雨及流域下垫面水文特性的空间变异，需将流域按一定形式分成若干单元面积。3.2.1泰森多边形法传统新安江模型分单元面积的方法是以雨量站为中心的泰森多边形法。其主要是从考虑雨量代表性出发，即尽可能采用直线距离最近的雨量站作为代表站，而没有考虑地形等其它影响因素。由此带来的最主要问题是单元面积很可能跨分水岭。如图2圆圈处所示，其主要存在两处不合理：①分水岭一边的雨量站来作为分水岭另一边部分面积的代表站，造成面雨量计算的误差；②分水岭一边的径流跨过分水岭，汇入分水岭的另一边，造成汇流模拟的误差。(a)原始的DEM软件能方便地将流域按自然流域进行单元面积的划分。流域流水网生成后，只要设定集水面积的阈值，软件能自动按流域分水岭进行单元面积的划分。图3是利用流域流水网生成的自然流域分块。在一般情况下，自然流域分块后，需进行人工编辑。因为一方面由ArcGIS软件生成自然流域分块时设定的集水面积阈值是对整个流域的，不能对流域的某一区域设定集水面积阈值，从而使整个流域上的自然流域分块在面积上相差不大。但在实际的情况中，如果流域中的某一区域雨量站较密，那么相应的子单元数可以多点，但如果雨量站较疏，那么相应的可以人工合并子单元，增大子单元面积，从而也可以减少模型计算中的工作量；另一方面在前文也已提到，使用任何一种方法导出的流水网，由于种种原因，可能存在错误或误差，那么在流水网基础之上生成的自然流域分块也存在同样的问题。在实际的应用过程中，需借助GIS平台，将蓝线河网、由DEM生成的流域流水网及自然流域分块的图层都同时显示，并加以人工分析,使得分块更为合理。3.2.3耦合分块泰森多边形法作为传统的流域单元面积划分方法，主要考虑了降雨的空间变异；基于DEM的自然流域分块法，主要考虑了流域下垫面特征的的空间变异，但在单元面积降雨的处理方面较为困难，人为因素较大。笔者在实际应用过程中，结合以上两种分块方法的优点，提出了耦合分块的方法，即采用泰森多边形来进行面雨量的计算，采用自然流域来进行产汇流过程的计算。如图4(a)中的“灰色”子单元，被三个泰森多边形面单元覆盖，可认为此自然流域分块的面平均雨量受与其邻近的三个雨量站的共同影响。在对其进行面雨量计算时，需采用面积权重法。通过GIS的空间叠置分析和面积计算功能，可得到各泰森多边形分块与自然流域分块相交部分的面积。如图4(b)所示，每个泰森多边形所占的权重为W(i)=a(i)/A，其所代表的面雨量值为P(i)，那么该单元面积的面平均雨量即为：aveP=∑=×niiWiP1)()(。(a)叠置分析前的单元面积(b)叠置分析后的单元面积图4耦合分块法及叠置分析示意图Aa1a2a3GIS空间分析叠置分析功能是广东省东江流域的示意图，按干流重要站点对其进行概化后如图5所示。结合流域概化图的特点，本文提出按流域产汇流分区对流域进行重构。流域产汇流分区是指用流域产汇流模型进行计算的分区，其包括小流域及区间流域。流域产汇流分区的建立是基于自然流域的，通过合并属于相同流域的自然流域建立的。有了流域产汇流分区，再结合如图5所示的流域概化图，就可建立产汇流分区间的流域拓扑关系，为洪水预报方案的自动构建与计算带来便利。4．模型参数空间化目前，分布式水文模型参数的确定有以下几种方法：①在单元面积上采用传统的概念性模型，不改变原有模型的结构和参数，每个单元面积上的水文模型的参数随空间变化；②重新设计单元面积上的水文模型的结构与参数，尽量选择或者重新构造既能反映空间变异性，又具有物理意义，且便于计算的指标作为模型的参数；③将原有模型的参数同易于获取的流域下垫面特征建立相关关系，从而得到水文模型的参数计算方法[4]。分布式水文模型的参数是一个反映流域下垫面特性和气象因子空间变化的数集[4]，其需要大量的资料来确定，但在目前还难以全部满足，给参数的确定带来了困难，也给分布式水文模型在实时洪水预报这种对精度要求较高的应用中带来了瓶颈。传统新安江模型的参数是通过历史水文数据进行参数率定，对于有水文资料的流域可以通过模型参数率定工作确定模型的参数。但对于无水文资料的地区也难以进行参数率定。本文结合前人的研究成果，采用了如下技术方案。其主要是在有资料的小流域中进行模型参数的率定，同时获取能反映流域下垫面特征的指标，进而建立相关模型参数与相应特征指标之间的相关关系。那么对于无水文资料地区，获取其下垫面特征指标后，依据相关关系图5东江流域概化图图6东江流域示意图反演可得到相应的模型参数。上述技术方案已在西江流域和长江中上游流域的洪水预报方案编制中得到了应用，效果较好。现以新安江模型中的“坡面汇流参数CS和流域平均坡度S”的相关关系为例，说明模型参数空间化的过程。在传统新安江模型中，坡面汇流分地表径流、壤中流和地下径流三种水源。坡面汇流参数CI、CG分别是壤中流和地下径流的调蓄系数，受流域平均坡度影响。CS是单元面积上的河网汇流参数，同样受流域平均坡度影响，但与CG和CI相比，其较为敏感。本文采用回归分析的方法建立流域平均坡度S与参数CS的关系。表1中列出了西江流域中下游中6个小流域的平均坡度和通过历史水文数据率定的坡面汇流参数，并据此建立了一元回归模型（式1），相关系数0.975。0.97860.3503scs+−=(式1)为了进一步验证该方法的可靠性，通过上述相关关系，并根据流域平均坡度反演了坡面汇流参数，并将其输入模型进行模拟结果对比。表2为桂林站模拟结果对比。表1西江流域中下游率定流域模型参数CS与流域平均坡度S一览流域名称流域平均坡度S人工率定CS相关关系CS洛清江支流0.1590.9240.923桂江桂林以上流域0.2240.9000.900蒙江流域0.1470.9230.927北流河流域0.1570.9250.924罗定江流域0.1460.9300.927新兴江流域0.1650.9200.921（注：表中“人工率定”是指利用历史水文数据，通过人工率定的方式，得到的参数；“相关关系”是指利用相关关系反演得到的参数）地形、地质、地理资料数字高程模型历史洪水单元面积流域下垫面特征值计算流域流水网单元面积划分建立模型参数及流域下垫面特征值相关关系历史洪水对相关关系的验证利用相关关系反演模型参数，解决无资料地区模型参数的空间移用小流域新安江模型参数率定图7无资料地区模型参数确定的技术方案桂林站模拟结果对比径流深相对误差(%)洪峰相对误差(%)峰现时差(h)确定性系数洪号LDJGXGJGLDJGXGJGLDJGXGJGLDJGXGJG198906173.441.36-5.05-5.21-1-10.850.8519930616-4.57-4.88-5.30-1.35-1-20.900.9219960712-10.82-15.87-7.04-9.29-2-20.910.9019980614-1.84-4.8610.346.15-3-30.940.95199907098.478.47-2.18-2.23220.970.962000052220.7720.764.204.08000.830.82200206092.327.803.87-0.33-2-20.970.97（注：表中“LDJG”是指利用人工率定的参数进行模拟的结果；“XGJG”是指利用相关关系反演得到的参数进行模拟的结果）从上述的模拟结果对比中，可以看出结果相差并不大。有了上述参数的相关关系，对于无水文资料地区，只需借助GIS平台，获取能描述流域下垫面的特征值，随即通过对应的相关关系就能获取参数。5．结语GIS技术和流域水文模拟相结合是当前解决大流域空间