分布式流域水文物理模型的應(yīng)用

分布式流域水文物理模型的應(yīng)用

1初測資料與方法作者提出并建立了基于dem的分布流域水文物理模型。為了驗證模型的結(jié)構(gòu)和模擬精度，我們選擇了美國緬因州的bbw流域作為研究對象。BBWM流域面積100hm2,按30m×30m劃分,共有1100個網(wǎng)格,每個網(wǎng)格單元面積為900m2.BBWM流域地形如圖1所示.以下有關(guān)BBWM流域資料和數(shù)據(jù)由文獻提供.BBWM位于緬因的東部(緯度44°52′15″,經(jīng)度68°06′28″),距美國東北部的西太平洋海岸線約60km,流域最高高程為452.6m,最低高程為235.18m,平均地表坡度為4.83°.BBWM由兩條一級河流EBB和WBB組成,在每條河流上各選一個測站,EBB測站的當?shù)刂苯亲鴺藊=630m,y=270m,基金來源:國家自然科學(xué)基金資助項目(59779008).國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃“973”項目(G19990436)和教育部跨世紀人才基金資助項目.高程z=275m;WBB測站的當?shù)刂苯亲鴺藊=570m,y=240m,高程z=280m.斷面用標準120°V型凹槽堰來量測流量,每5min觀測一次.BBWM流域1987～1992年平均降雨約1400mm.WBB徑流系數(shù)在68%～77%之間,EBB徑流系數(shù)在62%～77%之間.除降雨外,融雪是徑流形成的另一途徑,融雪一般發(fā)生于10月到下一年的5月底.BBWM受溫和海洋氣候的影響,年平均溫度約4.9℃,在+35℃～-30℃之間變化.流域土壤厚度變幅為0～5m,一般為1～2m.下面是BBWM流域上的原始數(shù)據(jù):(1)3個雨量站在1h降雨資料:應(yīng)用最鄰近法將降雨外推到各子單元;(2)EBB測站和WBB測站測量1h的流量資料;(3)每天最高最低空氣溫度:應(yīng)用線形插值法來獲得溫度觀察點的每小時氣溫,再用溫度遞減率來計算不同高程的氣溫;(4)地表高程,土壤類型,土壤深度,土壤孔隙率,植被類型:取植被覆蓋率VCF=1.0,即地表都被植被覆蓋;(5)云量系數(shù)取平均值0.8,地表反射率α取平均值0.18;(6)下滲能力隨土壤含水量變化曲線為fc=0.099(1?θξ)fc=0.099(1-θξ),BBWM流域所有土壤類型都按該式計算(fc單位為m·h/r-1);(7)水力傳導(dǎo)率隨土壤含水量變化曲線為K(θ)=3.0×10?7exp(14.451θξ)Κ(θ)=3.0×10-7exp(14.451θξ),BBWM流域所有土壤類型都按上式計算.K的單位為m·hr-1.選5場洪水來率定和驗證本模型,5場洪水發(fā)生時期分別為:①1989/05/01～1989/06/01;②1989/11/05～1989/11/24;③1989/11/05～1989/11/19;④1990/04/07～1990/04/25;⑤1990/05/13～1990/05/31.其中3場洪水發(fā)生在春季,其余2場發(fā)生在冬季,因為該流域夏秋降雨幾乎不形成徑流.2模型性能的準則由于有兩處流量觀測站(即EBB和WBB),因此選擇兩站的效率系數(shù)R2之和、水量守恒指數(shù)IVF(即表示模擬徑流量與觀測流量的比率)作為評估模型性能的準則.2.15沒有通過模型分析來確定觀測參數(shù)分布式水文物理模型的參數(shù)可分為三類.第一類的參數(shù)為物理量或常數(shù);第二類的參數(shù)可直接從流域地理地貌、土壤植被等資料分析中求得,固定不變,見表1;第三類的參數(shù)隨時間和空間發(fā)生變化,需要通過模型的分析試算和調(diào)試來確定.在模擬5場洪水觀測流量序列的過程中發(fā)現(xiàn),為達到對觀測流量過程的最佳擬和效果,一些參數(shù)保持不變,而另外一些參數(shù)確在發(fā)生變化.由于從實驗上觀測的下滲能力不能代替流域的實際情況,需要進行修正.下滲能力校正系數(shù)Cinf可作為一個反映下滲能力與土壤含水量的關(guān)系的綜合系數(shù),并隨事件發(fā)生變化,它的校正和確定對提高模擬效果來說,至關(guān)重要.2.2物理特征cinf模型的效率系數(shù)R2對下滲能力校正系數(shù)Cinf十分敏感.沒有一個確定的Cinf能保證在EBB和WBB流域5場洪水的R2為最大.例如:對第一場洪水,EBB和WBB在Cinf=0時R2達到最大(88.99%和83.27%);然而對第二場洪水而言,EBB上在Cinf=0時R2達到最大(87.63%),而WBB上在Cinf=0.2時R2達到最大(72.10%).在模擬EBB和WBB站上的每場洪水過程時,如果要達到較好的模擬結(jié)果,必須考慮空間的不均勻性和隨時變化性.在保持其他參數(shù)不變的前提下,不同測站的每一場洪水取不同的Cinf值,R2和IVF的模擬結(jié)果有較大的提高.R2的平均值可從原來的72.35%提高到77.01%.2.3降雨時期下滲能力校正在比較模擬和實測的流量過程線后發(fā)現(xiàn),一般洪水漲水段模擬得非常好,而在退水段和枯水段都明顯低估,其主要原因是對降雨后下滲損失的過高估計.這個問題與DEM模擬中假設(shè)有關(guān),即每一個網(wǎng)格單元的地表處在同一幾何平面和所有的水文過程都傳播到整個地表.降雨期間,下滲過程被認為發(fā)生在流域的每個單元上.然而降雨之后,徑流主要發(fā)生在溝槽中積累,而不是均勻地在整個地表積累,相應(yīng)地,主要的下滲也僅發(fā)生在溝槽而不是整個流域表面.為解決此問題,在WBB流域,在降雨時段和無雨時段下滲能力校正系數(shù)Cinf取不同的值,求得R2和IVF的值,結(jié)果列于表2中.在考慮降雨對下滲過程的影響后,R2的平均值從原來的77.01%提高到85.20%,IVF的平均值從0.67增加到0.98.假定表2中的模擬結(jié)果是合理的,那么雨期的Cinf的平均值要大于無雨期Cinf的平均值,這一事實反映顯著下滲過程在雨期比在雨后更廣泛.1989/05/01～1989/06/01這場洪水的模擬和實測過程見圖2和圖3,從圖中可以看出,模擬和實測過程線基本吻合,效果很好.2.4融雪產(chǎn)生的最大徑流融雪是BBWM流域總徑流量中一個重要組成部分,現(xiàn)對融雪對洪水形成的作用作進一步分析.假設(shè)在實際降雨條件下,SW=0時的流量過程是降雨產(chǎn)生的徑流,它與實際降雨條件下SW=2.7×10-7m/s的流量過程之差,被看作是融雪所產(chǎn)生的流量過程.本模型也用SW=2.0×10-7m/s模擬沒有降雨條件下(即NP=0)流量過程,計算實際降雨條件下由降雨和融雪產(chǎn)生的最大徑流和沒有降雨時由融雪產(chǎn)生的最大徑流.計算結(jié)果表明,沒有降雨時,融雪將不會產(chǎn)生任何洪水,而有持續(xù)的降雨情況下,融雪將產(chǎn)生洪水.這種現(xiàn)象主要是受門欄值的影響,例如:降雨小于截留能力將不會產(chǎn)生凈雨,雨量供給率小于下滲能力將不會產(chǎn)生地表徑流.2.5地表徑流、地表徑流模型分布式水文物理模型比概念性模型主要優(yōu)越之處是能提供徑流形成的面上信息.當然,分布信息的多少會受DEM模型的限制,因為分布式模型只應(yīng)用一個或二個點的觀測信息而不是地區(qū)面上的信息.本模型能提供如每一個網(wǎng)格單元上的土壤含水量、地表徑流和平均地表水深等信息.圖4反映流域土壤含水量的分布情況.圖5給出了1989年5月11日17:00時的地表徑流量和輪廓圖,圖中清晰說明地表徑流是如何集中到兩條河流中以及流量沿著河流方向的變化過程.3考慮的洪水模型新安江三水源模型是國內(nèi)外著名的概念性流域水文模型,在洪水預(yù)報和水資源評估和管理中得到廣泛的應(yīng)用.模型主要由四部分組成:蓄滿產(chǎn)流計算、流域水源劃分、流域蒸散發(fā)計算和匯流計算.BBWM流域地處美國西太平洋海岸附近,年平均降雨約1400mm,雨量充沛,流域內(nèi)植被良好、覆蓋率較高,徑流系數(shù)在62%～77%之間,符合新安江三水源模型應(yīng)用的條件.本文直接采用愛爾蘭國立大學(xué)(高爾威)國際洪水預(yù)報研討班提供的標準化程序,對BBWM流域5場洪水進行模擬計算,結(jié)果列在表3中.新安江模型的總平均模型效率系數(shù)為83.18%,總平均IVF為1.1,均略低于分布式水文物理模型相應(yīng)的模擬結(jié)果(85.02%和0.98).4主要結(jié)論及意義對水文工作者來說,分布式水文物理模型仍處于學(xué)習(xí)研究的前沿和發(fā)展階段,盡管在這方面已有一些研究成果和進展,但與集總式概念性水文模型所做的工作相比,仍有很大的差距.為更好描述地表水文物理過程、更完整地揭示地表不均勻性的影響、更科學(xué)地解釋流域的非線性機理行為,還需要進行更多的研究和探索.本文提出基于DEM的分布式水文物理模型,通過模擬BBWM流域上的5場洪水過程和分析比較討論,得到的主要結(jié)論如下:(1)分布式水文物理模型結(jié)構(gòu)嚴謹,參數(shù)物理意義明確,并能給出一些水文要素的空間分布和變化過程.該模型僅調(diào)整和優(yōu)化一個模型參數(shù),即下滲能力校正系數(shù)Cinf,其他參數(shù)直接從流域地理地貌、土壤植被等資料中分析求得,不需優(yōu)化.(2)模型效率系數(shù)R2的平均值為85.2%,IVF平均值為0.98(見表3),說明本模型具有較高的模擬精度,并略高于新安江模型在該流域上的模擬結(jié)果.(3)在BBWM流域,霍頓地表徑流被認為是徑流形成機理主要因素.對Cinf的詳細討論表明,要取得好的模擬結(jié)果,考慮物理參數(shù)的時變性是很重要的.(4)對融雪徑流形成中作用的分析表明,沒有降雨,融雪率不變的融雪徑流將不會產(chǎn)生任何洪水,若有持續(xù)的