馬哈提·穆拉提別克

(阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836500)

新疆阿勒泰地區(qū)位于新疆最北部的區(qū)域，屬于典型的中溫帶大陸性氣候，夏季時間短，降雨集中，屬于新疆典型的豐水區(qū)域，是新疆三大主要河系交匯區(qū)域，河流水系眾多，近些年來，區(qū)域大河未發(fā)生明顯的洪澇災(zāi)害，但是一些中小河流的洪水頻繁發(fā)生，為保障中小河流區(qū)域的防洪安全，要求對這些區(qū)域的洪水預(yù)報方案進行編制。有資料地區(qū)洪水方案的編制往往通過實測資料進行模型參數(shù)的率定，從而制定相關(guān)的洪水預(yù)報方案[2- 5]，但阿勒泰地區(qū)的中小河流往往位于無實測資料地區(qū)，因此對于這些區(qū)域的洪水方案編制一直是個難點問題。當前，國內(nèi)許多專家學(xué)者對一些無資料地區(qū)的中小河流洪水模擬進行相關(guān)研究[6- 9]，但新疆地區(qū)還有相關(guān)研究。為此本文結(jié)合當前國內(nèi)在無資料中小河流洪水模擬較為成熟的方法，以新疆阿勒泰地區(qū)為實例，分析無資料中小河流的洪水預(yù)報方案，從而為全疆無資料中小河流洪水模擬提供借鑒。

1 研究方法

由于HEC模型在國內(nèi)外已經(jīng)達到一定程度的應(yīng)用，模型計算原理可詳見參考文獻[10]，考慮在無資料地區(qū)中小河流洪水模擬最為重要的是如何進行參數(shù)的移值，為此本文主要介紹基于主成分聚類的參數(shù)移值方法。主成分聚類分析方法首先對各參數(shù)指標進行標準化處理，計算方程為：

(1)

其中標準差的計算方程為：

(2)

式中，n—計算參數(shù)的個數(shù)。

在參數(shù)標準化后，計算各個參數(shù)的協(xié)方差矩陣，計算方程為：

(3)

在計算協(xié)方差后，計算各個參數(shù)之間的特征向量，計算方程為：

Y1=e1′X=e11X1+e21X2+…ep1XP

(4)

式中，Y1—特征向量；e1′—正交特征向量；X—特征變量。

完成特征變量計算后，需要計算各個主成分的方差貢獻率，計算方程為：

(5)

式中，a(m)—各參數(shù)主成分的方差貢獻率；λm—方差累積貢獻率；λp—次貢獻累積率。

在主成分累積貢獻率計算的基礎(chǔ)上，計算其樣本距離，計算方程為：

表1 聚類指標分析結(jié)果

(6)

式中，dij—參數(shù)樣本距離；xik、xjk—不同樣本的變量值。

2 實例應(yīng)用

2.1 實例概況

新疆阿勒泰某無資料中小河流地區(qū)，區(qū)域水系及降雨站點如圖1所示。區(qū)域附件有實測水文站，但區(qū)域內(nèi)無實測徑流，流域主要的土地利用方式為耕地和林地，植被覆蓋率較高，從圖1中可看出，區(qū)域水系較為豐富，由于HEC模型為分布式水文模型，結(jié)合區(qū)域的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，將流域劃分成15個子流域，充分考慮區(qū)域下墊面情況對洪水模擬的影響。

圖1 流域概況圖

2.2 參數(shù)移值分析

結(jié)合主成分聚類分析方法，選取7個聚類指標進行聚類分析，并計算各指標的主成分，分析結(jié)果見表1—2。

表2 主成分荷載矩陣

由表1可見，一些流域特征指標之間存在一定相關(guān)性，相關(guān)程度最大的是年平均降水深與年平均徑流深，為0.953。森林率與年平均降水深、年平均降水深也具有較高相關(guān)性，分別為0.782和0.743。計算各成分特征值、貢獻率及累積貢獻率，其中兩個成分的方差值大于1，所以選取z1、z2為主成分。表2為原7個流域指標在2個主成分上的荷載值。荷載值反映了所取主成分與各原始指標之間的關(guān)系，反映各指標對選取主成分所起的作用。其中和河長對主成分2影響最大。

2.3 參數(shù)優(yōu)化分析

結(jié)合遺傳算法對模型的主要參數(shù)進行各子流域的優(yōu)化分析，分析結(jié)果見表3。

在HEC模型參數(shù)優(yōu)選過程中，產(chǎn)流選擇了初始常速率模型的方法，匯流采用了斯奈德單位線，洪水演進選擇了運動波。產(chǎn)流涉及到初損Ia、下滲率fc、不透水面積Fa、匯流涉及到集水區(qū)洪峰滯時Tp、單位線峰值系數(shù)Cp等參數(shù)。事實上，初始常速率模型含有一個參數(shù)(常速率)和一個初始條件(初始損失)，它們分別表示集水區(qū)土壤及土地利用的物理特征和初始條件。如果集水區(qū)處于飽和的狀態(tài)，那么Ia接近零。如果集水區(qū)是干燥的，Ia的值將增加，表示降落在集水區(qū)上不會引起徑流的最大的降雨深度；Ia、fc、Fa基本取決于集水區(qū)地形，土地利用，土壤類型和土地整治。建議有植被覆蓋的區(qū)域Ia在總降雨量的10%～20%范圍變化。匯流參數(shù)Tp值是集水區(qū)洪峰滯留時間，反映單位線峰值時間與對應(yīng)于凈雨分布圖的質(zhì)心的時間之差，是控制洪水過程峰現(xiàn)時間的重要參數(shù)，認為與集水區(qū)邊界的最長河道總坡度有很大的關(guān)系，根據(jù)坡度變化情況，取值在1.0～25.0之間；參數(shù)Cp是反映峰值大小的一個參數(shù)，值越大，峰對應(yīng)大，其取值范圍在0.10～0.99之間。

表3 HEC模型參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

2.4 模擬結(jié)果分析

結(jié)合模型參數(shù)移值和優(yōu)化計算結(jié)果，對區(qū)域有實測的8場洪水進行模擬，模擬結(jié)果見表4—5。

表4 產(chǎn)流模擬分析結(jié)果

表5 洪峰模擬分析結(jié)果

從產(chǎn)流模擬結(jié)果看，HEC模型模擬區(qū)域的徑流量結(jié)果較好，精度相對較高。除了“200708141”場次洪水、其他場次模擬較好，對于“200708141”場次洪水，模擬效果很差，從實測洪水過程可知，該場洪水前期干旱，缺乏實測數(shù)據(jù)，資料不具代表性。從匯流模擬結(jié)果來看，HEC模型對區(qū)域的模擬情況一般，合格率75%，如“19730826”場次洪水和“19910728”場次洪水，這兩個場次洪水的初始損失是44和28相對來說較小，土壤濕潤，加上降雨分布情況均勻，符合分布模型的產(chǎn)匯流特點，模擬較好。對于“20010728”場次洪水，“20080731”場次洪水，如圖2所示，模擬的洪峰流量偏大很多。兩場洪水的降雨時空分布均勻，初始損失較大，說明土壤干旱，對于分布式的HEC模型，采用了超滲產(chǎn)流的方法，對于降雨集中且量大的洪水，前期干旱，考慮超滲產(chǎn)流特性，會使得降雨未填滿初始損失就產(chǎn)流，使得實際的峰量上不去，導(dǎo)致偏小的結(jié)果。

3 結(jié)論

(1)利用有實測站點數(shù)據(jù)對無資料中小河流進行參數(shù)移值是解決無資料地區(qū)中小河流洪水模擬的關(guān)鍵所在，主成分聚類的參數(shù)移值方法適合模型參數(shù)較多的移值分析；

(2)分布式的HEC模型可用于新疆無資料地區(qū)的洪水模擬，但對于前期干旱的區(qū)域，會使得降雨未填滿初始損失就產(chǎn)流，使得實際的峰量上不去，導(dǎo)致偏小的結(jié)果；

(3)研究成果對于新疆其他區(qū)域無資料中小河流洪水預(yù)報方案的制定具有參考價值，可進行推廣和應(yīng)用。

圖2 場次洪水模擬成果