趙明明

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

子流域的劃分是分布式水文模型建模的基礎(chǔ)，對分布式水文模擬精度具有較為明顯的影響。當(dāng)前，關(guān)于子流域數(shù)量對分布式水文模型影響的研究大都采用定性描述為主的方式，而定量評價子流域劃分數(shù)量對分布式水文模型研究還不多見，為此本文結(jié)合在遼寧地區(qū)應(yīng)用較好的分布式水文模型SWAT模型[8]和TOPmodel模型[9]，重點探討子流域劃分數(shù)量對分布式水文模型模擬精度的影響。研究結(jié)果對于遼寧地區(qū)洪水分布式高精度模擬具有重要的參考價值。

1 研究方法及資料準(zhǔn)備

1.1 研究方法

本文結(jié)合分布式水文模型SWAT模型和TOPmodel模型來分析子流域劃分數(shù)量對分布式水文模型模擬精度的影響，考慮到SWAT模型和TOPmodel模型在國內(nèi)應(yīng)用成熟，其原理方程較多，本文不作為重點介紹，其模型原理可詳見文獻。本文結(jié)合兩個分布式水文模型，分別設(shè)定相同參數(shù)和不同參數(shù)兩種方案，以確定性系數(shù)、相關(guān)系數(shù)、徑流深相對誤差、洪峰相對誤差四個指標(biāo)來分析子流域劃分數(shù)量下模型模擬的精度。

1.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

模型需要準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)為水文數(shù)據(jù)、下墊面數(shù)據(jù)。水文數(shù)據(jù)為流域出口水文站實測數(shù)據(jù)，本文選擇研究區(qū)域內(nèi)2000—2012年實測水文數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括流域內(nèi)降雨觀測站數(shù)據(jù)、水文站實測流量數(shù)據(jù)。下墊面數(shù)據(jù)包含土壤類型、土地利用類型及數(shù)字高程數(shù)據(jù)，其中土壤類型數(shù)據(jù)采用分辨率為1∶1000000的全國土壤類型矢量數(shù)據(jù)，結(jié)合流域邊界獲取區(qū)域的土壤類型數(shù)據(jù)，如圖1(b)所示；土地利用數(shù)據(jù)選用空間分辨率為30s的柵格數(shù)據(jù)，結(jié)合流域邊界獲取區(qū)域土地利用類型數(shù)據(jù)，如圖1(c)所示；數(shù)字高程數(shù)據(jù)采用空間分辨率為30s的柵格數(shù)據(jù)，結(jié)合流域邊界獲取區(qū)域數(shù)字高程數(shù)據(jù)，如圖1(a)所示。氣象數(shù)據(jù)主要為最高、最低氣溫、平均風(fēng)速以及太陽輻射數(shù)據(jù)。

2 研究成果

2.1 區(qū)域概況

本文以遼寧北部某區(qū)域為研究實例，該區(qū)域流域面積為453.8km2，屬于典型中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，區(qū)域多年平均降水量為700mm。不同子流域劃分策略及面積閾值的設(shè)定結(jié)果見表1。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

首先需要對模型進行參數(shù)設(shè)置，結(jié)合兩個模型已有的參數(shù)敏感性分析成果，分別對SWAT模型和TOPmodel模型進行了參數(shù)設(shè)置，參數(shù)設(shè)置結(jié)果見表2—3。

圖1 區(qū)域下墊面數(shù)據(jù)

表1 不同子流域劃分策略及面積閾值設(shè)定

表2 TOPMODEL模型參數(shù)率定成果

表3 SWAT模型參數(shù)率定成果

2.3 同一參數(shù)下不同子流域劃分數(shù)目的模擬結(jié)果分析

以SWAT模型為例，為分析同一參數(shù)下不同子流域劃分數(shù)目對各保障率流量模擬影響，結(jié)果見表4和圖2。

表4 同一參數(shù)下不同子流域劃分數(shù)目下各保障率下的流量模擬結(jié)果

圖2 各保障率下子流域數(shù)目下的流量對比結(jié)果

從模擬結(jié)果可以看出：①在90%保證率情景下，子流域數(shù)目在0～35之間變幅，模擬流量經(jīng)過一定子流域劃分數(shù)目后，趨于穩(wěn)定變化，在子流域面積閾值內(nèi)，模型模擬流量總體低于實測流量；②在80%保證率情景下，子流域數(shù)目在0～35之間出現(xiàn)較為明顯的波動變化，在35～80之間出現(xiàn)一定程度的穩(wěn)定變化；③在60%的保證率情景下，子流域數(shù)目在0～35之間出現(xiàn)不規(guī)則的變幅，在整個子流域數(shù)目的變化過程中，模擬流量均低于實測流量；④在50%的保證率情景下，子流域數(shù)目在10～30之間出現(xiàn)變幅后，出現(xiàn)穩(wěn)定變化，模擬流量總體低于實測流量，模擬流量占實測流量的45%；⑤在30%的保證率情景下，子流域數(shù)目在15～35之間變幅后，呈現(xiàn)穩(wěn)定變化，模擬流量總體低于實測流量，占實測流量的35%；⑥在20%的保證率情景下，子流域數(shù)目在20～35之間流量變幅較為明顯，而后同樣出現(xiàn)明顯的穩(wěn)定變化，模擬流量進一步降低，占實測流量的20%。

2.4 同一參數(shù)下不同子流域劃分數(shù)目模型模擬精度分析

對同一參數(shù)下不同子流域劃分數(shù)目對兩個分布式水文模型模擬精度進行定量分析，分析結(jié)果見表5—6和圖3—4。

圖3 子流域劃分數(shù)目對TOPmodel模型模擬精度影響曲線

子流域數(shù)目模型精度評價指標(biāo)確定性系數(shù)相關(guān)系數(shù)徑流深誤差/%洪峰誤差啊/%00.710.68-5.35-4.28150.70.73-4.38-6.15250.720.59-5.47-5.12300.780.814.385.38350.810.856.217.25450.850.928.389.23500.790.849.4510.15600.770.8310.1211.52700.750.8211.2313.14800.770.8212.3413.14900.790.8212.3513.141000.770.8212.3613.141100.760.8212.3713.14

表6 不同參數(shù)下不同子流域劃分數(shù)目對SWAT模型模擬精度分析結(jié)果

在相同參數(shù)下，通過設(shè)定不同子流域劃分數(shù)目，定量分析子流域劃分數(shù)目對兩個分布式模擬精度指標(biāo)的影響，從分析結(jié)果可看出，兩個模型的模擬精度變化較為相似，即當(dāng)子流域劃分數(shù)目在25～40時，模型的各精度評價指標(biāo)均有較為明顯的變幅，模型確定性系數(shù)在0.70～0.85之間變幅，之后出現(xiàn)一定程度的穩(wěn)定變幅趨勢。這表明當(dāng)子流域劃分數(shù)目在25～40時，對模型影響程度最為敏感。在整個流量模擬過程中，徑流深的相對誤差出現(xiàn)一些負值，這主要是因為模型流量小于實測流量，當(dāng)子流域數(shù)目較小時，在5～15之間變幅時，兩個分布式模型對高流量模擬效果較好，而對于低流量模擬效果較差。在極端子流域劃分數(shù)目下，如當(dāng)子流域數(shù)目為1時，其模擬的確定性系數(shù)分別為0.70和0.69，而當(dāng)子流域數(shù)目在110時，其模擬的確定性系數(shù)為0.81和0.76，因此在同一參數(shù)條件下，子流域劃分數(shù)量在25～40之間時，對模擬結(jié)果影響較大。

圖4 子流域劃分數(shù)目對SWAT模型模擬精度影響曲線

3 結(jié)論

(1)在同一參數(shù)下，子流域劃分數(shù)目對兩個分布式水文模型確定性系數(shù)以及相關(guān)系數(shù)影響程度較低，而對徑流深以及洪峰誤差影響較為敏感。

(2)在同一參數(shù)下，子流域劃分數(shù)目在0～20之間，對分布式水文模型的確定性系數(shù)及相關(guān)系數(shù)影響較高，而在25～40之間，對各精度指標(biāo)均有較為明顯影響。建議結(jié)合閾值范圍將子流域劃分數(shù)量確定在25～40之間較為適宜。

(3)在不同參數(shù)下，子流域數(shù)目對各精度指標(biāo)影響相同，均呈現(xiàn)先增后減再穩(wěn)定變化。