李俊輝

（湖北省隨州市水文水資源勘測(cè)局,湖北 隨州 441300）

1 流域概況

涢水流域位于湖北省隨州市,是隨州市最大的河流。流域地貌復(fù)雜豐富,既有山地又有丘陵、平原,形成山脈與河流交錯(cuò),山谷與坡地相銜,丘陵與平地呼應(yīng)的特點(diǎn)。流域平均海拔133 m,干流河道坡度0.3‰,河流彎曲系數(shù)2.1,河網(wǎng)密度0.4 km/km2。流域內(nèi)森林面積約占40%,水田、旱地約占30%,荒山坡地約占20%。該流域在隨州市曾都區(qū)設(shè)有中上游控制站隨州水文站,測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有降水、水位、水溫、流量、水質(zhì)等,該站以上流域面積3827 km2,1957 年后流域內(nèi)先后建立5 個(gè)大型水庫(kù),總積水面積1030 km2,剩余面積2797 km2。流域剩余面積內(nèi)依次設(shè)有大洪山、封江口、黑屋灣、環(huán)潭、均川、三里崗、尚家店、青苔鎮(zhèn)、隨州9 個(gè)雨量站。

2 研究方法

2.1 模型原理

三水源新安江模型總體劃分為多個(gè)部分,各個(gè)部分可以進(jìn)一步劃分為多個(gè)層次[1],首先是蒸散發(fā)計(jì)算,具體可以將其分為三個(gè)層次,分別是上、下層以及深層；其次是產(chǎn)流計(jì)算部分,采用蓄滿產(chǎn)流模型；第三是水源劃分,一般分為三種徑流,分別是地表、地下徑流以及壤中流；第四是匯流計(jì)算,具體劃分為兩個(gè)階段,分別是坡面匯流及河網(wǎng)匯流[2]。在匯流計(jì)算階段可以采用線性水庫(kù)或者滯后演算法,地下徑流的匯流采用常常采用線性水庫(kù)進(jìn)行計(jì)算。三水源新安江模型模分層次共計(jì)15個(gè)參數(shù),型模的輸入主要有兩部分,分別是實(shí)測(cè)的水面蒸發(fā)量與降水量,二者分別表示為EM、P；輸出也包括兩部分,即蒸散發(fā)量與出口斷面流量,二者分別表示為ET、Q。其具體的計(jì)算流程見(jiàn)圖1。

圖1 三水源新安江模型流程圖

2.2 模型參數(shù)率定

SCE-UA算法作為一種高性能的進(jìn)化算法,能夠?qū)Ψ蔷€性約束最優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解,該算法結(jié)合了單純形法、基因算法以及進(jìn)化原理的相關(guān)思想,是一種快速獲取水文模型最優(yōu)解的綜合算法,因此可以有效解決水文模型參數(shù)全局優(yōu)選問(wèn)題。該算法的本質(zhì)是首先在樣本點(diǎn)中隨機(jī)選擇一個(gè)群體,然后將其劃分為多個(gè)可以獨(dú)立進(jìn)化的子群體,并在多個(gè)方向搜索,向著最優(yōu)方向搜索一定的代數(shù)之后,可以形成新群體,然后再次對(duì)進(jìn)化過(guò)程進(jìn)行重新搜索,從而能夠在空間中共享各個(gè)復(fù)合體的信息。當(dāng)前計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力出眾,給定較大的初始值范圍也可以得到滿意的優(yōu)選結(jié)果。結(jié)合涢水流域的特性由人工給定參數(shù)值范圍,表1列出了模型優(yōu)化參數(shù)的上下邊界。

表1 模型參數(shù)上下邊界

目標(biāo)函數(shù)是用于評(píng)價(jià)實(shí)測(cè)與模擬流量過(guò)程的擬合程度,本文選用納西效率系數(shù)為目標(biāo)函數(shù),同時(shí)使用該目標(biāo)函數(shù)收斂,該終止準(zhǔn)則認(rèn)為,通過(guò)N次迭代后函數(shù)值不能明顯改進(jìn)時(shí)即終止搜索。

式中：n為徑流系列的長(zhǎng)度；Rsim為模擬徑流系列；Robs為實(shí)測(cè)徑流系列；為實(shí)測(cè)系列總平均。

3 模型應(yīng)用及結(jié)果分析

3.1 模型的應(yīng)用

本研究采用1987年～1997年的逐時(shí)降雨、蒸發(fā)及流量資料進(jìn)連續(xù)演算,以納西效率系數(shù)為目標(biāo)函數(shù),流域面平均雨量采用泰森多邊形法計(jì)算[3],模型參數(shù)采用SCE-UA 算法進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算[4],其中1987年～1994年的資料用于參數(shù)率定,1995年～1997 年的資料用于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛥?shù)。參數(shù)尋優(yōu)結(jié)果見(jiàn)表2,率定期及檢驗(yàn)期實(shí)測(cè)流量與模擬流量對(duì)比見(jiàn)圖2、圖3。

表2 涢水流域新安江模型參數(shù)率定表

圖2 率定期計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量過(guò)程對(duì)比

圖3 檢驗(yàn)期計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量過(guò)程對(duì)比

3.2 模型結(jié)果分析

為準(zhǔn)確分析三水源新安江模型在涢水流域的適用性及模擬精度,對(duì)模型的整體模擬效果使用納西效率系數(shù)、洪峰合格率以及水量平衡系數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。從1987年～1997年模擬數(shù)據(jù)中挑選峰高量大的20場(chǎng)洪水過(guò)程從洪峰誤差、確定性系數(shù)、水量平衡系數(shù)及峰現(xiàn)時(shí)間為指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。這20場(chǎng)洪水都是發(fā)生在5月～10月之間,基本上覆蓋了大中小洪水,比較符合涢水流域的實(shí)際情況。評(píng)價(jià)情況見(jiàn)表3及表4。

從表3和表4中統(tǒng)計(jì)可知,涢水流域三水源新安江模型方案率定期的納西效率系數(shù)為0.86,檢驗(yàn)期為0.85；率定期洪峰合格率為92.3%,而檢驗(yàn)期為86%；率定期水量平衡系數(shù)為3.1%,而檢驗(yàn)期為3.4%。洪峰合格率均達(dá)到《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》中的甲等標(biāo)準(zhǔn)[5],納西效率系數(shù)和水量平衡系數(shù)也都較為理想。

對(duì)于20場(chǎng)不同等級(jí)的洪水來(lái)講,在率定期13場(chǎng)洪水中,有7場(chǎng)洪水的確定性系數(shù)評(píng)價(jià)為甲等,3場(chǎng)洪水評(píng)價(jià)為乙等；11場(chǎng)洪水的水量誤差在20%以?xún)?nèi),其中8場(chǎng)洪水的水量誤差在10%以?xún)?nèi)。在檢驗(yàn)期7場(chǎng)洪水中有5場(chǎng)洪水的確定性系數(shù)評(píng)價(jià)為甲等,2場(chǎng)洪水評(píng)價(jià)為乙等；7場(chǎng)洪水的水量誤差在20%以?xún)?nèi),其中6場(chǎng)洪水的水量誤差在10%以?xún)?nèi)?？傮w來(lái)說(shuō)大中小洪水過(guò)程與實(shí)測(cè)洪水過(guò)程基本吻合,峰現(xiàn)時(shí)間模擬效果較好。由此說(shuō)明應(yīng)用SCE-UA算法對(duì)涢水流域新安江模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化取得了較好的結(jié)果,三水源新安江模型能夠較 好地適用于該流域洪水計(jì)算中。

表3 涢水流域率定期流量過(guò)程模擬成果表 單位：m3/s

表4 涢水流域檢驗(yàn)期流量過(guò)程模擬成果表 單位：m3/s

4 結(jié)論

（1）本文采用三水源新安江模型對(duì)涢水流域進(jìn)行了流量過(guò)程模擬,20場(chǎng)洪水中洪峰合格率達(dá)到國(guó)家水情預(yù)報(bào)規(guī)范中的甲等標(biāo)準(zhǔn),納西效率系數(shù)、水量平衡系數(shù)及確定性系數(shù)也都較為理想,說(shuō)明三水源新安江模型能夠較好地適用于涢水流域。

（2）研究了三水源新安江模型在涢水流域的應(yīng)用,能夠?yàn)榱饔蛩Y源合理開(kāi)發(fā)利用、洪水資源化以及防汛抗旱提供科學(xué)的決策依據(jù),同時(shí)對(duì)類(lèi)似水文分區(qū)水文模型的選擇以及提高洪水預(yù)報(bào)精度有一定的參考作用。