我国流域水文模型构建与水库调度问题研究

陈立瑾

(广州市河涌管理处，广州 510635)

我国流域水文模型构建与水库调度问题研究

陈立瑾

(广州市河涌管理处，广州 510635)

介绍了流域水文模型的特点，分析了模型建立过程中的重点难点及需要的发展支撑;剖析了我国水库调度存在的矛盾问题并提出了解决方法。

流域;水文模型;新安江模型;水箱模型;GIS分布式水文模型;水库调度

我国流域面积广阔，且水灾旱灾等自然灾害发生频繁，因此对于水利问题的重视程度直接关系到我国的国民经济和人民物质财产安全，尤其是在科技高速发展的新时期，对水利工程也提出了现代化的新要求，必须要充分利用现代科技做到科学治水，如建立相应的水力学模型等。本文主要是讨论我国流域水文模型的构建和水库调度问题。

1 流域水文模型及构建

流域水文模型的建立是将流域作为整个模型的系统，输入量为降雨降雪等增加地面水量的行为等，输出量则反之，整个模型系统的状态就是水文的循环过程，这个量是根据水文理论推算出来的。随着人类社会的发展越来越快，带来的问题就是全球性的缺水问题严重，再加上本来世界上的水资源分布就不均匀，这就使得加强水文学的定量化研究刻不容缓了，而流域水文模型对于水文学的研究的作用不言而喻，有助于研究人员形象地利用水文模型对水文规律和一些实际的问题进行解决，且水文模型能帮助研究人员在水资源的分配问题的研究中提供科学根据。总之流域水文模型的研究是非常必要的。

1.1 几种流域水文模型及其特点

上世纪50年代，在计算机发明了十多年之后，全球的水文研究人员提出了一个“流域水文模型”概念，这是流域水文模型的首次诞生，将流域水文循环过程中的各个环节都整合到一个系统中。伴随着流域水文模型概念的提出，随后在水文研究界就掀起了对水文模型的研究狂潮，具有研究价值的水文模型有70多个，其中比较常用的有15个。下面就对一些水文模型做简要介绍:

1.1.1 包顿模型

1966年的澳大利亚，包顿研究成功了一种以日为计算单位的流域水文模型，模型中包括了截留层、上下土壤层及排水层4个部分，用来模拟实际流域中的蓄排水过程，模型中的蓄水量、蒸发速率、下渗速率及径流量等参数都做特定的假定。此模型忽略了对于地下水结构的设置，因此只适合于干旱或者半干旱的流域地区，如澳大利亚及新加坡等国家。

1.1.2 新安江模型

上世纪60年代初期，河海大学的赵人俊教授带领其团队研究出了我国的首个流域水文模型，该模型是根据汇流计算的情况来研究蓄水量的一种概念性模型，主要应用于水文预报和水文设计领域。在随后的研究中，他们又将以前的模型进行优化升级，于1973年提出了一个全新的降水径流流域模型——新安江模型，新安江模型起初只有两个水源，以后又发展到了3个、4个水源的新模型。新安江模型在我国的湿润或者是半湿润地区应用很广。

1.1.3 水箱模型

水箱模型也是一种概念性的径流模型，它还有一个别称叫做坦克模型，于上世纪60年代初期由日本的菅原正提出，主要概念就是把流域看做是由很多个的蓄水池组成的，所有蓄水池的蓄水量就是整个流域的蓄水量，根据蓄水池中的蓄水深度等参数来计算流域的水文循环过程。此模型最大的特点就是化繁为简，将复杂的降水过程转化为径流过程，简化成蓄水池的进出水过程，这就使得这个模型的适应性和灵活性很强，能适应于各种环境，模型的主要设置工作就是水箱的设置。水箱模型经过后来的不断研究发展，现在已经是世界上应用最为广泛的流域水文模型。

1.2 GIS分布式流域水文模型构建

GIS分布式流域水文模型主要是针对集总式水文模型而言的，其考虑了气候因子和下垫面因素等的不均匀性影响，因此更为准确。下面就介绍分布式流域水文模型的构建:建立空间数据库——信息处理——GIS软件与模型数据接口连接。由于分布式流域水文模型考虑了大量的不均匀因素，增加了空间数据库搭建的近一倍的工作量;对于空间数据库中的数据信息进行处理，能得到模型最终所需要的数据层;最后一步就是软件要与模型建立连接才能进行数据收集和处理。

1.3 流域水文模型进一步发展的支撑条件

分布式水文模型相对于集总式水文模型具有更强的物理基础，充分考虑不均匀水文参数的空间变化，且物理意义明确，有明确的力学方程，能适应多种状态的水文过程描述，也能更为准确地描述流域径流的形成原理，因此分布式流域模型是一种发展前景比较广的流域水文模型。

分布式水文模型优于集总式水文模型是因为其模型考虑了随空间变化的参数，这些参数的确定不能使用那些实测水文气象资料率定模型参数的方法，这就使得分布式水文模型的参数确定成为了制约其发展的一个瓶颈。但是随着计算机技术——地理信息系统(Geographic Information System，GIS)的出现，使得此问题也得到了很好的解决。GIS运用数字化技术将水文模型中的时间和空间参数数字化，利用DEM的数字流域模型，揭示流域径流的形成原理。因此分布式水文模型与GIS技术的结合，使得水文学的研究又更上了一层楼。

2 当前我国水库调度问题分析

近几年来，在广大水库调度工作者的不懈努力下，我国的水库调度工作和技术取得了一定的进步，但管理水平和技术发展仍存在一些问题。

2.1 当前我国水库调度中的主要矛盾

目前我国水库调度中存在的主要矛盾包括两方面:防洪与蓄水;发电与蓄水。防洪要求水库的水位降低，这样才能保证在洪水来临时能有足够的空间拦截洪水;而蓄水则是希望水库能多蓄水，这样在农业干旱用水等兴利情况下有水可用。而针对发电来说，肯定是希望水位高，这样的发电效果好，另一方面又是希望避免浪费，尽量将所有的水都用来发电，这样就大量使用水库中的蓄水，这两方面由于其存在的各自独立的特点使得水库的调度存在错综复杂的矛盾，难以权衡。

2.2 解决水库调度中矛盾的主要方法

对于水资源的开发利用和水库的调度问题等的研究已经有很长的历史了，从上世纪五六十年代开始，又将系统分析理论和方法引入其中，用以研究如何将水库的作用发挥到最大，如找到一个好的方式来权衡防洪、蓄水、发电等水库调度中存在的矛盾，使其综合利用效果达到最佳。针对这个问题，世界上的水文研究人员都进行了大量的研究工作，构建了很多优秀的水文模型，这些模型对于水库的调度优化都做了很好的考虑;另外还针对单目标和多目标提出了很多优秀的优化方法，如动态规划法、网格划算法、系统分解协调法、权重法、约束扰动法及均衡规划法等。最近又提出了很多水库调度的智能优化方法，下面就对这些方法做简要介绍:

2.2.1 遗传算法

遗传算法(Genetic Algorithm)是模拟达尔文的生物进化论中的自然选择原理以及遗传学中的自然遗传机制的生物化过程的计算模型，模拟自然进化过程搜索最优解的方法。此算法是由美国Michigan大学的J.Holland教授于1975年提出的，其主要特点就是能对结构对象进行直接操作，具有良好的并行性和全局搜优能力，且适应能力很强。

2.2.2 蚁群算法

蚁群算法(Ant Colony Optimization，ACO)，也叫做蚂蚁算法，是一种寻找优化路径的几率算法，由意大利学者Marco Dorigo于1992年提出的，其灵感是来源于观察蚂蚁在寻找食物过程中找寻路径的行为，故得名蚁群算法。蚁群算法在水文学中的应用主要是近10 a内的事，2001年的Abbaspour在非饱和土的水力参数计算时引用了蚁群算法;2003年的Maier运用蚂蚁算法找到了配水系统的全局最优解，至此蚁群算法替代了传统的遗传算法在配水系统优化设计中的应用。

2.2.3 粒子群算法

粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)，简称粒子群算法，是近年发展起来的一种进化算法，与遗传算法比较相似，但是比遗传算法简单，主要是通过追随当前搜索到的最优值来找寻全局最优值，具有实现容易，精度高，收敛快的特点，在国际学术界引起了高度重视。粒子群算法是由美国社会心理学家James Kennedy博士和电气工程师Russell Eberhart博士于1995年在对鸟群捕食行为进行研究的过程中提出的。粒子群算法采用的是“群体”和“进化”的概念，初始化一群随机粒子，然后通过两个值的迭代最终得到全局最优解，一个值是个体极值，另一个值是全局极值，迭代过程中通过两个极值的追踪来更新粒子值，最终需要的全局最优解。

2.2.4 人工神经网络方法

人工神经网络(ANN)是由心理学家W.S.McCulloch和数理逻辑学家W.Pitts于1943年建立的，他们还建立了相应的数学模型，通过模型提出了神经元的形式化数学描述和网络结构方法，开创了人工神经网络研究的先河。人工神经网络具有自学习、自适应、自组织、高度非线性和并行处理等特点，现在的人工神经网络模型有40多种，常用的主要有反传网络、感知器、多层前馈网络及Hopfield网络等，后两种在水库调度领域比较广泛。

3 结论

随着社会的进步，科学技术的飞速发展，水文学也应该与时俱进，尽可能运用先进的计算机技术来进行水利工程研究。本文对我国流域水文模型的建立和水库调度问题进行了深入地分析研究，得出在流域水文模型的建立方面应采用分布式水文模型与GIS技术相结合，而水库调度问题应采取系统分析方法和算法，来寻找全局最优解，达到最佳效果。

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Research of Hydrologic Model Construction and Reservoir Control Problems about Chinese Watershed

CHEN Li-jin
(Guangzhou City River Management Department，Guangzhou 510635，China)

The characteristics about hydrologic model of the river basin are introduced and the focal point，difficult point and developing support for constructing themodelare analyzed for China in the study.Conflicts on Chinese reservoir controlare analyzed and the author proposes a solution method for it.

river basin;hydrologicmodel;Xinanjiangmodel;model ofwater tank;distributed hydrologicmodel ofGIS;reservoirs

P333.2

A

1007-7596(2012)07-0123-02

2012-06-21

陈立瑾(1986-)，女，甘肃兰州人，助理工程师，从事水资源规划与管理工作。