基于HSPF模型水文数据不确定性分析方法

摘 要：为了评价桃林口水库水文状况，建立其上游青龙河流域的BASINs/HSPF水文水质模拟模型。以Nash-Sutcliffe效率系数作为评价标准，考虑其模型输入资料的不确定性对模型模拟的影响。因此，将探讨在降雨输入资料不可靠情况下对降雨进行不确定性分析，以及降雨波动在不同参数下的影响，同时也可为之后其它相关的研究提供借鉴。

关键词：青龙河流域；BASINs/HSPF模型；降雨输入不确定性；降雨波动

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.181

1 研究背景

近年来，流域水文水质模型的应用越来越广泛，如WASP、SWAT、新安江模型和HSPF等。BASINs/HSPF模型作為半分布式流域模型优秀代表之一，因其在水文水质模拟方面表现出强大的功能，在国内外均得到广泛的应用。然而，水文模拟作为HSPF 模型的基础，在模拟中时常常会出现“异参同效”现象，这是由于水文数据的不可靠性、参数间的相关性等问题导致的，从而使水文模拟和预测过程存在误差。因此，对于水文数据输入的不确定性以及参数敏感性的分析是十分重要的。

2 国内外的研究现状及前沿问题

2.1 国外研究现状

在国外，Lee，K.S.等用MCMC方法对枯水频率进行分析，并与极大似然方法进行对比分析：Gallagher，M.等应用MCMC方法和线性不确定性分析法进行HSPF模型的不确定性分析，对不同方法得出的结果进行了分析和比较；在国内，王建平等应用MCMC方法进行水质模型的参数不确定性分析，结果表明，MCMC法对模型参数有较好的搜索效率；熊立华等将MCMC方法与GLUE方法进行对比，实例结果表明，就SMAR模型而言，MCMC方法能够更好地推求模型参数后验分布。

2.2 国内研究现状及存在问题

在我国，对水文水质模型的研究包括最早的以新安江模型为代表的集总式模型，到以WEP（Water and Energy transfer Process）为代表的分布式模型，在这过程中，取得了一些成就，但国内对BASINS的研究起步较晚。由于我国基础数据比较薄弱，模型的应用与推广仍有一定的障碍，因此相比SWAT模型等，对BASINS的研究相对较少。

在数据库方面的问题有以下几方面，如土壤数据，BASINS自带的土壤数据库和国内的土壤分类不同，土壤编码和名称也差别较大，我国的土壤数据达不到模型要求的精度；在植被数据方面，我国的土地利用数据划分类别与模型不一致，需要修改，根据遥感影像重新解译甚至实地观测采样等；BASINS对气象数据的格式、编码等有严格的要求，从完整的气象数据到系统可利用的形式，还需要经过一系列处理；同时由于我国气象站点的不均匀性，或者一些流域或地区没有长期连续的监测数据，我国还存在气象数据不全的问题，这需要通过系统的前处理程序WDMUtil自动补充缺失数据，随机阵的动荡性会造成数据不合理。

3 研究内容

3.1 研究目的

通过不确定性分析方法对降雨进行随机模拟生成多组实验数据，转向HSPF模型进行运行计算，经过灵敏度分析和参数率定，对得到的多组Nash系数进行比较分析，进一步比较降雨波动对结果的影响。根据不同情景的模拟与计算，针对具体问题，可通过相应的改变与调整，解决不同类型的水文问题。

3.2 研究方法

主要是针对降雨输入的不确定性进行分析，通过四种分析方法进行分析模拟，分别是趋势分析方法（突变），周期分析方法，随机分析方法以及正态分析方法。

3.2.1 降雨输入不确定性分析方法

在降雨趋势分析方面有非参数Mann-Kendall法，Mann-Kendall秩次相关法，Spearman秩次相关检验法，线性回归法和滑动平均法，还包括赫斯特系数分析法和Pettitt突变点检验两种突变分析方法；在降雨周期分析方面有最大墒谱法和小波变换法；降雨随机分析分析方法为ARMA；正态分析方法包括拟合优度检验，Kolmogorov-Smirnov正态性检验，Lilliefor正态分布检验，偏度峰度检验法。

3.2.2 参数的不确定性分析方法

包括正交极差分析方法及支撑向量机分析方法。

3.3 技术路线

参考文献：

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作者简介：陈心能（1994-），男，江苏江阴人，硕士，研究方向：水文与水资源。